利德華福高壓變頻器在密煉機上的應用
2014-12-26 來源：數控機床市場網 作者：利德華福
橡膠&塑料行業
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目 錄
1 工藝描述 2
1.1 概述 2
1.2 密煉機類型 3
2 密煉機負載特性 4
2.1 機械功率 4
2.2 轉矩負載特性 4
3 密煉機傳動需求 4
3.1 密煉機機械傳動類型 5
3.2 密煉機傳動趨勢 5
3.2.1 直流傳動系統和施耐德高壓交流傳動系統 5
3.3 密煉機應用要求 6
3.3.1 密煉機現場要求 6
3.3.2 密煉機電機要求 6
3.3.3 密煉機傳動控制要求 6
4 技術方案 7
4.1 單驅方案 7
4.2 雙驅方案 8
4.3 方案特點 9
4.4 方案說明 9
4.4.1 變頻啟動時序 9
4.4.2 電氣保護 10
4.4.3 連鎖條件 10
4.4.4 電網沖擊 10
4.4.5 功率因數及無功補償 10
4.4.6 諧波 10
5 總結
1 工藝描述
1.1 概述
密煉機，是橡膠生產線或塑料生產線的起始工序。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品內部。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
密煉機混煉工藝一般分為兩種工藝：分批混煉工藝和連續混煉工藝。對于不同的混煉工藝，起密煉機機械結構和負載類型都是不同的。
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過一個混煉周期后，直接進入擠出機產生成品。而二段混煉法為，在原料進過一個混煉周期后，還要進入第二段混煉機，進行第二段混煉，才能最終進入擠出機產生成品。
對于連續混煉，則為進料側連續進料，出料口連續出料，連續生產。
無論那種工藝，起內部混煉過程可分為：細分(break),混入(internal mix, blend),分散(Dispersive mixing),簡單結合，塑化階段。
經過密煉機的橡膠產品，再通過冷卻器，擠出機，成為成品。再將成品作為輪胎，塑料等的原料。
塑料密煉機和橡膠密煉機結構相同，工藝過程一致。
1.2 密煉機類型
國內常見的密煉機為分批密煉機，分批密煉機又成為banbury密煉機，其結構如下圖：
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，關閉翻板門，由氣缸產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，壓力的大小關系負載的變化，當負載過大時，可以通過調制壓料缸的壓力來減小負載。
? 混煉部分
混煉部分由轉子，密煉室和密封裝置組成。物料加入混煉室后，就在由兩個具有螺旋棱的，有速比的，相對回轉的轉子與混煉室壁、上、下頂栓組成的混煉系統內受到不斷的變化的反復進行的強烈剪切和擠壓作用，使膠料產生剪切變形，進行了強烈的捏煉。由于轉子有螺旋棱，在混煉時膠料反復地進行軸向往復運動，起到了攪拌作用，致使混煉更為強烈。
? 卸料部分
當一個混煉周期結束后，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，進入第二道混煉工序或者進入擠出機。在卸料后，當密煉機溫度達到其初始溫度，下一批生料即被加入到密煉機內進行密煉。所以，分批密煉得以連續進行。只有在加料和卸料時，密煉被中斷，所以稱為分批密煉。
2 密煉機負載特性
2.1 機械功率
密煉機機械功率和兩個要素有關，一個是密煉機容積，一個是密煉機轉速。容積越大，轉速越高，密煉機機械功率越高。
密煉機容積范圍為25-650L,轉速為15~70rpm，甚至達到90rpm。
轉速低于20rpm的密煉機稱為低速密煉機，轉速30-40rpm的稱為中速密煉機，轉速大于60rpm以上稱為高速密煉機。
