汇川变频器在食品设备上的应用

汇川技术应用文集

变频器在食品设备上的应用

当今的食品机械产业得到了飞速发展, 其发展趋势为:

(1) 便于操作, 安全可靠，维护简便;

(2) 坚固耐用, 即使操作不当，也不易发生故障;

(3) 重量轻、体积小;

(4) 使生产的产品质量稳定、效率提高。

而作为电机驱动装置的变频器将在一定程度上改变食品机械的整体装备水平。其功效基于以下二点:

(1) 增加产量、降低成本。可以提高生产技术, 使产品产量和品质都得到提高，并能有效节约成本，

实现利润最大化;

(2) 实现控制的软件化，提高功能，通过转矩补偿、防止失速和重合闸等功能，实现不跳闸运行。

如何选取合适的变频器来满足日益增长的食品机械现代化的要求是目前摆在众多食品机械制造商面前的一个棘手问题，该类型的变频器必须能够适合食品制造的环境、符合食品类负载的变化、贴近用户的心里需求(价位、售后服务和操作)，而汇川公司推出的MD320系列变频器则是一个理想的OEM产品，它代表了未来变频器发展方向的新一代模块化高性能变频器，在客户需求合理细分的基础上，进行模块化设计，通过单系列产品的灵活组合，最终创建了一个客户化量身定做的平台。因此，本文将介绍在食品机械中采用汇川MD320变频器的应用情况。

MD320变频器在传输系统中的应用

在食品机械中，传输系统被大量地使用，比如蛋糕烘烤前必须由传输带进行送料，并按照烘烤工艺匀速地通过烘烤箱，这里面就涉及两个传送设备，即送料输送带和烘烤线输送带，两者的速度必须匹配，能方便同升同降。以前，这样的设备调速基本都采用手动机械式有级变速(比如更换皮带轮大小或者齿轮箱变速比等)，但现在采用变频调速后就能大大扩展调速范围，且能实现无级调速。

类似的瓶装饮料生产线(如图1左)、粉状体原料计量包装线等都将会用到变频传输系统。在传输系统中，用户可以根据原材料大小和材质来控制传输带速度，保证质地均匀;同时根据不同的传输系统间的速度配比要求来实现速度同步和微调等功能。由于不同的工况需要不同的速度源来控制传输系统的驱动部件，这就要求变频器能够具有更多的频率源和运行方式。汇川MD320可谓是食品机械OEM变频器的典型，它具有三种运行命令通道(操作面板给定、控制端子给定和串行通讯给定)且能通过多种方式进行相互间的切换;它具有10种频率源(数字给定、模拟电压给定、模拟电流给定、脉冲给定、串行口给定等)和10种辅助频率源，可以相互切换并能灵活实现辅助频率微调和频率合成。在图1(右)中，MD320变频器被用在瓶装饮料生产线中的传送驱动控制，通过变频器的使用，它能达到以下的几个功效:（1) 大大提高产量：在无速度传感器矢量控制方式中(SVC)，MD320的控制范围为1:100，控制精度为±0.5％。

针对不同的食品制造工艺可以方便地控制传输系统的主速度，同时其他传输设备会自动地同步匹配，而无需人工调节。这样就可以方便地通过调节速度来提高产量。

（2) 发挥异步电机的优点：采用变频器来调速无需增加额外的机械调速机构，因此传输系统将更加紧凑轻巧，齿轮异步电机的运行也更有效率。由于传输系统的执行机构单单是电机本身，而无额外的机械部件，它就能仅仅采用对电机的防护等级提高就能应用在潮湿的环境中或户外或防暴场合，而这些环境常常是食品机械中常见的工况，如饮料生产线、鱼肉制作生产线和食用酒精生产线等。同样，变频调速避免了类似直流电机调速中更换炭刷或者换向器的繁琐维护作业。当然，对于某些以前定速运行的异步电机传输系统，应用变频调速也非常简单有效，只需增加变频器即可完成改造。

（3) 软启动和软停止功能：在传输系统，如果全速启动会导致物件的损坏，如图1中的瓶装生产线。而采用变频调速后就能非常轻松地实现零速满载启动，MD320在SVC控制方式下提供0.5Hz的150％的启动转矩，因此在克服启动摩擦转矩的同时平稳地启动。同时，在停车时变频器也能提供软停止功能。图1(右)是关于MD320变频器的频率/时间曲线，其加速时间和减速时间可以在0~3000s调整，加减速曲线可分直线和S曲线两种，并内置4种加减速时间(通过端子来选择)。

