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    一、設備工況

    橡膠擠出機，是橡膠工業的一種基本設備，是影響產品質量的關鍵設備之一，在輪胎和橡膠制品的生產過程中起著非常重要的作用。國外橡膠擠出機的發展經歷了柱塞式擠出機、螺桿型熱喂料擠出機、普通冷喂料擠出機、主副螺紋冷喂料擠出機、冷喂料排氣擠出機、銷釘冷喂料擠出機、復合擠出機等階段。  

    我國橡膠擠出機的年產量近800臺，生產廠家有50家左右。國內雖然有眾多橡膠螺桿擠出機制造企業。 但具備開發設計能力并在行業中頗有影響者僅有 4~5家。隨著冷喂料擠出機的出現和廣泛應用，熱喂料擠出機的應用范圍正逐步縮小。橡膠擠出機由熱喂料向冷喂料發展，冷喂料銷釘式擠出機已成為發展主流。銷釘式擠出機已較多地在我國橡膠工業中應用，現代擠出機作為橡膠行業的重要設備將朝著多螺桿、多流道、多復合發展。

    此寬幅膠片擠出壓延生產線項目為新建項目，一般地，擠出機常規方案都是采用低壓直流電機，考慮到工廠低壓用電負荷過大，噪聲過大，電機發熱嚴重及當地政策原因。在我司的建議下，客戶最終決定使用匯川提供的一整套高壓變頻調速系統。

圖1 擠出機現場圖

系統相關參數：
 

    根據電機額定功率，綜合考慮現場工藝等多方面因素，匯川選用型號為HD92-J100/630-DB的高壓變頻器，經實踐驗證，完全滿足現場使用要求。

    二、擠出機工藝介紹

    此次現場擠出機為銷釘式冷喂料擠出機。銷釘技術的研究開始于上世紀90年代初。 通過將銷釘從機筒圓周方向徑向插入螺桿螺紋槽中，將流動的膠料進行剪切和攪拌。當膠料變成熔體以后，膠體以低剪切速率在螺桿螺紋中流動， 逐漸形成連續的粘流體， 這樣便打破了膠體分子間化學鍵，破壞了膠料在擠出過程中的層流和結塊現象， 達到了膠料塑化好、膠溫低和節能的效果，簡化了生產工藝。
銷釘式擠出機工藝相對于傳統工藝，切好后的生膠無須加熱，直接加入到擠出機里，在擠出機出口端加設雙輥筒機頭，塑煉好的膠料直接壓成膠片，然后進行冷卻堆放。其控制框圖如下：

圖2 控制框圖

    銷釘式冷喂料擠出機在螺桿結構上較為特殊，在機筒上增加了銷釘，主電機啟動時間段阻力矩較大，這對高壓變頻器的低頻轉矩要求較高。為了保證膠料的塑化性能與致密性，這要求變頻器穩速精度要高同時連續工作的可靠性要有保證。綜合以上擠出機的運行特點與現場工況，擠出機工藝對高壓變頻器的要求如下：
1）起動力矩要大。擠出機的工作特性決定了電機必須能夠重載啟動，變頻器的低頻輸出轉矩要好，并有較高的過載能力。
2）調速性能要好。擠出機轉速要根據排膠速度，混煉時間等因素進行動態調速。這要求穩速精度要高，變頻調速方便，調速范圍大，能滿足各種工況下的調速要求。
3）特性曲線要硬。要保證負載變化時（如膠料雜質變多，老化嚴重），擠出機轉速基本上不受影響，防止負載大小不同時速降過大，導致可塑度不均，排膠不規則等膠片品質問題，影響客戶生產效率。
4）工作方式轉換容易。要能夠方便的進行自動、半自動、手動等工作方式的轉換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉換影響正常生產。

    三、變頻驅動方案

    改造內容：取消原有直流調速系統，重新采購高壓變頻電機與我司高壓變頻器。其中變頻器的控制與反饋信號通過硬線與現場操作總臺連接，由操作臺控制變頻器的啟停。操作臺顯示屏為三菱一體式觸摸屏，控制核心為兩臺三菱可編程控制器，其中一臺主控，負責擠出機的主程序，第二臺為監控，負責信號打點、報警和后備保護。兩臺PLC有主有從，互有分工，相互監視實現了安全回路的雙線制。高壓變頻器型號為我司HD92-J100/630-DB，控制方式采用磁鏈閉環矢量控制，同時具備開閉環自動切換功能，當電機編碼器掉線，變頻器可以自動切換到開環矢量控制，保證生產的連續性。

