一、設(shè)備工況

橡膠擠出機(jī)，是橡膠工業(yè)的一種基本設(shè)備，是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)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(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了柱塞式擠出機(jī)、螺桿型熱喂料擠出機(jī)、普通冷喂料擠出機(jī)、主副螺紋冷喂料擠出機(jī)、冷喂料排氣擠出機(jī)、銷釘冷喂料擠出機(jī)、復(fù)合擠出機(jī)等階段。

我國橡膠擠出機(jī)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(jī)制造企業(yè)。 但具備開發(fā)設(shè)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(jī)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，熱喂料擠出機(jī)的應(yīng)用范圍正逐步縮小。橡膠擠出機(jī)由熱喂料向冷喂料發(fā)展，冷喂料銷釘式擠出機(jī)已成為發(fā)展主流。銷釘式擠出機(jī)已較多地在我國橡膠工業(yè)中應(yīng)用，現(xiàn)代擠出機(jī)作為橡膠行業(yè)的重要設(shè)備將朝著多螺桿、多流道、多復(fù)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(jī)常規(guī)方案都是采用低壓直流電機(jī)，考慮到工廠低壓用電負(fù)荷過大，噪聲過大，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重及當(dāng)?shù)卣咴?。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(diào)速系統(tǒng)。

圖1 擠出機(jī)現(xiàn)場圖

系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)：

根據(jù)電機(jī)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(jī)工藝介紹

此次現(xiàn)場擠出機(jī)為銷釘式冷喂料擠出機(jī)。銷釘技術(shù)的研究開始于上世紀(jì)90年代初。 通過將銷釘從機(jī)筒圓周方向徑向插入螺桿螺紋槽中，將流動的膠料進(jìn)行剪切和攪拌。當(dāng)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(xué)鍵，破壞了膠料在擠出過程中的層流和結(jié)塊現(xiàn)象， 達(dá)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。

圖2 控制框圖

銷釘式擠出機(jī)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(jī)里，在擠出機(jī)出口端加設(shè)雙輥筒機(jī)頭，塑煉好的膠料直接壓成膠片，然后進(jìn)行冷卻堆放。其控制框圖如下：

銷釘式冷喂料擠出機(jī)在螺桿結(jié)構(gòu)上較為特殊，在機(jī)筒上增加了銷釘，主電機(jī)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(jī)的運行特點與現(xiàn)場工況，擠出機(jī)工藝對高壓變頻器的要求如下：

1）起動力矩要大。擠出機(jī)的工作特性決定了電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速要根據(jù)排膠速度，混煉時間等因素進(jìn)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(fù)載變化時（如膠料雜質(zhì)變多，老化嚴(yán)重），擠出機(jī)轉(zhuǎn)速基本上不受影響，防止負(fù)載大小不同時速降過大，導(dǎo)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(jìn)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(jī)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(fù)責(zé)擠出機(jī)的主程序，第二臺為監(jiān)控，負(fù)責(zé)信號打點、報警和后備保護(hù)。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(dāng)電機(jī)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(jī)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(yīng)變頻器輸出頻率0~50Hz；

與高壓開關(guān)柜聯(lián)鎖信號：

1）合閘允許：常開接點，閉合有效，此信號串聯(lián)在供電高壓開關(guān)柜的合閘回路中，當(dāng)變頻器自檢完成或系統(tǒng)處于工頻狀態(tài)時，信號閉合，允許用戶合高壓電；

2）高壓跳閘：常閉接點，斷開有效，此信號并聯(lián)在供電高壓開關(guān)柜的分閘回路上，當(dāng)變頻器發(fā)生重大故障或急停信號有效時，分?jǐn)嘤脩舾邏弘姡?/span>

變頻器DO信號：

以上輸出信號全部為獨立無源干接點，默認(rèn)為常開接點，閉合有效，容量大小為250V AC 5A。

變頻器DI信號：

以上輸入信號僅需客戶提供獨立無源干接點，脈沖信號，除急停外，其它信號均默認(rèn)為常開接點，閉合有效；

變頻器AI信號：

變頻器AO信號：

注：如果有特殊接口需求，可提前與我公司聯(lián)系，進(jìn)行定制；

四、匯川高壓變頻方案優(yōu)勢

1、先進(jìn)的異步電機(jī)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(shù)，基于電機(jī)d-q軸數(shù)學(xué)方程式解析，通過對電機(jī)的磁鏈、電流進(jìn)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(jī)運行曲線，實現(xiàn)了對電機(jī)的磁鏈閉環(huán)矢量控制?？刂扑惴驁D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(chǔ)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(jī)轉(zhuǎn)速控制精度高，加速時電流環(huán)響應(yīng)快，低頻運行時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)可達(dá)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(jī)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(jī)械旁路技術(shù)

匯川HD92高壓變頻器功率單元采用兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出采用機(jī)械旁路設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

 全橋整流 直流濾波  逆變 輸出（具備機(jī)械旁路功能）
圖5：功率單元拓?fù)鋱D

功率單元整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為交一直一交三相整流/單相逆變輸出結(jié)構(gòu).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(jìn)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(jī)械旁路功能，同時采用非對稱旁路技術(shù)，可靠性與穩(wěn)定性大大提升。

圖6：非對稱旁路技術(shù)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(dāng)其中某個單元出現(xiàn)故障后，通過非對稱旁路技術(shù)可以使系統(tǒng)不停機(jī)運行。HD92的非對稱技術(shù)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(jī)旋轉(zhuǎn)速度的狀況下啟動變頻器，變頻器自動進(jìn)行頻率搜索，直至搜索到與電機(jī)實時旋轉(zhuǎn)頻率相符的頻率，此時變頻器輸出相應(yīng)頻率，并控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)至指定頻率，此技術(shù)能有效減少瞬間停電對擠出機(jī)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(jī)凝固在螺桿中的情況?，F(xiàn)場調(diào)測時的波形圖如下。

圖7：飛車啟動波形圖

4、智能貼心的開閉環(huán)自動切換技術(shù)

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(jī)。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(yīng)用圖片

圖9：變頻器現(xiàn)場應(yīng)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(jī)圖

六、結(jié)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(shù)與裝備也得到了長足發(fā)展。橡膠擠出機(jī)作為橡膠生產(chǎn)中的主要加工設(shè)備，與其他橡膠加工設(shè)備相比，由于其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、用途不斷擴(kuò)展，顯示出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。此次匯川技術(shù)HD92系列高壓變頻器成功應(yīng)用在擠出機(jī)設(shè)備主電機(jī)上，也是匯川技術(shù)在不斷開拓新工藝點，推廣市場工藝型變頻設(shè)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(jī)應(yīng)用上第一個吃螃蟹的廠家，這次成功應(yīng)用也證明了匯川HD92產(chǎn)品的高性能與高可靠性。

匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動化行業(yè)的應(yīng)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(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器為采用矢量控制技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域。