（4) 运行功能完备：启动、停止、点动(正向或反向)、反向运行都能轻松地通过端子引线和端子参数定义(F4组)来实现。电机的正反转功能在工频中需要不同的接触器，而变频器只需改变输出相序即可实现。而同时，MD320变频器能够设定禁止反转功能(F8.13＝1)来实现特殊工艺下的操作。制动是变频运行的一个常见功能，在图1中，MD320变频器接了制动电阻来实现快速制动，以处理制动过程中的再生能量。

（5) 超越额定转速运行：变频器本身允许电机在0到最大输出频率之间运行，只要电机在超越额定转速运行时不过载都能实现超速运行。

（6) 提高输送精度：比如在粉状体原料输送系统中采用变频器MD320后，它能按比例控制粉状原料的传送速度或传送带上的粉状体原料均匀装载都能极方便地实现，从而提高了送料精度，最终保证了食品包装的精度。

MD320变频器在搅拌装置中的应用

混合搅拌机是食品机械中用的最多的一种，包括高速搅拌水点心发泡料、超低速搅拌馅料等机械。搅拌机基本上是恒转矩负载，要求变频器调速范围大，抗过载能力强。在搅拌装置中，根据材料的变化来控制电机转速，以便设定最佳的搅拌条件。

MD320变频器具有高启动转矩，通过选择VC矢量控制方式，能够实现在0Hz时的180％的启动转矩，同时具有高过载能力150％额定电流60s、180％额定电流1s，而且它还具有“挖掘机”特性，能对运行期间的转矩自动限制，防止频繁过流跳闸;在VC闭环控制时，更能实现转矩控制。因此，MD320能保证搅拌装置所必需的低速大转矩和全频域平稳加减速功能。

搅拌装置经常会处理一些粉状或粘稠状物料(如糖果汁、淀粉等)，这些物料在温度和湿度等影响下, 会堵住搅拌装置的叶轮并使启动转矩增大，所以很多变频器根本就无法启动, 从而会采用一种额外的“土”办法:先采用工频切换后在电网工频电源启动, 再把它切换到变频器运行。MD320由于采用高性能矢量控制, 通过安装编码器(如图2)来实现更高的启动转矩, 即VC控制下的0Hz时180％的启动转矩。当然前提条件是:在合理负载转矩情况下, 选择电机及变频器的容量。这类负载应该归于重载类, 可以按经验高选一档。

图2所示是一种处理液体饮料的搅拌装置，原先采用一台电机同轴驱动两台搅拌机以保证同步处理，现在改为两台变频器MD320来分别控制各自的搅拌机，但最终效果必须保持同步。

在本搅拌装置中采用了矢量控制的变频器MD320, 它是通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制, 从而可以实现转矩的快速响应和准确控制, 同时以很高的控制精度进行宽范围地调速运行。矢量控制变频器的基本工作原理是:频率指令和实际速度的比较值通过一个速度调节器ASR后再进行转矩限定, 最后来控制变频器的输出转矩。该控制图分为2个闭环(速度环和电流环), 限转矩的作用就是用来限定速度调节器输出的转矩电流, 将直接限制变频器的输出频率。具体控制原理如图2(右)所示, VF1为主机, 其按照PLC设定地速度进行闭环VC控制方式运行, PLC然后读取VF1速度实际值, 在此值的基础上再叠加＋3％的速度值, 发送给VF2变频器, 根据变频器VF1的转矩值来限定VF2的转矩, 这样就能保证VF1和VF2的输出转矩基本一致, 也就能保证同步转矩运行(比速度同步更能反映搅拌工艺的质量)。汇川MD320变频器的参数设置如下:

主机VF1:FO-01=1(有速度传感器控制方式VC);

FO-02=2(串行口通讯运行命令);F2-11=1024(编码器脉冲数);F2组其他参数用于设定ASR数据。副机VF2:FO-01=1(有速度传感器控制方式VC);FO-02=2(串行口通讯运行命令);F2-09=0(转矩上限值为F2-10);F2-10=X(转矩上限值为通讯设定);F2-11=1024(编码器脉冲数);F2组其他参数用于设定ASR数据。

MD320变频器在离心设备中的应用;

在食品制造过程中, 一个很重要的环节是要进行固液分离或者液液分离, 比方制糖工艺、果汁饮料工艺(豆奶、蔬菜汁)、蛋白分离工艺(大豆蛋白、花生蛋白、骨蛋白)、油脂分离工艺(动物油、植物油、磷脂油)等, 以保证各种物料的脱水、澄清、分类和过滤。卧式螺旋卸料沉降离心机(简称卧螺离心机)则是专门用于固体脱水和分级以及液体的澄清，是食品分离机械的重要装备。由于这种离心机具有单机处理能力大、操作方便、能连续自动操作、劳动强度低、占地面积少以及维护费用低等优点，所以一直以来，螺旋离心机在食品分离中得到广泛应用。

