變頻器調(diào)速在高速斬拌機(jī)中的應(yīng)用

張春元

（天津市肉類聯(lián)合加工廠，天津市浦英機(jī)械有限公司，天津300300）

斬拌機(jī)是肉類制品生產(chǎn)制作工藝中的重要設(shè)備，更是腸類生產(chǎn)加工必不可少的。它不僅將豬、牛、羊、魚等各種肉類、脂肪等原料，而且還能夠?qū)⑵渌细郊悠罚缛馄ぁ㈡I子肉、等輔料，同肉一起通過轉(zhuǎn)盤鍋逆時(shí)針低速旋轉(zhuǎn)，不斷的向斬拌刀組輸送，在轉(zhuǎn)盤鍋中作螺旋式運(yùn)動(dòng)的同時(shí)被高速旋轉(zhuǎn)的斬拌刀組利用切刀高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的劈裂作用，將肉及輔料攪拌和切碎，并均勻混合，斬拌成均勻的乳化物，特別是通過高速斬拌使原料肉達(dá)到乳化效果，使腸類產(chǎn)品的細(xì)密度增加，彈性增強(qiáng)，提高原料肉的利用率。

1 斬拌機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

斬拌機(jī)不論大小分為普通型和高速型兩種，刀軸運(yùn)轉(zhuǎn)速度在4 000 r/min以上的斬拌機(jī)稱為高速斬拌機(jī)，刀組的線速度越高，其斬拌乳化的效果越好，而低于4 000 r/min的斬拌機(jī)統(tǒng)稱為普通型斬拌機(jī)[1]。普通型斬拌機(jī)的刀軸傳動(dòng)系統(tǒng)操作流程：先低速、后中速、再高速，運(yùn)行曲線如圖1所示。

圖1 斬拌機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率及電流示意圖Fig.1 The running power and current of chopping machine

圖1 顯示，原料肉在進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤鍋過程中，重量不均，凹凸不平且成團(tuán)狀，首先選擇刀軸低速運(yùn)行是起到均勻攪拌的作用，這就是圖中t0-t1電流曲線有較大波動(dòng)的原因，而當(dāng)負(fù)荷電流逐漸平穩(wěn)如圖中t1-t2，也就是完成了攪拌。這時(shí)啟動(dòng)大功率異步電動(dòng)機(jī)（4極）運(yùn)行，刀軸運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷電流，短時(shí)間有一個(gè)沖擊電流t2-t3區(qū)間，過后很快衰減趨于平滑。圖中t3-t4的這段時(shí)間，阻力矩恒定，斬拌轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，肉料的顆粒明顯細(xì)化，此時(shí)啟動(dòng)刀軸高速（2級(jí)）運(yùn)轉(zhuǎn)是將細(xì)化了的微小顆粒再進(jìn)行深加工，即乳化。從圖中t4-t5的區(qū)間我們看到轉(zhuǎn)換刀軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)的短時(shí)內(nèi)，除上邊提到的不可避免的啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流外，在t5后斬拌機(jī)工作電流穩(wěn)定在恒定的轉(zhuǎn)矩區(qū)域內(nèi)。

2 變頻裝置在斬拌機(jī)中的應(yīng)用

普通型斬拌機(jī)受零部件、加工、裝配等因素的影響，系統(tǒng)的故障率比其他部位多，增加維修費(fèi)用。其次，為保證異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和生產(chǎn)工藝要求，采取接觸器直接啟動(dòng)，在不到10 min內(nèi)完成3個(gè)速度的轉(zhuǎn)換運(yùn)行（低、中、高），不僅噪音大，還直接影響其使用壽命。最后，由于啟動(dòng)電流大，造成用戶供電壓加大，影響其他電器設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

隨著社會(huì)節(jié)能環(huán)保意識(shí)提升及肉食品開發(fā)品種需要，普通型斬拌機(jī)不能滿足市場(chǎng)需求。目前，國外所使用的高速斬拌機(jī)多為直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速方法。優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)速范圍大，高、低速運(yùn)轉(zhuǎn)輸出力矩大，升減速平穩(wěn)，啟動(dòng)沖擊電流小，再生制動(dòng)容易，對(duì)電網(wǎng)無大影響；缺點(diǎn)是控制線路復(fù)雜，機(jī)體龐大，價(jià)格昂貴，出現(xiàn)故障維修困難。