密煉機功率范圍在50kW-4000kW之內，國內目前比較常見的功率為1250kW和2500kW。
2.2 轉矩負載特性
密煉機負載類型為恒轉矩負載，典型的Banbury密煉機負載特性如下圖所示：
200%額定轉矩持續5.4s
160%額定轉矩持續21.6s
130%額定轉矩持續81s
80%額定轉矩持續81s
35%額定轉矩持續81s
在整個負載周期內，其均方根等于100%，意味著電機在整個工作周期內，電機連續工作不會發熱。但是其短時過載200%，在選擇電機和傳動時需要注意。
另外，過載時的轉矩和壓料缸的壓力有關系，壓力越大，其負載轉矩也越大。通常，壓料缸壓力會根據負載的大小被調節，以保持在密煉過程中，密煉機不會過載。
密煉機的負載特點為高過載，工作周期內頻繁過載。
3 密煉機傳動需求
3.1 密煉機機械傳動類型
密煉機傳動根據容量和機械傳動系統不同，可分為單驅和雙驅。
單驅是指一臺電機驅動一臺密煉機，這種應用一般在密煉機功率小于2500kW以下。
雙驅是指兩臺電機共同驅動一臺密煉機，雙驅一般應用于密煉機功率大于2500kW以上。
3.2 密煉機傳動趨勢
傳統密煉機調速系統，一般采用直流調速系統，但隨著交流調速系統的發展，現在的趨勢是采用交流調速系統，尤其是高壓變頻系統。
3.2.1 直流傳動系統和施耐德高壓交流傳動系統
傳統的直流傳動系統，主要有以下幾個特點：
1. 體積大，成本低。
2. 功率因數低（0.5~0.7），需要無功補償裝置。
3. 諧波含量大，THDI可達30%，需諧波治理裝置。
4. 控制簡單，速度精度高。
5. 受電網和電機條件和參數影響，魯棒性不強。
施耐德高壓交流傳動系統的特點：
1. 體積小，成本略高。
2. 功率因數高（0.95以上），無需無功補償裝置。
3. 諧波含量小，THDI<2%,無需諧波治理裝置。
4. 控制復雜，采用矢量控制算法控制精度可媲美直流電機。
5. 魯棒性強。
直流傳動系統在結構和控制精度方面，有著自身的優勢。但是，其另外幾個缺點卻導致其被交流系統取代。
功率因數低，直流傳動由于其是直接控制直流電流輸出，所以其在負載和速度變化時，無法保證其功率因數，導致其功率因數很低。對于大容量的直流傳動系統，就需要在網側增加無功補償裝置，這對于客戶來說，也是很大的投入。而且由于直流系統的功率因數不固定，所以無功補償裝置需要采用動態補償裝置，其價格很高。
諧波含量大，由于直流傳動為晶閘管器件，采用移相控制，開關頻率不高，其諧波含量非常大，普通直流傳動的電流諧波為30%左右，為電網的最大諧波污染源。需采用諧波治理裝置，這對于客戶來說，也是額外的投入。
需要大的整流變壓器。由于直流傳動的輸入電壓都是低壓輸入，所以輸入側需要一個高壓-低壓的變壓器。并且由于直流傳動特點，變壓器需要特殊整流變壓器，大容量的低壓整流變壓器對于客戶來說，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 密煉機應用要求
3.3.1 密煉機現場要求
密煉機現場由于其工藝特點，需要連續添加添加劑，硫化劑，炭黑等原料，以及需要持續冷卻，所以其現場體現出高溫度，高濕度，高煙氣含量等特點。尤其是添加炭黑的過程，炭黑顆粒可溶于煙氣，隨著煙氣進入電機定子繞組和氣隙，會降低電機絕緣等級，使壽命減少，甚至引起放電和短路等故障。
3.3.2 密煉機電機要求
密煉機電機一般采用4極或6極異步電動機，因其過載能力較高（200%），要求密煉機電機過載能力較高。
密煉機現場高溫度，高濕度，高蒸汽，高炭黑含量，需要高的防護等級和冷卻方式，防護等級IP54和冷卻方式IC31/37是一般的要求。
3.3.3 密煉機傳動控制要求
密煉機要求比較高的精度，并且要求比較高的過載能力，較短的加減速時間。
由于密煉機在故障停機時會使整個批次料作廢，所以在矢量控制下，當編碼器出現故障時要求控制能夠平滑切換至無編碼器矢量模式，保證不停機。另外，要求損壞模塊自動旁路功能，當IGBT故障時，能自動旁路故障模塊，保證不停機。