以制糖工艺为例，采用卧螺离心机完全可以取代传统的沉降设备，是制糖工业更新换代的泥汁过滤设备。如图3左所示，进入本机的泥汁，在高速旋转的转鼓内分成内、外环，内环的蔗汁清液由转鼓大端溢流口排出，外环的沉渣被推入螺旋锥部时，再经热清水洗涤，溶出沉渣中的残存糖份，最后经离心脱水从转鼓小端出渣口甩出，洗涤后的含糖水又汇集到内环由转鼓大端溢流口排出。调整转鼓转速(即离心力的大小)、调整差转速(即物料在离心场中的停留时间)、调整洗涤水的用量(即降低沉渣中的含糖量)就可以方便的得到所需的分离效果。

MD320在分离设备中的应用

如图3右所示，典型的卧螺离心机中有两个传动轴:一个轴带动筒体转动(主机)、另一轴带动筒轴转动(辅机)，两者的转速需要精确的配合。由于在分离过程中始终存在着速差，因此，辅机在大部分情况下处于发电制动状态，在传统的方案中大多采用能耗制动或者涡流制动。但是从趋势看，卧螺的传动方式已经从能耗严重的涡流制动朝目前最主流的双电机双变频驱动发展。本图中，采用汇川MD320矢量变频器，该变频矢量控制能针对不同液体浓度自动适应负载变化，并高效可靠的完成离心分离过程。具体的分离控制功能则被集成在PLC离心机控制软件中。
从接线方式看，交流电网接到VF1主变频器MD320的进线端, 两变频器(VF1和VF2)的直流母线直接并联, 辅机传动变频器VF2并不直接接进线380V, 这样就可以方便而可靠地实现能量共享。在正常运行情况下, 辅机都是处在发电状态, 主电机则是在电动状态，辅机发电导致母线电压泵升, 然后通过母线互联, 将泵升电压消耗在主机上, 从而减少了从电网吸纳的电能，起到了节能的作用。

在本方案中, 由于辅机传动电机需要的无功励磁电流和副电机偶尔作为电动机运行(例如启动阶段和加减速过渡过程)时的有功电流都要由主变频器提供，因此，选取主变频器的功率时应予以考虑进线整流桥的容量, 必须保证通过电流为两电机电动电流之和。本设计方案的特点是电路简单，不需要调试，动作可靠性极高。本离心机控制的特点:

（1) 离心机速度的矢量控制方式保证了速度控制的正确性;

（2) 可以使用公共直流母线;

（3) 速度差控制，取消了编码器，而采用开环的无传感器矢量控制可以解决昂贵的带编码器的反馈控制方案;

（4) 筒轴传动的负载补偿。

综合看来，卧螺离心机的变频应用具有以下特点:

(1) 节能：共母线双电机双变频器驱动在卧螺离心机上广泛应用，即主、副电机各用一台普通变

频器驱动，其直流母线用适当的方式并接，较好的解决了这个问题,在能源日益紧缺的今天,有特别重要的意义。现代离心机螺旋与转鼓之间的速差可以根据进料的变化自动调节，变频调速相对于涡流制动和液力耦合制动来说对电能的利用率高，在耗能方面比较节省。

(2) 动态响应快：差转速调节过程从PID调节器的数分钟减小为变频无传感器矢量控制的数秒钟，

速差调节精确(甚至可以达到±0.05r/min)，从而大大提高了卸料物中干物质含量(以处理污泥而

言在2%左右)。

(3) 转矩控制功能：利用MD320的转矩控制可以非常容易实现速度与转矩切换, 并处理突发事件造成的转鼓内物料的堆积, 从而提高工作效率。采用MD320的离心机其有效扭矩更大, 最小持续扭矩为5,000N.m，瞬间负载扭矩可达27,000N.m。

结束语

本文重点介绍了汇川MD320变频器在食品机械中的传输系统、搅拌装置和分离设备中的应用，它能方便地调节物料处理速度，使之适应多种食品地传送、搅拌和分离，在一定程度上节约电耗，并使系统结构简化。

参考文献：（1）320用户手册：

深圳:深圳市汇川技术有限公司,2004年.

[2] 张燕宾. 变频调速应用实践[M].

北京:机械工业出版社,2001年.
[3] 郑芳顺. 分离机械行业调整改造与发展导向性研究意见[J].