摘要：本文介紹了匯川HD71系列高壓變頻器在密煉機(jī)上的應(yīng)用，密煉機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過變頻改造后，克服了傳統(tǒng)調(diào)速方案帶來的啟動電流大、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間長、配方單一等缺點，大大提高了密煉機(jī)系統(tǒng)的效率和膠料的質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：煉膠行業(yè)、密煉機(jī)、高壓變頻器、磁鏈閉環(huán)矢量算法
一、概況
橡膠制品在我們的日常生活和生產(chǎn)過程中應(yīng)用非常廣泛，橡膠行業(yè)也是一個巨大的行業(yè)，中國每年都會有消耗幾十萬噸的橡膠制品，膠制品的主要原料是生膠、各種配合劑、以及作為骨架材料的纖維和金屬材料，橡膠制品的基本生產(chǎn)工藝過程包括塑煉、混煉、壓延、壓出、成型、硫化6個基本工序。
圖1 密煉機(jī)
橡膠的加工工藝過程主要是解決塑性和彈性矛盾的過程，通過各種加工手段，使得彈性的橡膠變成具有塑性的塑煉膠，再加入各種配合劑制成半成品，然后通過硫化把具有塑性的半成品又變成彈性高、物理機(jī)械性能好的橡膠制品。
密閉式煉膠機(jī)簡稱密煉機(jī)，主要用于橡膠的塑煉和混煉。密煉機(jī)是一種設(shè)有一對特定形狀并相對回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、在可調(diào)溫度和壓力的密閉狀態(tài)下間隙性地對聚合物材料進(jìn)行塑煉和混煉的機(jī)械，主要由密煉室、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子密封裝置、加料壓料裝置、卸料裝置、傳動裝置及機(jī)座等部分組成。
目前，國內(nèi)大多數(shù)廠家采用了工頻恒速模式傳動，電機(jī)通過減速機(jī)直接拖動密煉機(jī)轉(zhuǎn)子運動：整個過程中，包括投入塑料膠及小料、分批加入大料、進(jìn)一步翻撿，混合和分散、排料等幾個不同的工藝階段，但在電機(jī)恒速拖動下造成了以下幾個問題：
1. 啟動電流大
密煉機(jī)工頻啟動時，電機(jī)瞬間電流高達(dá)正常運行6~10倍，容易對電網(wǎng)造成影響，造成電網(wǎng)被拖垮，同時電機(jī)啟動時沖擊力矩過大，容易造成電機(jī)損壞。
2. 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間長
密煉機(jī)運行周期一般在3-6min，其中高過載運行時間一般在2%左右，即3.6-7.2s，分兩至三次進(jìn)行，每次轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求在毫秒級時間內(nèi)進(jìn)行，長期工頻運行電流沖擊對電機(jī)損壞非常嚴(yán)重。
3. 配方單一
傳統(tǒng)密煉機(jī)采用減速箱作為傳動裝置，減速機(jī)減速比單一，所以密煉機(jī)只能進(jìn)行制定配方的混煉，如果需要更換配方，則需要對減速機(jī)進(jìn)行改裝，使之適應(yīng)更改后配方的速度，這樣會使生產(chǎn)周期延長，降低生產(chǎn)效率，減少用戶效益。
4. 故障后無應(yīng)急處理措施
密煉機(jī)負(fù)載變化大，響應(yīng)時間短，所以對電機(jī)損害很大，當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時，系統(tǒng)無法針對故障采取處理措施，導(dǎo)致膠料在密煉機(jī)容室內(nèi)硬化，對機(jī)械和生產(chǎn)造成很大影響。
以上缺點都給企業(yè)造成了很多直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失，這與現(xiàn)在創(chuàng)建節(jié)能型社會是不相符合的，因此對密煉機(jī)進(jìn)行變頻改造對節(jié)約社會能源、增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都具有非常現(xiàn)實的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。
二、現(xiàn)場情況
山東某輪胎廠，一期工程包括4條全鋼輪胎生產(chǎn)線和4條半鋼生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線上配置有一臺2500KW電機(jī)驅(qū)動的密煉機(jī)和一臺1250KW電機(jī)驅(qū)動的密煉機(jī)，且每臺密煉機(jī)都配置高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速，
