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    一、概況

    橡膠制品在我們的日常生活和生產過程中應用非常廣泛，橡膠行業也是一個巨大的行業，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、物理機械性能好的橡膠制品。
密閉式煉膠機簡稱密煉機，主要用于橡膠的塑煉和混煉。密煉機是一種設有一對特定形狀并相對回轉的轉子、在可調溫度和壓力的密閉狀態下間隙性地對聚合物材料進行塑煉和混煉的機械，主要由密煉室、轉子、轉子密封裝置、加料壓料裝置、卸料裝置、傳動裝置及機座等部分組成。

    目前，國內大多數廠家采用了工頻恒速模式傳動，電機通過減速機直接拖動密煉機轉子運動：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，但在電機恒速拖動下造成了以下幾個問題：

    1. 啟動電流大

    密煉機工頻啟動時，電機瞬間電流高達正常運行6~10倍，容易對電網造成影響，造成電網被拖垮，同時電機啟動時沖擊力矩過大，容易造成電機損壞。

    2. 轉矩響應時間長

    密煉機運行周期一般在3-6min，其中高過載運行時間一般在2%左右，即3.6-7.2s，分兩至三次進行，每次轉矩響應要求在毫秒級時間內進行，長期工頻運行電流沖擊對電機損壞非常嚴重。

    3. 配方單一

    傳統密煉機采用減速箱作為傳動裝置，減速機減速比單一，所以密煉機只能進行制定配方的混煉，如果需要更換配方，則需要對減速機進行改裝，使之適應更改后配方的速度，這樣會使生產周期延長，降低生產效率，減少用戶效益。

    4. 故障后無應急處理措施

    密煉機負載變化大，響應時間短，所以對電機損害很大，當電機發生故障時，系統無法針對故障采取處理措施，導致膠料在密煉機容室內硬化，對機械和生產造成很大影響。
以上缺點都給企業造成了很多直接或間接的經濟損失，這與現在創建節能型社會是不相符合的，因此對密煉機進行變頻改造對節約社會能源、增加企業的經濟效益都具有非常現實的經濟意義和社會意義。

    二、現場情況

    山東某輪胎廠，一期工程包括4條全鋼輪胎生產線和4條半鋼生產線，每條生產線上配置有一臺2500KW電機驅動的密煉機和一臺1250KW電機驅動的密煉機，且每臺密煉機都配置高壓變頻器進行調速，該輪胎廠13年采購匯川高壓變頻器，并在13年10月份投運。

    此應用挑選了全鋼一臺GK400的密煉機作為描述對象，密煉機相關技術參數如下：

 

    3.1變頻系統介紹
根據密煉機對變頻器的特殊要求，蘇州匯川技術有限公司選配變頻器的型號為HD71-J100/2500-DB，該產品是蘇州匯川技術有限公司專門針對密煉機而開發的行業轉機，該變頻器采用先進的磁鏈閉環控制，具有啟動無沖擊、過載能力強、低頻大轉矩、點動排膠、單元旁路、操作方便、質量可靠等優點。

3.1.1一次系統方案圖

圖2 系統圖

    3.1.2 HD71控制原理及技術特點

    電網電壓經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，單元串聯星接后形成三相變頻電源給高壓電動機供電。根據串聯單元級數的不同，產品分為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，輸出為近乎完美的正弦波，無須加輸出濾器。電動機諧波損耗小，轉矩脈動小，無明顯電動機噪聲。電動機不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對電動機無附加電應力損害。

圖3產品原理圖

    功率單元采用三相交流輸入，整流濾波后形成直流電壓，經IGBT H橋逆變后輸出脈寬調制（PWM）電壓。功率單元控制板由IGBT驅動電路和監測保護電路、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運行，等到情況允許時再停機排除故障。

    匯川公司HD71采用功率單元級聯式技術路線，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。具有國際領先的技術！

    公司所有高壓產品均進行滿載72小時測試，除一些保護功能外，磁鏈閉環矢量控制技術、高頻技術、快速疊頻技術、Syn-transfer技術、非對稱旁路技術、雙路控制電源等功能，這些功能技術上處于國際領先水平。

