利德華福高壓變頻器在密煉機(jī)上的應(yīng)用

　　1工藝描述
　　
　　1.1概述
　　
　　密煉機(jī)，是橡膠生產(chǎn)線或塑料生產(chǎn)線的起始工序。它的作用是通過剪切，擠壓，攪拌作用，將生料粉碎，塑化，并將配合劑均勻分散到橡膠產(chǎn)品內(nèi)部。其主要原料有：
　　
　　生橡膠
　　
　　填充劑（炭黑和其它）
　　
　　硫化劑和催化劑
　　
　　塑化劑
　　
　　特殊材料
　　
　　密煉機(jī)混煉工藝一般分為兩種工藝：分批混煉工藝和連續(xù)混煉工藝。對(duì)于不同的混煉工藝，起密煉機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和負(fù)載類型都是不同的。
　　
　　分批混煉又分為一段混煉法和二段混煉法工藝。一段混煉為在原料經(jīng)過一個(gè)混煉周期后，直接進(jìn)入擠出機(jī)產(chǎn)生成品。而二段混煉法為，在原料進(jìn)過一個(gè)混煉周期后，還要進(jìn)入第二段混煉機(jī)，進(jìn)行第二段混煉，才能zui終進(jìn)入擠出機(jī)產(chǎn)生成品。
　　
　　對(duì)于連續(xù)混煉，則為進(jìn)料側(cè)連續(xù)進(jìn)料，出料口連續(xù)出料，連續(xù)生產(chǎn)。
　　　　無論那種工藝，起內(nèi)部混煉過程可分為：細(xì)分(break),混入(internal mix,blend),分散(Dispersive mixing),簡單結(jié)合，塑化階段。
　　　　經(jīng)過密煉機(jī)的橡膠產(chǎn)品，再通過冷卻器，擠出機(jī)，成為成品。再將成品作為輪胎，塑料等的原料。
　　
　　塑料密煉機(jī)和橡膠密煉機(jī)結(jié)構(gòu)相同，工藝過程一致。
　　
　　1.2密煉機(jī)類型
　　
　　國內(nèi)常見的密煉機(jī)為分批密煉機(jī)，分批密煉機(jī)又成為banbury密煉機(jī)，其結(jié)構(gòu)如下圖：
　　
　　主要分為三部分：加料部分，混煉部分和卸料部分。
　　
　　加料部分
　　
　　加料部分主要由加料漏斗和壓料缸組成。橡膠生料由漏斗加入，關(guān)閉翻板門，由氣缸產(chǎn)生壓力將生料和混合劑壓入密煉室，并在密煉過程中給物料提供持續(xù)的壓力來加速煉膠過程。
　　
　　壓料缸所提供的壓力可以變化，壓力的大小關(guān)系負(fù)載的變化，當(dāng)負(fù)載過大時(shí)，可以通過調(diào)制壓料缸的壓力來減小負(fù)載。
　　
　　混煉部分
　　
　　混煉部分由轉(zhuǎn)子，密煉室和密封裝置組成。物料加入混煉室后，就在由兩個(gè)具有螺旋棱的，有速比的，相對(duì)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與混煉室壁、上、下頂栓組成的混煉系統(tǒng)內(nèi)受到不斷的變化的反復(fù)進(jìn)行的強(qiáng)烈剪切和擠壓作用，使膠料產(chǎn)生剪切變形，進(jìn)行了強(qiáng)烈的捏煉。由于轉(zhuǎn)子有螺旋棱，在混煉時(shí)膠料反復(fù)地進(jìn)行軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，起到了攪拌作用，致使混煉更為強(qiáng)烈。
　　
　　卸料部分
　　
　　當(dāng)一個(gè)混煉周期結(jié)束后，卸料門鎖鎖緊裝置被打開，混煉后橡膠通過卸料口被卸到容器或者皮帶上，進(jìn)入第二道混煉工序或者進(jìn)入擠出機(jī)。在卸料后，當(dāng)密煉機(jī)溫度達(dá)到其初始溫度，下一批生料即被加入到密煉機(jī)內(nèi)進(jìn)行密煉。所以，分批密煉得以連續(xù)進(jìn)行。只有在加料和卸料時(shí)，密煉被中斷，所以稱為分批密煉。
　　
　　2密煉機(jī)負(fù)載特性
　　
　　2.1機(jī)械功率
　　
　　密煉機(jī)機(jī)械功率和兩個(gè)要素有關(guān)，一個(gè)是密煉機(jī)容積，一個(gè)是密煉機(jī)轉(zhuǎn)速。容積越大，轉(zhuǎn)速越高，密煉機(jī)機(jī)械功率越高。
　　
　　密煉機(jī)容積范圍為25-650L,轉(zhuǎn)速為15~70rpm，甚至達(dá)到90rpm。
　　
