李晨

(蘇州匯川技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215104)

匯川技術(shù)HD71高壓變頻器在密煉機(jī)上的應(yīng)用

李晨

(蘇州匯川技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215104)

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(diǎn)，大大提高了密煉機(jī)系統(tǒng)的效率和膠料的質(zhì)量。

煉膠行業(yè)；密煉機(jī)；高壓變頻器；磁鏈閉環(huán)矢量算法

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)，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。

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(yùn)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(yùn)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(yùn)行周期一般在3～6 min，其中高過載運(yùn)行時間一般在2%左右，即3.6～7.2 s，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(yùn)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(diǎn)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(shí)的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。

1 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2 500 kW電機(jī)驅(qū)動的密煉機(jī)和一臺1 250 kW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2013年采購匯川高壓變頻器，并在2013年10月份投運(yùn)。

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)如表1。

表1 密煉機(jī)及配套電機(jī)參數(shù)

2 方案描述

2.1 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(qiáng)、低頻大轉(zhuǎn)矩、點(diǎn)動排膠、單元旁路、操作方便、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.1 一次系統(tǒng)方案圖

一次系統(tǒng)方案圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)圖

2.1.2 HD71控制原理及技術(shù)特點(diǎn)

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6 kV、10 kV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。無需任何功率因數(shù)補(bǔ)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，參見圖2。

圖2 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(yùn)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(yùn)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(shí)時校驗(yàn)。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 h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。

1.健全完善巡視工作制度體系。認(rèn)真梳理已經(jīng)建立的規(guī)章制度，學(xué)習(xí)借鑒上級出臺的制度規(guī)范，針對企業(yè)巡視工作的現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)需要，制定完善配套制度，形成與企業(yè)巡視工作發(fā)展相適應(yīng)的系統(tǒng)規(guī)范、配套完善的制度體系。研究制定巡視工作領(lǐng)導(dǎo)小組、辦公室和巡視組工作規(guī)范，巡視工作有關(guān)事項(xiàng)移交督辦辦法，巡視發(fā)現(xiàn)重大問題線索的處理辦法，巡視工作成果運(yùn)用協(xié)調(diào)機(jī)制等規(guī)章制度，使巡視工作的制度體系在巡視實(shí)踐中得到不斷豐富和完善。

公司的電力電子，自動控制和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域具有理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀科研隊(duì)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(yùn)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(dú)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(bǔ)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(qiáng)、調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)行。HD71的快速單元旁路技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)旁路方案更高的電壓輸出幅值，參見圖3。

（3）FVC-SVC無擾相互切換

此項(xiàng)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)。

（4） 大功率點(diǎn)動技術(shù)

在正常工作時，HD71驅(qū)動密煉機(jī)電機(jī)正常運(yùn)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(diǎn)動功能進(jìn)行點(diǎn)動排膠，減少了用戶因此造成的工時、工料的浪費(fèi)。

（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(yùn)行的高可靠性，生命周期長。

圖3 非對稱旁路技術(shù)示意圖

（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 h對工藝運(yùn)行過程中變頻調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)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。

3 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(shí)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(fèi)時費(fèi)力，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。

（2）實(shí)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(yùn)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(shí)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(dú)特的電流跟蹤技術(shù)可輕易的解決此項(xiàng)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(diǎn)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。

4 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(diǎn)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。

Application of inovance HD71 high voltage inverter for mixer

Application of inovance HD71 high voltage inverter for mixer

Li Chen
(Suzhou Inovance Technology Co., Ltd., Suzhou 215104，Jiangsu，China)

The paper introduces the application of inovance HD71 series high voltage inverter for mixer. After frequency conversion transformation, mixer system overcomes defects of traditional speed control scheme such as large starting current and torque response time and formula of single , etc. And greatly improve the effciency of the mixer system and the quality of the rubber.

rubber mixing industry, mixer, high voltage frequency converter; closed loop stator fux vector arithmetic

TQ330.493

：1009-797X(2015)11-0040-05

BDOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.11.007

（XS-02）

李晨，中級工程師，自動化專業(yè)學(xué)士，從事橡膠行業(yè)變頻改造方面的技術(shù)管理工作。

2014-10-17