該輪胎廠13年采購匯川高壓變頻器，并在13年10月份投運。
此應(yīng)用挑選了全鋼一臺GK400的密煉機(jī)作為描述對象，密煉機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：
三、方案描述
3.1變頻系統(tǒng)介紹
根據(jù)密煉機(jī)對變頻器的特殊要求，蘇州匯川技術(shù)有限公司選配變頻器的型號為HD71-J100/2500-DB，該產(chǎn)品是蘇州匯川技術(shù)有限公司專門針對密煉機(jī)而開發(fā)的行業(yè)轉(zhuǎn)機(jī)，該變頻器采用先進(jìn)的磁鏈閉環(huán)控制，具有啟動無沖擊、過載能力強、低頻大轉(zhuǎn)矩、點動排膠、單元旁路、操作方便、質(zhì)量可靠等優(yōu)點。
3.1.1一次系統(tǒng)方案圖
圖2 系統(tǒng)圖
3.1.2 HD71控制原理及技術(shù)特點
電網(wǎng)電壓經(jīng)主變壓器隔離移相后為功率單元供電，每個功率單元為一個單相交-直-交電壓型逆變器，單元串聯(lián)星接后形成三相變頻電源給高壓電動機(jī)供電。根據(jù)串聯(lián)單元級數(shù)的不同，產(chǎn)品分為6kV、10kV兩個系列。主變壓器采用移相整流方式，輸入功率因數(shù)高，輸入電壓電流諧波小。滿足IEEE519-1992和GB/T 14549-93對電壓和電流最嚴(yán)格的諧波失真要求。無需任何功因補償和諧波抑制裝置。變頻器輸出采用多重化PWM技術(shù)，輸出為近乎完美的正弦波，無須加輸出濾器。電動機(jī)諧波損耗小，轉(zhuǎn)矩脈動小，無明顯電動機(jī)噪聲。電動機(jī)不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對電動機(jī)無附加電應(yīng)力損害。
圖3產(chǎn)品原理圖
功率單元采用三相交流輸入，整流濾波后形成直流電壓，經(jīng)IGBT H橋逆變后輸出脈寬調(diào)制（PWM）電壓。功率單元控制板由IGBT驅(qū)動電路和監(jiān)測保護(hù)電路、光纖通信電路、單元旁路電路和控制電源組成。運行中功率單元故障時，變頻器可將故障單元自動旁路并繼續(xù)運行，等到情況允許時再停機(jī)排除故障。
匯川公司HD71采用功率單元級聯(lián)式技術(shù)路線，矢量控制高壓變頻器，控制核心采用DSP+ARM+FPGA組成，指令在納秒級完成，因此控制波形和逆變波形可以實時校驗。具有國際領(lǐng)先的技術(shù)！
公司所有高壓產(chǎn)品均進(jìn)行滿載72小時測試，除一些保護(hù)功能外，磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)、高頻技術(shù)、快速疊頻技術(shù)、Syn-transfer技術(shù)、非對稱旁路技術(shù)、雙路控制電源等功能，這些功能技術(shù)上處于國際領(lǐng)先水平。
公司的電力電子，自動控制和計算機(jī)等領(lǐng)域具有理論水平和實踐經(jīng)驗的優(yōu)秀科研隊伍，長期致力于電力電子領(lǐng)域各類產(chǎn)品的開發(fā)研制，對于關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)工藝也作了大量的完善和改進(jìn)，如：其中層疊直流母線的制作工藝保證了直流母線的分布電感最小，有效抑制了功率器件在開關(guān)過程中的di/dt電壓尖峰；高密度FPGA貼片工藝保證了控制器在惡劣環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定運行；整流橋、功率器件和電解電容的安裝工藝使整個系統(tǒng)的離散性達(dá)到最小，保證質(zhì)量和性能的高度一致性。為保障質(zhì)量和效率，公司還研制了各類具有特色的和方便使用的工藝調(diào)試工裝，建全了相應(yīng)的質(zhì)量管理體系。
1) 磁鏈閉環(huán)矢量算法
HD71系列高壓變頻器具備獨有的磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)，是高壓變頻器領(lǐng)域最好的控制算法，它通過定子坐標(biāo)系進(jìn)行磁通、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，采用勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流解耦控制，綜合了轉(zhuǎn)子閉環(huán)矢量控制技術(shù)和DTC系統(tǒng)之所長，彌補各自的主要不足，使得控制系統(tǒng)具有靜／動態(tài)性能好、魯棒性強、調(diào)速范圍大等優(yōu)點，特別適用于要求低頻大轉(zhuǎn)矩、調(diào)速精度高的場合。
2）快速單元旁路技術(shù)