　　轉(zhuǎn)速低于20rpm的密煉機(jī)稱為低速密煉機(jī)，轉(zhuǎn)速30-40rpm的稱為中速密煉機(jī)，轉(zhuǎn)速大于60rpm以上稱為高速密煉機(jī)。
　　
　　密煉機(jī)功率范圍在50kW-4000kW之內(nèi)，國內(nèi)目前比較常見的功率為1250kW和2500kW。
　　
　　2.2轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性
　　
　　密煉機(jī)負(fù)載類型為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，典型的Banbury密煉機(jī)負(fù)載特性如下圖所示：
　　　　200%額定轉(zhuǎn)矩持續(xù)5.4s
　　
　　160%額定轉(zhuǎn)矩持續(xù)21.6s
　　
　　130%額定轉(zhuǎn)矩持續(xù)81s
　　
　　80%額定轉(zhuǎn)矩持續(xù)81s
　　
　　35%額定轉(zhuǎn)矩持續(xù)81s
　　
　　在整個(gè)負(fù)載周期內(nèi)，其均方根等于，意味著電機(jī)在整個(gè)工作周期內(nèi)，電機(jī)連續(xù)工作不會(huì)發(fā)熱。但是其短時(shí)過載200%，在選擇電機(jī)和傳動(dòng)時(shí)需要注意。
　　
　　另外，過載時(shí)的轉(zhuǎn)矩和壓料缸的壓力有關(guān)系，壓力越大，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩也越大。通常，壓料缸壓力會(huì)根據(jù)負(fù)載的大小被調(diào)節(jié)，以保持在密煉過程中，密煉機(jī)不會(huì)過載。
　　
　　密煉機(jī)的負(fù)載特點(diǎn)為高過載，工作周期內(nèi)頻繁過載。
　　
　　3密煉機(jī)傳動(dòng)需求
　　
　　3.1密煉機(jī)機(jī)械傳動(dòng)類型
　　
　　密煉機(jī)傳動(dòng)根據(jù)容量和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)不同，可分為單驅(qū)和雙驅(qū)。
　　
　　單驅(qū)是指一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)密煉機(jī)，這種應(yīng)用一般在密煉機(jī)功率小于2500kW以下。
　　
　　雙驅(qū)是指兩臺(tái)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)一臺(tái)密煉機(jī)，雙驅(qū)一般應(yīng)用于密煉機(jī)功率大于2500kW以上。
　　
　　3.2密煉機(jī)傳動(dòng)趨勢
　　
　　傳統(tǒng)密煉機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，一般采用直流調(diào)速系統(tǒng)，但隨著交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)在的趨勢是采用交流調(diào)速系統(tǒng)，尤其是高壓變頻系統(tǒng)。
　　
　　3.2.1直流傳動(dòng)系統(tǒng)和施耐德高壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)
　　
　　傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)系統(tǒng)，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
　　
　　1.體積大，成本低。
　　
　　2.功率因數(shù)低（0.5~0.7），需要無功補(bǔ)償裝置。
　　
　　3.諧波含量大，THDI可達(dá)30%，需諧波治理裝置。
　　
　　4.控制簡單，速度精度高。
　　
　　5.受電網(wǎng)和電機(jī)條件和參數(shù)影響，魯棒性不強(qiáng)。
　　
　　施耐德高壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)：
　　
　　1.體積小，成本略高。
　　
　　2.功率因數(shù)高（0.95以上），無需無功補(bǔ)償裝置。
　　
　　3.諧波含量小，THDI<2%,無需諧波治理裝置。
　　
　　4.控制復(fù)雜，采用矢量控制算法控制精度可媲美直流電機(jī)。
