用于擠出機生產(chǎn)線的高效節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)

J.C.G.Villar

Kabel.Consult.Ing(德國)

用于擠出機生產(chǎn)線的高效節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)

J.C.G.Villar

Kabel.Consult.Ing(德國)

摘要：擠出機驅(qū)動的改進證實了減少能耗的理想目標(biāo)是可以實現(xiàn)的。仔細觀察擠出機的操作過程將會發(fā)現(xiàn)，設(shè)備的凈功率與裝機功率之比非常小，通常將這種情況稱作能量不匹配。討論了擠出機生產(chǎn)線漸進式改進的機遇，這些改進會大大降低成本。還介紹了一種新型的已授權(quán)專利的驅(qū)動技術(shù)。

關(guān)鍵詞：擠出機；高效節(jié)能；驅(qū)動系統(tǒng)

無論是改革還是發(fā)展，隱藏在物聯(lián)網(wǎng)背后的最初想法和步驟已經(jīng)帶領(lǐng)工業(yè)世界跨越式發(fā)展到一個新的階段。例如，目前歐洲已將電子驅(qū)動的能量效率作為發(fā)展的主要因素。IEC 60034-30中，效率等級的定義具有重要意義。這可能是朝正確方向邁出的一步，但遠非一個非常完整的答案。通過觀察電子驅(qū)動的典型應(yīng)用可以看出，在許多情況下它們都是在部分負荷下運行的，如，應(yīng)用于輸送系統(tǒng)和擠出機的恒定扭矩驅(qū)動，以及具有退繞和卷繞設(shè)備的可恒定輸出。智能驅(qū)動系統(tǒng)(圖1)可以節(jié)約大量的能源，并相應(yīng)地減少能源成本。

圖1　智能驅(qū)動系統(tǒng)革命

1物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)一詞代表著第四次工業(yè)革命，是以一種新的方式組織和控制整個價值創(chuàng)造鏈，且這種方式貫穿整個產(chǎn)品生命周期。這個周期既要面向日益?zhèn)€性化的客戶的期望，又要涵蓋產(chǎn)品最初的理念，它按照合同進行開發(fā)和生產(chǎn)，流通至消費者，甚至包括回收利用，以及相關(guān)的服務(wù)，是這建立在價值鏈上每個環(huán)節(jié)相關(guān)信息的實時可用性，以及任意給定時間點上對最優(yōu)價值創(chuàng)造數(shù)據(jù)的解讀能力的基礎(chǔ)上。通過對人員、物品、系統(tǒng)的整合，可以在多個組織間創(chuàng)造動態(tài)的、實時優(yōu)化的、自動組建的價值創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)多種評價指標(biāo)(如成本、有效性、資源消耗)來優(yōu)化這些網(wǎng)絡(luò)。

2物聯(lián)網(wǎng)時代的部分負荷和提高的能源成本

在電纜制造過程中，擠出加工仍然是其核心內(nèi)容。制造設(shè)備不僅放置在絕緣導(dǎo)體周圍，也賦予高科技電纜產(chǎn)品一些基本特性，如耐火性、阻燃性、電容率和阻抗等。在電纜擠出過程中，通過插入或喂入裝置將環(huán)形材料(由線圈或套筒提供)喂入擠壓機的機頭，并在熱和壓力的作用下，將黏性合成材料加入環(huán)形材料中，對其進行涂層。離開擠出機機頭后，熱電纜線通過一系列的水冷引導(dǎo)輥引導(dǎo)并進行水冷，由傳送帶裝置向橫動卷繞裝置拔出或推動。擠出系統(tǒng)通常采用高儲備功率的恒定轉(zhuǎn)矩和恒定輸出的驅(qū)動器，但儲備的能源不能完全被利用。

