一、概況

橡膠制品在我們的日常生活和生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用非常廣泛，橡膠行業(yè)也是一個(gè)巨大的行業(yè)，中國(guó)每年都會(huì)有消耗幾十萬(wàn)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(guò)程包括塑煉、混煉、壓延、壓出、成型、硫化6個(gè)基本工序。

橡膠的加工工藝過(guò)程主要是解決塑性和彈性矛盾的過(guò)程，通過(guò)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(guò)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(jiǎn)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(duì)特定形狀并相對(duì)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(duì)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(dòng)裝置及機(jī)座等部分組成。

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家采用了工頻恒速模式傳動(dòng)，電機(jī)通過(guò)減速機(jī)直接拖動(dòng)密煉機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)：整個(gè)過(guò)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(gè)不同的工藝階段，但在電機(jī)恒速拖動(dòng)下造成了以下幾個(gè)問(wèn)題：

1. 啟動(dòng)電流大

密煉機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)瞬間電流高達(dá)正常運(yùn)行6~10倍，容易對(duì)電網(wǎng)造成影響，造成電網(wǎng)被拖垮，同時(shí)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)沖擊力矩過(guò)大，容易造成電機(jī)損壞。

2. 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)

密煉機(jī)運(yùn)行周期一般在3-6min，其中高過(guò)載運(yùn)行時(shí)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(jí)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，長(zhǎng)期工頻運(yùn)行電流沖擊對(duì)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(dòng)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(duì)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(huì)使生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，降低生產(chǎn)效率，減少用戶效益。

4. 故障后無(wú)應(yīng)急處理措施

密煉機(jī)負(fù)載變化大，響應(yīng)時(shí)間短，所以對(duì)電機(jī)損害很大，當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法針對(duì)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(duì)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(huì)是不相符合的，因此對(duì)密煉機(jī)進(jìn)行變頻改造對(duì)節(jié)約社會(huì)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(huì)意義。

二、現(xiàn)場(chǎng)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(tái)2500KW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的密煉機(jī)和一臺(tái)1250KW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的密煉機(jī)，且每臺(tái)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(gòu)匯川高壓變頻器，并在13年10月份投運(yùn)。

此應(yīng)用挑選了全鋼一臺(tái)GK400的密煉機(jī)作為描述對(duì)象，密煉機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

密煉機(jī)

密煉機(jī)型號(hào)總?cè)莘e（L）填充系數(shù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(r/min)轉(zhuǎn)子類型

GK4004120.756-60N

配套電機(jī)

功率(KW)電壓(KV)電流(A)額定轉(zhuǎn)速(r/min)功率因素

250010179.19910.85

三、方案描述

3.1變頻系統(tǒng)介紹

根據(jù)密煉機(jī)對(duì)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(hào)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(duì)密煉機(jī)而開(kāi)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(dòng)無(wú)沖擊、過(guò)載能力強(qiáng)、低頻大轉(zhuǎn)矩、點(diǎn)動(dòng)排膠、單元旁路、操作方便、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)。

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(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(gè)功率單元為一個(gè)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(dòng)機(jī)供電。根據(jù)串聯(lián)單元級(jí)數(shù)的不同，產(chǎn)品分為6kV、10kV兩個(gè)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(duì)電壓和電流最嚴(yán)格的諧波失真要求。無(wú)需任何功因補(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(wú)須加輸出濾器。電動(dòng)機(jī)諧波損耗小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，無(wú)明顯電動(dòng)機(jī)噪聲。電動(dòng)機(jī)不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對(duì)電動(dòng)機(jī)無(wú)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(dòng)電路和監(jiān)測(cè)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(shí)，變頻器可將故障單元自動(dòng)旁路并繼續(xù)運(yùn)行，等到情況允許時(shí)再停機(jī)排除故障。

匯川公司HD71采用功率單元級(jí)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(jí)完成，因此控制波形和逆變波形可以實(shí)時(shí)校驗(yàn)。具有國(guó)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(shí)測(cè)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)、工變頻無(wú)擾切換技術(shù)、非對(duì)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(guó)際領(lǐng)先水平。

公司的電力電子，自動(dòng)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(zhǎng)期致力于電力電子領(lǐng)域各類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制，對(duì)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(kāi)關(guān)過(guò)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(zhǎng)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(gè)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(guò)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(lì)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(zhǎng)，彌補(bǔ)各自的主要不足，使得控制系統(tǒng)具有靜／動(dòng)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(chǎng)合。

2）快速單元旁路技術(shù)

HD71系列高壓變頻器采用單元級(jí)聯(lián)方式，當(dāng)其中某個(gè)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(guò)非對(duì)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。

                              圖4非對(duì)稱旁路技術(shù)示意圖

3) FVC-SVC無(wú)擾相互切換

通過(guò)矢量算法在電機(jī)編碼器故障時(shí)自動(dòng)切換至無(wú)編碼器控制模式，減少由于編碼器故障造成的影響。

此項(xiàng)技術(shù)對(duì)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(shí)別家公司易造成停機(jī)，影響極大），目前其他公司無(wú)此技術(shù)。

                       圖5  FVC-SVC無(wú)擾切換示意圖

4) 大功率點(diǎn)動(dòng)技術(shù)

在正常工作時(shí)，HD71驅(qū)動(dòng)密煉機(jī)電機(jī)正常運(yùn)動(dòng)；當(dāng)密煉機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障或發(fā)生堵膠現(xiàn)象時(shí)，變頻器可以通過(guò)點(diǎn)動(dòng)功能進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)排膠，減少了用戶因此造成的工時(shí)、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(zhǎng)。

6） 遠(yuǎn)程監(jiān)控方案

在無(wú)線通訊模式中，通過(guò)3G技術(shù)的支持，數(shù)據(jù)中心可以24小時(shí)對(duì)工藝運(yùn)行過(guò)程中變頻調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控。具有以下優(yōu)勢(shì)：故障報(bào)警及時(shí)，安全系數(shù)高；減少了現(xiàn)場(chǎng)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(wú)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(shì)

變頻調(diào)速作為近年來(lái)興起的一門新技術(shù)，它是通過(guò)改變電源頻率來(lái)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(lái)越被人們所重視。相比傳統(tǒng)調(diào)速方式，其優(yōu)勢(shì)如下：

1) 簡(jiǎn)化了配方更換的過(guò)程。不同的膠料在煉制過(guò)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(shí)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(dòng)功能。密煉機(jī)啟動(dòng)負(fù)載重，長(zhǎng)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(dòng)平滑，輸出轉(zhuǎn)矩大，沖擊小，可實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)。

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(wèn)題。

5) 有效的減少了密煉機(jī)系統(tǒng)故障對(duì)生產(chǎn)的影響，可通過(guò)故障時(shí)點(diǎn)動(dòng)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(guò)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(yǔ)

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(tái)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(duì)密煉機(jī)行業(yè)的特殊應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，而先進(jìn)的磁鏈閉環(huán)控制算法更是國(guó)際首創(chuàng)，同時(shí)針對(duì)密煉機(jī)特殊的工藝需求，我們配置了點(diǎn)動(dòng)排膠、單元旁路、閉環(huán)切開(kāi)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(chǎng)應(yīng)用照片

                              圖6 整機(jī)照片

                                 圖7 電流波形