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    一、設備工況

    橡膠擠出機，是橡膠工業(yè)的一種基本設備，是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵設備之一，在輪胎和橡膠制品的生產(chǎn)過程中起著非常重要的作用。國外橡膠擠出機的發(fā)展經(jīng)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(chǎn)量近800臺，生產(chǎn)廠家有50家左右。國內(nèi)雖然有眾多橡膠螺桿擠出機制造企業(yè)。 但具備開發(fā)設計能力并在行業(yè)中頗有影響者僅有 4~5家。隨著冷喂料擠出機的出現(xiàn)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(fā)展，冷喂料銷釘式擠出機已成為發(fā)展主流。銷釘式擠出機已較多地在我國橡膠工業(yè)中應用，現(xiàn)代擠出機作為橡膠行業(yè)的重要設備將朝著多螺桿、多流道、多復合發(fā)展。

    此寬幅膠片擠出壓延生產(chǎn)線項目為新建項目，一般地，擠出機常規(guī)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(fā)熱嚴重及當?shù)卣咴颉Ｔ谖宜镜慕ㄗh下，客戶最終決定使用匯川提供的一整套高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。

圖1 擠出機現(xiàn)場圖

系統(tǒng)相關參數(shù)：
 

    根據(jù)電機額定功率，綜合考慮現(xiàn)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(jīng)實踐驗證，完全滿足現(xiàn)場使用要求。

    二、擠出機工藝介紹

    此次現(xiàn)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(xù)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(xiàn)象， 達到了膠料塑化好、膠溫低和節(jié)能的效果，簡化了生產(chǎn)工藝。
銷釘式擠出機工藝相對于傳統(tǒng)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(zhuǎn)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(wěn)速精度要高同時連續(xù)工作的可靠性要有保證。綜合以上擠出機的運行特點與現(xiàn)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(zhuǎn)矩要好，并有較高的過載能力。
2）調(diào)速性能要好。擠出機轉(zhuǎn)速要根據(jù)排膠速度，混煉時間等因素進行動態(tài)調(diào)速。這要求穩(wěn)速精度要高，變頻調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種工況下的調(diào)速要求。
3）特性曲線要硬。要保證負載變化時（如膠料雜質(zhì)變多，老化嚴重），擠出機轉(zhuǎn)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(guī)則等膠片品質(zhì)問題，影響客戶生產(chǎn)效率。
4）工作方式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。

    三、變頻驅(qū)動方案

    改造內(nèi)容：取消原有直流調(diào)速系統(tǒng)，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(xiàn)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(jiān)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(jiān)視實現(xiàn)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(huán)矢量控制，同時具備開閉環(huán)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(huán)矢量控制，保證生產(chǎn)的連續(xù)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(diào)速，驅(qū)動電機在0~50Hz范圍內(nèi)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(lián)鎖信號：

 

注：如果有特殊接口需求，可提前與我公司聯(lián)系，進行定制；

    四、匯川高壓變頻方案優(yōu)勢
1、先進的異步電機磁鏈閉環(huán)矢量控制算法
HD92系列高壓變頻器具備獨有的磁鏈閉環(huán)矢量控制技術，基于電機d-q軸數(shù)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(huán)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(xiàn)了對電機的磁鏈閉環(huán)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(tài)性能的基礎上，克服了轉(zhuǎn)子電阻、電感參數(shù)對調(diào)速系統(tǒng)性能的影響。對電機轉(zhuǎn)速控制精度高，加速時電流環(huán)響應快，低頻運行時轉(zhuǎn)矩響應可達750rad/s，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更高的節(jié)電效率。磁鏈閉環(huán)矢量控制算法解決了擠出機啟動轉(zhuǎn)矩大，加速大電流，穩(wěn)速精度高等高要求，保證了產(chǎn)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?nèi)蟛糠纸M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(cè)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(cè)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(wěn)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(lián)方式，當其中某個單元出現(xiàn)故障后，通過非對稱旁路技術可以使系統(tǒng)不停機運行。HD92的非對稱技術可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)旁路方案更高的電壓輸出幅值，電壓輸出能力相比傳統(tǒng)方式最高能提高20%，這使得整個系統(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)至指定頻率，此技術能有效減少瞬間停電對擠出機生產(chǎn)的影響以及對電網(wǎng)的沖擊，避免了膠料因意外停機凝固在螺桿中的情況。現(xiàn)場調(diào)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(huán)自動切換技術

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

圖8：無擾切換電流波形圖

五、現(xiàn)場應用圖片

圖9：變頻器現(xiàn)場應用圖

圖10：操作臺監(jiān)控界面

圖11：系統(tǒng)投運前聯(lián)調(diào)


圖12：運行時觸摸屏圖

圖13：現(xiàn)場高壓電機圖

    六、結束語

    近年來，中國橡膠工業(yè)發(fā)展較快，在橡膠工業(yè)快速發(fā)展的推動下，橡膠技術與裝備也得到了長足發(fā)展。橡膠擠出機作為橡膠生產(chǎn)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(fā)展?jié)摿Α４舜螀R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(nèi)高壓變頻行業(yè)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(chǎn)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(yè)的應用經(jīng)驗，對橡膠行業(yè)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(chǎn)的高壓變頻器為采用矢量控制技術的高性能變頻器，產(chǎn)品適用于冶金、電力、化工、市政等多個應用領域。