　　
　　5.魯棒性強(qiáng)。
　　
　　直流傳動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和控制精度方面，有著自身的優(yōu)勢。但是，其另外幾個(gè)缺點(diǎn)卻導(dǎo)致其被交流系統(tǒng)取代。
　　
　　功率因數(shù)低，直流傳動(dòng)由于其是直接控制直流電流輸出，所以其在負(fù)載和速度變化時(shí)，無法保證其功率因數(shù)，導(dǎo)致其功率因數(shù)很低。對(duì)于大容量的直流傳動(dòng)系統(tǒng)，就需要在網(wǎng)側(cè)增加無功補(bǔ)償裝置，這對(duì)于客戶來說，也是很大的投入。而且由于直流系統(tǒng)的功率因數(shù)不固定，所以無功補(bǔ)償裝置需要采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，其價(jià)格很高。
　　
　　諧波含量大，由于直流傳動(dòng)為晶閘管器件，采用移相控制，開關(guān)頻率不高，其諧波含量非常大，普通直流傳動(dòng)的電流諧波為30%左右，為電網(wǎng)的zui大諧波污染源。需采用諧波治理裝置，這對(duì)于客戶來說，也是額外的投入。
　　
　　需要大的整流變壓器。由于直流傳動(dòng)的輸入電壓都是低壓輸入，所以輸入側(cè)需要一個(gè)高壓-低壓的變壓器。并且由于直流傳動(dòng)特點(diǎn)，變壓器需要特殊整流變壓器，大容量的低壓整流變壓器對(duì)于客戶來說，意味著更多的投入，更大的變壓器面積，以及更多的電纜投資。
　　
　　3.3密煉機(jī)應(yīng)用要求
　　
　　3.3.1密煉機(jī)現(xiàn)場要求
　　
　　密煉機(jī)現(xiàn)場由于其工藝特點(diǎn)，需要連續(xù)添加添加劑，硫化劑，炭黑等原料，以及需要持續(xù)冷卻，所以其現(xiàn)場體現(xiàn)出高溫度，高濕度，高煙氣含量等特點(diǎn)。尤其是添加炭黑的過程，炭黑顆粒可溶于煙氣，隨著煙氣進(jìn)入電機(jī)定子繞組和氣隙，會(huì)降低電機(jī)絕緣等級(jí)，使壽命減少，甚至引起放電和短路等故障。
　　
　　3.3.2密煉機(jī)電機(jī)要求
　　
　　密煉機(jī)電機(jī)一般采用4極或6極異步電動(dòng)機(jī)，因其過載能力較高（200%），要求密煉機(jī)電機(jī)過載能力較高。
　　
　　密煉機(jī)現(xiàn)場高溫度，高濕度，高蒸汽，高炭黑含量，需要高的防護(hù)等級(jí)和冷卻方式，防護(hù)等級(jí)IP54和冷卻方式IC31/37是一般的要求。
　　
　　3.3.3密煉機(jī)傳動(dòng)控制要求
　　
　　密煉機(jī)要求比較高的精度，并且要求比較高的過載能力，較短的加減速時(shí)間。
　　
　　由于密煉機(jī)在故障停機(jī)時(shí)會(huì)使整個(gè)批次料作廢，所以在矢量控制下，當(dāng)編碼器出現(xiàn)故障時(shí)要求控制能夠平滑切換至無編碼器矢量模式，保證不停機(jī)。另外，要求損壞模塊自動(dòng)旁路功能，當(dāng)IGBT故障時(shí)，能自動(dòng)旁路故障模塊，保證不停機(jī)。
　　
　　密煉機(jī)雙驅(qū)配置下，需要傳動(dòng)主從控制，保證兩臺(tái)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相同，齒輪箱無沖擊。在此過程中，主從之間的轉(zhuǎn)矩精度有一定要求。主從實(shí)際轉(zhuǎn)矩誤差太大會(huì)造成減速箱振動(dòng)，減少壽命。
　　
　　4技術(shù)方案
　　
　　4.1單驅(qū)方案
　　　　4.2雙驅(qū)方案
　　　　
　　4.3方案特點(diǎn)
　　
　　1)激磁涌流柜，保證變壓器合閘電流小于1In，對(duì)電網(wǎng)無沖擊。
　　
　　2)采用無速度傳感器矢量控制啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小，電流無沖擊。
　　
　　3)變頻功率元件采用品牌西門康高壓IGBT，性能穩(wěn)定，可靠性高。
　　
　　4)變頻軟起系統(tǒng)10kV直接輸出，不采用升壓方式，方便電纜連接。
　　
　　5)低頻啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，有效克服靜阻力矩。