即便是目前，偏好選擇大功率驅(qū)動系統(tǒng)仍被認為是保證機器穩(wěn)定運行的一個好方法。如果開發(fā)工程師不能確定機械載荷、載荷范圍或環(huán)境條件，為安全起見，可選擇一個較大的驅(qū)動器，而在特定載荷和速度條件下運行時，必須選擇能滿足其極限操作條件的驅(qū)動器，所以在很多情況下，能量儲備是完全有必要的。例如，擠壓機傳輸黏性化合物用于生產(chǎn)高價值產(chǎn)品時，在炎熱的夏季，電動機過熱和故障都會造成嚴(yán)重的后果。卷繞機構(gòu)和退繞機構(gòu)的情況類似，它們都需要較大的發(fā)動機。雖然卷繞機并不需要同時產(chǎn)生很高的速度和很大的轉(zhuǎn)矩，但電動機必須能夠兼具產(chǎn)生很高的速度和很大的轉(zhuǎn)矩的能力，因此，安裝的電源容量應(yīng)遠大于工藝過程中消耗的功率，必須采用高輸出的電動機，但輸出的能量僅被部分利用。使用轉(zhuǎn)換器可讓電動機在弱磁范圍內(nèi)運行，并能擴大卷繞系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速范圍，從而可調(diào)整因過大的驅(qū)動系統(tǒng)帶來的額外的能源成本。

3智能驅(qū)動系統(tǒng)

對于一個標(biāo)準(zhǔn)化的異步電動機(圖2)而言，其最大效率,如產(chǎn)生機械輸出與所吸收的電功率之比，通常是額定負荷的60%～100%。當(dāng)其低于額定負荷的25%時，效率顯著下降。如果僅考慮效率，則電動機適宜在能使發(fā)動機效率達到最大的負荷范圍內(nèi)工作。但如果也考慮使用壽命，則應(yīng)該選擇一個功率稍大的電動機，電動機會有動力儲備，且不會那么容易發(fā)熱，但這將導(dǎo)致其購買價格更高?？紤]到這一點，需要建立一個高能效驅(qū)動系統(tǒng)。這種高能效驅(qū)動系統(tǒng)不僅是經(jīng)濟的、模塊化的、免維護的，而且應(yīng)擁有高精度和好的動力學(xué)性能，滿足發(fā)動機和整個機械傳動系統(tǒng)在最優(yōu)效率范圍內(nèi)工作的可靠性，即使在產(chǎn)量高、參數(shù)和工藝變化多的情況下，驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動系統(tǒng)也能平穩(wěn)操作。電動機的最佳效率應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速時的(75%±15%)和恒定轉(zhuǎn)矩時的(75%±15%)。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)電動機的效率

Kabel咨詢公司開發(fā)了滿足這些要求的新系統(tǒng)，并申請了發(fā)明專利。新驅(qū)動器系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點是額定損耗和驅(qū)動電動機的空載損耗比現(xiàn)行的最先進的驅(qū)動器低很多。另一優(yōu)點是，所有驅(qū)動機中的機械動力系統(tǒng)都可以在最優(yōu)效率范圍內(nèi)持續(xù)運行。機械驅(qū)動或單個動力傳動系統(tǒng)的空載轉(zhuǎn)矩比目前最先進的驅(qū)動要低很多。合理利用幾個小的驅(qū)動器，可具有裝機功率的恒定輸出曲線不明顯高于過程耗電量的狀態(tài)(圖3)。盡管如此，在規(guī)劃階段，仍有安全等級問題尚未考慮，如外界熱環(huán)境影響或長時間的過載情況。因此，驅(qū)動系統(tǒng)將有一個更優(yōu)等級的整體效率與優(yōu)化的能量平衡，以降低能量消耗成本。由于電動機和動力傳遞部件通常在其最佳效率范圍內(nèi)運行，因此在這個過程內(nèi)，大多數(shù)驅(qū)動器都能被有效利用。

新的節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)被命名為SIGND，已申請專利保護，其屬于德國經(jīng)濟事務(wù)和能源部籌資計劃的一部分。

圖3　恒定輸出曲線及兩種替代情況

謝位 譯顏雪 校

Energy-efficient drive system for extrusion lines

JuanCarlosGonzalezVillar

Kabel.Consult.Ing,Monchengladbach/Germany

Abstract:Extruder drives demonstrate that ambitious power reduction goals are within reach. Anyone who takes a closer look at the operating instructions will notice that the ratio of net power requirement to installed power is very small, a condition known as a power “mismatch”. The opportunities to make incremental improvements in extrusion lines that deliver significant cost savings is discussed. In particular, a new (and patented) drive technology is discussed.

Key words:extruder; energy-efficient; drive system