    操作臺PLC與變頻器之間采用硬線連接方式，通過4~20mA模擬量信號調速，驅動電機在0~50Hz范圍內運行。具體接口信息如下圖所示：

圖3 端口通信圖

    變頻器采用兩線式控制模式，通過DI9、DI10兩個端口分別控制變頻器啟動、停止，頻率給定采用4~20mA模擬量信號，對應變頻器輸出頻率0~50Hz； 
與高壓開關柜聯鎖信號：

 

注：如果有特殊接口需求，可提前與我公司聯系，進行定制；

    四、匯川高壓變頻方案優勢
1、先進的異步電機磁鏈閉環矢量控制算法
HD92系列高壓變頻器具備獨有的磁鏈閉環矢量控制技術，基于電機d-q軸數學方程式解析，通過對電機的磁鏈、電流進行解藕，完成對磁鏈、電流閉環控制。從矢量控制最基層的角度全面掌握電機運行曲線，實現了對電機的磁鏈閉環矢量控制。控制算法框圖如下：

圖4：矢量控制算法框圖

    這種矢量控制算法在保持較高動態性能的基礎上，克服了轉子電阻、電感參數對調速系統性能的影響。對電機轉速控制精度高，加速時電流環響應快，低頻運行時轉矩響應可達750rad/s，并且能夠實現更高的節電效率。磁鏈閉環矢量控制算法解決了擠出機啟動轉矩大，加速大電流，穩速精度高等高要求，保證了產線可靠運行。

    2、可靠的非對稱機械旁路技術  

    匯川HD92高壓變頻器功率單元采用兩電平拓撲結構，輸出采用機械旁路設計，整個功率單元由全橋整流、直流濾波、逆變三大部分組成，功率單元拓撲結構如下：

全橋整流 直流濾波 逆 變 輸 出（具備機械旁路功能）
圖5：功率單元拓撲圖

    功率單元整體拓撲結構為交一直一交三相整流/單相逆變輸出結構.整流側為二極管三相全橋整流，將輸入的三相交流整成直流，并通過電容器濾波。逆變側為IGBT模塊H橋單相逆變，通過對逆變橋進行SPWM控制，得到正弦的單相交流輸出。其中每個單元均配備了機械旁路功能，同時采用非對稱旁路技術，可靠性與穩定性大大提升。

圖6：非對稱旁路技術示意圖

    如上圖所示，HD92系列高壓變頻器采用單元級聯方式，當其中某個單元出現故障后，通過非對稱旁路技術可以使系統不停機運行。HD92的非對稱技術可以實現比傳統旁路方案更高的電壓輸出幅值，電壓輸出能力相比傳統方式最高能提高20%，這使得整個系統的可靠性大大提高。

    3、柔和快速的飛車啟動功能

   HD92系列高壓變頻器具備飛車啟動功能，能夠在未知電機旋轉速度的狀況下啟動變頻器，變頻器自動進行頻率搜索，直至搜索到與電機實時旋轉頻率相符的頻率，此時變頻器輸出相應頻率，并控制電機旋轉至指定頻率，此技術能有效減少瞬間停電對擠出機生產的影響以及對電網的沖擊，避免了膠料因意外停機凝固在螺桿中的情況。現場調測時的波形圖如下。

圖7：飛車啟動波形圖

    3、智能貼心的開閉環自動切換技術

    為提高系統的可靠性，HD92具備閉環控制與開環控制的無擾切換，即在編碼器出現故障的情況下不停機。HD92變頻器將在0.05秒內無擾的切換至開環運行，不會影響現場的生產。開閉環無擾切換波形如下圖：

圖8：無擾切換電流波形圖

五、現場應用圖片

圖9：變頻器現場應用圖

圖10：操作臺監控界面

圖11：系統投運前聯調


圖12：運行時觸摸屏圖

圖13：現場高壓電機圖

    六、結束語

    近年來，中國橡膠工業發展較快，在橡膠工業快速發展的推動下，橡膠技術與裝備也得到了長足發展。橡膠擠出機作為橡膠生產中的主要加工設備，與其他橡膠加工設備相比，由于其應用領域廣泛、用途不斷擴展，顯示出了巨大的發展潛力。此次匯川技術HD92系列高壓變頻器成功應用在擠出機設備主電機上，也是匯川技術在不斷開拓新工藝點，推廣市場工藝型變頻設備征途的一個縮影。與此同時，作為國內高壓變頻行業在擠出機應用上第一個吃螃蟹的廠家，這次成功應用也證明了匯川HD92產品的高性能與高可靠性。

    匯川技術有限公司依托多年的自動化行業的應用經驗，對橡膠行業的變頻改造具有獨到的方案解決能力。匯川技術有限公司生產的高壓變頻器為采用矢量控制技術的高性能變頻器，產品適用于冶金、電力、化工、市政等多個應用領域。