　　
　　6)較寬的電網(wǎng)電壓波動(dòng)適應(yīng)能力，65%~115%Un范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。
　　
　　7)低壓穿越功能，3s掉電不停機(jī)。
　　
　　8)網(wǎng)側(cè)電壓變化自動(dòng)識(shí)別，母線電源切換或電壓閃變自動(dòng)重啟。
　　
　　9)多種電機(jī)參數(shù)儲(chǔ)存功能，方便實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)電機(jī)軟起，易于擴(kuò)展。
　　
　　10)54脈整流，輸入諧波<2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GB/T14549《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》
　　
　　11)及“IEEE519”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波指標(biāo)，無需諧波治理。
　　
　　12)19電平正弦波輸出，輸出dV/dt<500V/us,共模電壓<100V。
　　
　　13)輸出頻率0~50Hz,輸出頻率連續(xù)可調(diào)，并具有跳頻功能，用于跳過共振點(diǎn)。
　　
　　14)同步切換功能，實(shí)現(xiàn)變頻器-電網(wǎng)平滑切換。
　　
　　15)變頻器頻率調(diào)節(jié)精度0.1Hz，穩(wěn)態(tài)精度0.1%。
　　
　　16)加減速時(shí)間0~1500s可設(shè)，分段加速功能，分段速度和加速時(shí)間分別可設(shè)。
　　
　　17)飛車啟動(dòng)功能，支持電機(jī)在一定速度下直接啟動(dòng)。
　　
　　18)冷卻方式為空冷，適合密煉機(jī)使用。
　　
　　19)完善的電機(jī)，變頻器，變壓器保護(hù)系統(tǒng)，保證設(shè)備安全運(yùn)行。
　　
　　20)變頻柜所有部件堅(jiān)固可靠，能夠承受運(yùn)輸，運(yùn)行過程中的應(yīng)力。
　　
　　21)變頻器內(nèi)部設(shè)計(jì)合理，維護(hù)空間大，通風(fēng)冷卻能力強(qiáng)。
　　
　　22)變頻器滿足OSHAHearingConservationStandard3074標(biāo)準(zhǔn)，即距離變頻器1m的任何地方，噪音等級(jí)≤85dB，zui大只有80dB。
　　
　　23)外部通訊接口豐富，支持Modbus、TCP/IP、Profibus、DeviceNet等現(xiàn)場總線。
　　
　　24)豐富的外部I/O接口通道，支持模擬量和數(shù)字量輸入輸出的接入。
　　
　　25)友好的中文操作界面，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改，波形監(jiān)控，故障報(bào)警信息顯示，本地控制等功能。
　　
　　4.4方案說明
　　
　　4.4.1變頻啟動(dòng)時(shí)序
　　
　　1)控制系統(tǒng)上電。
　　
　　2)系統(tǒng)自檢。
　　
　　3)PLC/本地啟動(dòng)命令。
　　
　　4)QS11自動(dòng)合閘至工作位。
　　
　　5)QF01自動(dòng)合閘至工作位。
　　
　　6)高壓自檢，匹配電機(jī)參數(shù)。
　　
　　7)啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)升速。
　　
　　4.4.2電氣保護(hù)
　　
　　變頻軟起動(dòng)器上口QF01(QF02)采用變壓器綜合保護(hù)裝置直接對(duì)變頻軟起動(dòng)器提供過壓、過流、速斷、缺相、欠壓、三相不平衡、接地等保護(hù)；
　　
　　工頻狀態(tài)下，系統(tǒng)通過工頻電源開關(guān)QF10配備的電動(dòng)機(jī)綜合微機(jī)保護(hù)和電動(dòng)機(jī)差動(dòng)微機(jī)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的*保護(hù)功能。
　　