為了實(shí)現(xiàn)斬拌機(jī)高速運(yùn)行，我們采用了變頻器和變頻電動(dòng)機(jī)配合控制的方法，滿足運(yùn)行要求。目前，市場(chǎng)上的通用變頻器種類多，性能不斷提高，功能不斷充實(shí)、增強(qiáng)，質(zhì)量越來越有保障。U/F控制的變頻器早已實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩功能，并不斷的更新?lián)Q代，改善功能。高動(dòng)態(tài)性能型矢量控制通用變頻器具有較高的動(dòng)態(tài)性能，且調(diào)速范圍廣，低頻均有轉(zhuǎn)矩提升功能，也稱電壓補(bǔ)償功能。

如圖2所示的這種變頻器，比較理想，靜態(tài)機(jī)械特性硬度大，不怕沖擊負(fù)荷，低速輸出轉(zhuǎn)矩大，很好的解決了變頻器低頻輸出時(shí)變頻電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足的問題。另外，變頻器啟動(dòng)電流小，只是額定電流的1.2倍～1.5倍，屬于軟啟動(dòng)性質(zhì)的設(shè)備，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成干擾。電源設(shè)備容量可以按變頻器的容量考慮，與采用工頻電網(wǎng)直接啟動(dòng)相比，容量明顯減小，節(jié)省投資。

圖2 變頻器低頻轉(zhuǎn)矩提升曲線圖Fig.2 The graph of the frequency converter low frequency torque

變頻器驅(qū)動(dòng)的變頻電動(dòng)機(jī)具備了挖土機(jī)特性，像直流電動(dòng)機(jī)一樣，可以人為地設(shè)定其極限輸出轉(zhuǎn)矩[2]。變頻電動(dòng)機(jī)的矢量控制，在動(dòng)態(tài)性能方面已經(jīng)趕上或超過了直流調(diào)速系統(tǒng)。我們從變頻電動(dòng)機(jī)的變頻特性中知道，在基頻以下運(yùn)行的變頻電動(dòng)機(jī)，是恒力矩輸出，在基頻以上運(yùn)行是恒功率輸出，如圖3所示。

圖3 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的控制特性Fig.3 Control feature of asynchronous motor frequency conversion and motor speed

斬拌機(jī)在低速攪拌初始，負(fù)荷力矩波動(dòng)大，伴隨著較大的電流抖動(dòng)，而此時(shí)用變頻器控制的變頻電動(dòng)機(jī)正是工作在基頻以下的低頻運(yùn)行狀態(tài)，由于變頻器具備低頻轉(zhuǎn)矩提升功能和抗沖擊功能，保證了變頻電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩的輸出，能滿足斬拌機(jī)在低速攪拌的力矩要求。而在高速乳化時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在基頻以上，雖然隨著轉(zhuǎn)速的提升輸出力矩降低[3]。圖3顯示，工作在恒功率段，然而負(fù)荷阻力矩通過前兩級(jí)的運(yùn)行已經(jīng)明顯下降且平穩(wěn)。對(duì)于工作在基頻以上，速度提升，轉(zhuǎn)矩下降的恒功率輸出恰好是減荷，這種巧合給我們選擇變頻器控制斬拌機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)提供了一個(gè)主要依據(jù)。根據(jù)這一依據(jù)，只要掌握斬拌原料在低速攪拌時(shí)的阻力矩和高速乳化時(shí)的阻力距，我們就很容易根據(jù)這兩個(gè)重要參數(shù)選擇購買到相應(yīng)的變頻電動(dòng)機(jī)和低速有補(bǔ)償?shù)腢/F控制的通用變頻器，以合理可靠的電氣控制，就不難完成變頻器調(diào)速對(duì)高速斬拌的運(yùn)行控制。

3 結(jié)語

經(jīng)過以上簡(jiǎn)述，我們分析發(fā)現(xiàn)變頻器的功能、變頻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征，恰好利用在控制高速斬拌機(jī)運(yùn)行方面，提供了利用的條件。變頻器控制的變頻電動(dòng)機(jī)在高速斬拌機(jī)上運(yùn)行經(jīng)過了實(shí)踐，通過了國家的鑒定，并取得了專利證書。在肉類食品加工企業(yè)已經(jīng)應(yīng)用。價(jià)格合理、控制簡(jiǎn)單、性能可靠的變頻調(diào)速的高速斬拌機(jī)已面向市場(chǎng)，彌補(bǔ)了我國在這一領(lǐng)域的不足，滿足肉類食品生產(chǎn)廠家的需求。

[1]吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用手則[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002

[2]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004

[3]顧繩谷.電動(dòng)機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981