HD71系列高壓變頻器采用單元級聯(lián)方式，當(dāng)其中某個單元出現(xiàn)故障后，在單元配備旁路功能（可選）的情況下，通過非對稱旁路技術(shù)可以使系統(tǒng)不停機(jī)運行。HD71的快速單元旁路技術(shù)可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)旁路方案更高的電壓輸出幅值。
圖4非對稱旁路技術(shù)示意圖
3) FVC-SVC無擾相互切換
通過矢量算法在電機(jī)編碼器故障時自動切換至無編碼器控制模式，減少由于編碼器故障造成的影響。
此項技術(shù)對于密煉機(jī)控制精度和生產(chǎn)效率有很大的提升，有效解決了因編碼器故障造成的停產(chǎn)（編碼器故障時別家公司易造成停機(jī)，影響極大），目前其他公司無此技術(shù)。
圖5 FVC-SVC無擾切換示意圖
4) 大功率點動技術(shù)
在正常工作時，HD71驅(qū)動密煉機(jī)電機(jī)正常運動；當(dāng)密煉機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障或發(fā)生堵膠現(xiàn)象時，變頻器可以通過點動功能進(jìn)行點動排膠，減少了用戶因此造成的工時、工料的浪費。
5）高可靠性器件
核心器件IGBT、整流二極管、高品質(zhì)電容、主控制芯片ARM、DSP、FPGA等均選用高品質(zhì)器件，保證了運行的高可靠性，生命周期長。
6） 遠(yuǎn)程監(jiān)控方案
在無線通訊模式中，通過3G技術(shù)的支持，數(shù)據(jù)中心可以24小時對工藝運行過程中變頻調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集、監(jiān)控。具有以下優(yōu)勢：故障報警及時，安全系數(shù)高；減少了現(xiàn)場維護(hù)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控的工作量：數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確：網(wǎng)絡(luò)無線監(jiān)控，降低了客戶在OSI網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)物理層建設(shè)的投入。
四、變頻改造優(yōu)勢
變頻調(diào)速作為近年來興起的一門新技術(shù)，它是通過改變電源頻率來實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，因其具有調(diào)速平穩(wěn)、瞬態(tài)穩(wěn)定性高、節(jié)能等特性越來越被人們所重視。相比傳統(tǒng)調(diào)速方式，其優(yōu)勢如下：
1) 簡化了配方更換的過程。不同的膠料在煉制過程中需要不同的速度和溫度，采用傳統(tǒng)方案，每一次更改配方都需要改變減速機(jī)減速比，費時費力，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率；
2) 實現(xiàn)了密煉機(jī)的軟啟動功能。密煉機(jī)啟動負(fù)載重，長期運行易使減速箱高速桿斷裂，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。
3) 啟動平滑，輸出轉(zhuǎn)矩大，沖擊小，可實現(xiàn)重載啟動。
4) 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快。密煉機(jī)需要快速進(jìn)行高低轉(zhuǎn)矩的切換，匯川技術(shù)獨特的電流跟蹤技術(shù)可輕易的解決此項問題。
5) 有效的減少了密煉機(jī)系統(tǒng)故障對生產(chǎn)的影響，可通過故障時點動功能快速排料，繼續(xù)生產(chǎn)。
6) 節(jié)能。密煉機(jī)在投料和排料階段通過低速進(jìn)行，有效的降低能量消耗，節(jié)約能源成本。
五、結(jié)束語
匯川HD71系列高壓變頻器已經(jīng)在密煉機(jī)行業(yè)有幾十臺的應(yīng)用，標(biāo)志著蘇州匯川技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器對密煉機(jī)行業(yè)的特殊應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平，而先進(jìn)的磁鏈閉環(huán)控制算法更是國際首創(chuàng)，同時針對密煉機(jī)特殊的工藝需求，我們配置了點動排膠、單元旁路、閉環(huán)切開環(huán)等功能，大大提高了密煉機(jī)的生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備的維護(hù)量，降低了能耗。
六、現(xiàn)場應(yīng)用照片
圖6 整機(jī)照片
圖7 電流波形