　　變頻軟起動(dòng)器與電源側(cè)工頻開關(guān)之間，存在非并網(wǎng)合閘條件下的電氣與邏輯雙重互鎖關(guān)系，避免非正常狀態(tài)下變頻軟起動(dòng)器輸出側(cè)短路；
　　
　　變頻軟起動(dòng)器自動(dòng)識(shí)別適配電動(dòng)機(jī)功率，設(shè)定變頻軟起動(dòng)器自適應(yīng)的電動(dòng)機(jī)控制模型、保護(hù)參數(shù)、工藝特性；
　　
　　變頻狀態(tài)下，變頻軟起動(dòng)器對(duì)輸出側(cè)電動(dòng)機(jī)提供過壓、欠壓、過流、過載、速斷、缺相、接地等*電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能；
　　
　　變頻狀態(tài)下，變頻軟起對(duì)勵(lì)磁繞組提供過壓，過流，過熱，失步等完善保護(hù)功能。
　　
　　4.4.3連鎖條件
　　
　　QF10和QS11，存在非并網(wǎng)切換條件下的電氣與邏輯雙重互鎖關(guān)系，防止變頻軟起動(dòng)器輸出側(cè)過載或變頻軟起動(dòng)器輸出與10kV電網(wǎng)輸出側(cè)電源短路、高壓隔離開關(guān)QS帶電分合操作等嚴(yán)重事故。
　　
　　4.4.4電網(wǎng)沖擊
　　
　　激磁涌流柜通過在變壓器一次側(cè)串接電阻來限制變壓器合閘時(shí)的浪涌電流沖擊，根據(jù)變壓器和電網(wǎng)的容量不同，峰值涌流可以控制在In~1.2In。合閘瞬間對(duì)電網(wǎng)無沖擊。
　　
　　變頻器輸出側(cè)配備交流電抗器，可以有效避免由于變頻器輸出與電網(wǎng)合環(huán)過程中的電流沖擊和反灌，避免對(duì)變頻軟起動(dòng)器的輸出造成損壞。
　　
　　4.4.5功率因數(shù)及無功補(bǔ)償
　　
　　變頻器的功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，無需無功補(bǔ)償裝置。
　　
　　當(dāng)安裝有無功補(bǔ)償裝置時(shí)，為避免在電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)過程中可能出現(xiàn)的供電電網(wǎng)功率因數(shù)補(bǔ)償過補(bǔ)導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)變壓器效率下降等情況，變頻軟起動(dòng)器可與電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，或由動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置自主實(shí)現(xiàn)無功自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得廠網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.9~0.95。
　　
　　4.4.6諧波
　　
　　ATV1200系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在電源側(cè)采用多重化整流技術(shù)，電網(wǎng)側(cè)諧波污染小，對(duì)5、7次諧波的抑制可達(dá)到THDI<1%，總諧波奇變率小于2%，符合GB14549－93標(biāo)準(zhǔn)和IEEEstd519-1992電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓、電流諧波失真度的要求，無需諧波濾波裝置。
　　

ATV1200輸入諧波電流
諧波次數(shù)	5次	7次	11次	13次	17次	19次	23次
IEEE要求 [%]	4.00	2.86	1.83	1.49	1.14	1.02	0.87
實(shí)際測量值 [％]	0.57	1.00	0.21	0.32	0.74	0.55	0.05

　　　　5總結(jié)
　　
　　密煉機(jī)對(duì)于施耐德/利德華福高壓傳動(dòng)是一個(gè)比較新的應(yīng)用，其主要挑戰(zhàn)在于其過載能力要求以及對(duì)于機(jī)械友好控制的要求。施耐德/利德華福高壓變頻產(chǎn)品完夠滿足其需求，能夠提供的控制以及友好的機(jī)械特性，為密煉機(jī)的穩(wěn)定高質(zhì)量運(yùn)行提供可靠的技術(shù)保證。