    公司的電力電子，自動控制和計算機等領域具有理論水平和實踐經驗的優秀科研隊伍，長期致力于電力電子領域各類產品的開發研制，對于關系產品質量的生產工藝也作了大量的完善和改進，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境下能夠長期穩定運行；整流橋、功率器件和電解電容的安裝工藝使整個系統的離散性達到最小，保證質量和性能的高度一致性。為保障質量和效率，公司還研制了各類具有特色的和方便使用的工藝調試工裝，建全了相應的質量管理體系。  

    1) 磁鏈閉環矢量算法

    HD71系列高壓變頻器具備獨有的磁鏈閉環矢量控制技術，是高壓變頻器領域最好的控制算法，它通過定子坐標系進行磁通、轉矩、轉速閉環控制，采用勵磁電流與轉矩電流解耦控制，綜合了轉子閉環矢量控制技術和DTC系統之所長，彌補各自的主要不足，使得控制系統具有靜／動態性能好、魯棒性強、調速范圍大等優點，特別適用于要求低頻大轉矩、調速精度高的場合。

    2）快速單元旁路技術

    HD71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，在單元配備旁路功能（可選）的情況下，通過非對稱旁路技術可以使系統不停機運行。HD71的快速單元旁路技術可以實現比傳統旁路方案更高的電壓輸出幅值。

圖4非對稱旁路技術示意圖

    3) FVC-SVC無擾相互切換

    通過矢量算法在電機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。
此項技術對于密煉機控制精度和生產效率有很大的提升，有效解決了因編碼器故障造成的停產（編碼器故障時別家公司易造成停機，影響極大），目前其他公司無此技術。

圖5 FVC-SVC無擾切換示意圖

    4) 大功率點動技術

    在正常工作時，HD71驅動密煉機電機正常運動；當密煉機系統發生故障或發生堵膠現象時，變頻器可以通過點動功能進行點動排膠，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、高品質電容、主控制芯片ARM、DSP、FPGA等均選用高品質器件，保證了運行的高可靠性，生命周期長。

    6） 遠程監控方案

    在無線通訊模式中，通過3G技術的支持，數據中心可以24小時對工藝運行過程中變頻調速系統相關數據進行實時采集、監控。具有以下優勢：故障報警及時，安全系數高；減少了現場維護數據采集、監控的工作量：數據記錄準確：網絡無線監控，降低了客戶在OSI網絡架構物理層建設的投入。

    四、變頻改造優勢

    變頻調速作為近年來興起的一門新技術，它是通過改變電源頻率來實現速度的調節，因其具有調速平穩、瞬態穩定性高、節能等特性越來越被人們所重視。相比傳統調速方式，其優勢如下：

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，采用傳統方案，每一次更改配方都需要改變減速機減速比，費時費力，嚴重影響了生產效率；
2) 實現了密煉機的軟啟動功能。密煉機啟動負載重，長期運行易使減速箱高速桿斷裂，造成重大經濟損失。
3) 啟動平滑，輸出轉矩大，沖擊小，可實現重載啟動。
4) 轉矩響應快。密煉機需要快速進行高低轉矩的切換，匯川技術獨特的電流跟蹤技術可輕易的解決此項問題。
5) 有效的減少了密煉機系統故障對生產的影響，可通過故障時點動功能快速排料，繼續生產。
6) 節能。密煉機在投料和排料階段通過低速進行，有效的降低能量消耗，節約能源成本。

    五、結束語

     匯川HD71系列高壓變頻器已經在密煉機行業有幾十臺的應用，標志著蘇州匯川技術有限公司生產的高壓變頻器對密煉機行業的特殊應用已經達到了國內領先水平，而先進的磁鏈閉環控制算法更是國際首創，同時針對密煉機特殊的工藝需求，我們配置了點動排膠、單元旁路、閉環切開環等功能，大大提高了密煉機的生產效率，降低了設備的維護量，降低了能耗。

    六、現場應用照片

圖6 整機照片

圖7 電流波形