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(guò)程中起著非常重要的作用。國(guó)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(guó)橡膠擠出機(jī)的年產(chǎn)量近800臺(tái)，生產(chǎn)廠家有50家左右。國(guó)內(nèi)雖然有眾多橡膠螺桿擠出機(jī)制造企業(yè)。 但具備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(guó)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(xiàng)目為新建項(xiàng)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(guò)大，噪聲過(guò)大，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重及當(dāng)?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(jī)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)工藝等多方面因素，匯川選用型號(hào)為HD92-J100/630-DB的高壓變頻器，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

    二、擠出機(jī)工藝介紹

    此次現(xiàn)場(chǎng)擠出機(jī)為銷釘式冷喂料擠出機(jī)。銷釘技術(shù)的研究開(kāi)始于上世紀(jì)90年代初。 通過(guò)將銷釘從機(jī)筒圓周方向徑向插入螺桿螺紋槽中，將流動(dòng)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(dòng)， 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(guò)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(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。
銷釘式擠出機(jī)工藝相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，切好后的生膠無(wú)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：

圖2 控制框圖

    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(dòng)時(shí)間段阻力矩較大，這對(duì)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(shí)連續(xù)工作的可靠性要有保證。綜合以上擠出機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)工況，擠出機(jī)工藝對(duì)高壓變頻器的要求如下：
1）起動(dòng)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(dòng)，變頻器的低頻輸出轉(zhuǎn)矩要好，并有較高的過(guò)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(shí)間等因素進(jìn)行動(dòng)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(shí)（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(shí)速降過(guò)大，導(dǎo)致可塑度不均，排膠不規(guī)則等膠片品質(zhì)問(wèn)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(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)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(dòng)方案

    改造內(nèi)容：取消原有直流調(diào)速系統(tǒng)，重新采購(gòu)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(hào)通過(guò)硬線與現(xiàn)場(chǎng)操作總臺(tái)連接，由操作臺(tái)控制變頻器的啟停。操作臺(tái)顯示屏為三菱一體式觸摸屏，控制核心為兩臺(tái)三菱可編程控制器，其中一臺(tái)主控，負(fù)責(zé)擠出機(jī)的主程序，第二臺(tái)為監(jiān)控，負(fù)責(zé)信號(hào)打點(diǎn)、報(bào)警和后備保護(hù)。兩臺(tái)PLC有主有從，互有分工，相互監(jiān)視實(shí)現(xiàn)了安全回路的雙線制。高壓變頻器型號(hào)為我司HD92-J100/630-DB，控制方式采用磁鏈閉環(huán)矢量控制，同時(shí)具備開(kāi)閉環(huán)自動(dòng)切換功能，當(dāng)電機(jī)編碼器掉線，變頻器可以自動(dòng)切換到開(kāi)環(huán)矢量控制，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

    操作臺(tái)PLC與變頻器之間采用硬線連接方式，通過(guò)4~20mA模擬量信號(hào)調(diào)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在0~50Hz范圍內(nèi)運(yùn)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(guò)DI9、DI10兩個(gè)端口分別控制變頻器啟動(dòng)、停止，頻率給定采用4~20mA模擬量信號(hào)，對(duì)應(yīng)變頻器輸出頻率0~50Hz； 
與高壓開(kāi)關(guān)柜聯(lián)鎖信號(hào)：

 

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(shì)
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(dú)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(guò)對(duì)電機(jī)的磁鏈、電流進(jìn)行解藕，完成對(duì)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(yùn)行曲線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)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(dòng)態(tài)性能的基礎(chǔ)上，克服了轉(zhuǎn)子電阻、電感參數(shù)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)性能的影響。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度高，加速時(shí)電流環(huán)響應(yīng)快，低頻運(yùn)行時(shí)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(dòng)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(yùn)行。

    2、可靠的非對(duì)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(jì)，整個(gè)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(guò)電容器濾波。逆變側(cè)為IGBT模塊H橋單相逆變，通過(guò)對(duì)逆變橋進(jìn)行SPWM控制，得到正弦的單相交流輸出。其中每個(gè)單元均配備了機(jī)械旁路功能，同時(shí)采用非對(duì)稱旁路技術(shù)，可靠性與穩(wěn)定性大大提升。

圖6：非對(duì)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(jí)聯(lián)方式，當(dāng)其中某個(gè)單元出現(xiàn)故障后，通過(guò)非對(duì)稱旁路技術(shù)可以使系統(tǒng)不停機(jī)運(yùn)行。HD92的非對(duì)稱技術(shù)可以實(shí)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(gè)系統(tǒng)的可靠性大大提高。

    3、柔和快速的飛車啟動(dòng)功能

   HD92系列高壓變頻器具備飛車啟動(dòng)功能，能夠在未知電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的狀況下啟動(dòng)變頻器，變頻器自動(dòng)進(jìn)行頻率搜索，直至搜索到與電機(jī)實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)頻率相符的頻率，此時(shí)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(duì)擠出機(jī)生產(chǎn)的影響以及對(duì)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。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)測(cè)時(shí)的波形圖如下。

圖7：飛車啟動(dòng)波形圖

    3、智能貼心的開(kāi)閉環(huán)自動(dòng)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(kāi)環(huán)控制的無(wú)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(wú)擾的切換至開(kāi)環(huán)運(yùn)行，不會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)。開(kāi)閉環(huán)無(wú)擾切換波形如下圖：

圖8：無(wú)擾切換電流波形圖

五、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖片

圖9：變頻器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

圖10：操作臺(tái)監(jiān)控界面

圖11：系統(tǒng)投運(yùn)前聯(lián)調(diào)


圖12：運(yùn)行時(shí)觸摸屏圖

圖13：現(xiàn)場(chǎng)高壓電機(jī)圖

    六、結(jié)束語(yǔ)

    近年來(lái)，中國(guó)橡膠工業(yè)發(fā)展較快，在橡膠工業(yè)快速發(fā)展的推動(dòng)下，橡膠技術(shù)與裝備也得到了長(zhǎng)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Α４舜螀R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(kāi)拓新工藝點(diǎn)，推廣市場(chǎng)工藝型變頻設(shè)備征途的一個(gè)縮影。與此同時(shí)，作為國(guó)內(nèi)高壓變頻行業(yè)在擠出機(jī)應(yīng)用上第一個(gè)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(dòng)化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)橡膠行業(yè)的變頻改造具有獨(dú)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(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。