密煉機雙驅配置下，需要傳動主從控制，保證兩臺電機輸出轉矩相同，齒輪箱無沖擊。在此過程中，主從之間的轉矩精度有一定要求。主從實際轉矩誤差太大會造成減速箱振動，減少壽命。
4 技術方案
4.1 單驅方案
4.2 雙驅方案
雙驅方案
4.3 方案特點
1) 激磁涌流柜，保證變壓器合閘電流小于1In，對電網無沖擊。
2) 采用無速度傳感器矢量控制啟動，啟動電流小，電流無沖擊。
3) 變頻功率元件采用國際著名品牌西門康高壓IGBT，性能穩定，可靠性高。
4) 變頻軟起系統10kV直接輸出，不采用升壓方式，方便電纜連接。
5) 低頻啟動轉矩大，有效克服靜阻力矩。
6) 較寬的電網電壓波動適應能力，65%~115%Un范圍內穩定運行。
7) 低壓穿越功能，3s掉電不停機。
8) 網側電壓變化自動識別，母線電源切換或電壓閃變自動重啟。
9) 多種電機參數儲存功能，方便實現不同參數電機軟起，易于擴展。
10) 54脈整流，輸入諧波< 2%，遠遠小于GB/T14549《電能質量公用電網諧波》
11) 及“IEEE519”國際標準規定的諧波指標，無需諧波治理。
12) 19電平完美正弦波輸出，輸出dV/dt < 500V/us, 共模電壓 < 100 V。
13) 輸出頻率0~50Hz,輸出頻率連續可調，并具有跳頻功能，用于跳過共振點。
14) 同步切換功能，實現變頻器-電網平滑切換。
15) 變頻器頻率調節精度0.1Hz，穩態精度0.1%。
16) 加減速時間0~1500s可設，分段加速功能，分段速度和加速時間分別可設。
17) 飛車啟動功能，支持電機在一定速度下直接啟動。
18) 冷卻方式為空冷，適合密煉機使用。
19) 完善的電機，變頻器，變壓器保護系統，保證設備安全運行。
20) 變頻柜所有部件堅固可靠，能夠承受運輸，運行過程中的應力。
21) 變頻器內部設計合理，維護空間大，通風冷卻能力強。
22) 變頻器滿足OSHA Hearing Conservation Standard 3074 國際標準，即距離變頻器1m的任何地方，噪音等級≤ 85dB，最大只有80dB。
23) 外部通訊接口豐富，支持Modbus、TCP/IP、Profibus、DeviceNet等現場總線。
24) 豐富的外部I/O接口通道，支持模擬量和數字量輸入輸出的接入。
25) 友好的中文操作界面，可實現參數修改，波形監控，故障報警信息顯示，本地控制等功能。
4.4方案說明
4.4.1變頻啟動時序
1) 控制系統上電。
2) 系統自檢。
3) PLC/本地啟動命令。
4) QS11自動合閘至工作位。
5) QF01自動合閘至工作位。
6) 高壓自檢，匹配電機參數。
7) 啟動電機，電機升速。
4.4.2電氣保護
變頻軟起動器上口QF01(QF02)采用變壓器綜合保護裝置直接對變頻軟起動器提供過壓、過流、速斷、缺相、欠壓、三相不平衡、接地等保護；
工頻狀態下，系統通過工頻電源開關QF10配備的電動機綜合微機保護和電動機差動微機保護裝置實現對電動機的完全保護功能。
變頻軟起動器與電源側工頻開關之間，存在非并網合閘條件下的電氣與邏輯雙重互鎖關系，避免非正常狀態下變頻軟起動器輸出側短路；
變頻軟起動器自動識別適配電動機功率，設定變頻軟起動器自適應的電動機控制模型、保護參數、工藝特性；
變頻狀態下，變頻軟起動器對輸出側電動機提供過壓、欠壓、過流、過載、速斷、缺相、接地等完全電動機保護功能；
變頻狀態下，變頻軟起對勵磁繞組提供過壓，過流，過熱，失步等完善保護功能。
4.4.3連鎖條件
QF10和QS11，存在非并網切換條件下的電氣與邏輯雙重互鎖關系，防止變頻軟起動器輸出側過載或變頻軟起動器輸出與10kV電網輸出側電源短路、高壓隔離開關QS帶電分合操作等嚴重事故。
4.4.4電網沖擊
激磁涌流柜通過在變壓器一次側串接電阻來限制變壓器合閘時的浪涌電流沖擊，根據變壓器和電網的容量不同，峰值涌流可以控制在In~1.2In。合閘瞬間對電網無沖擊。
變頻器輸出側配備交流電抗器，可以有效避免由于變頻器輸出與電網合環過程中的電流沖擊和反灌，避免對變頻軟起動器的輸出造成損壞。
4.4.5功率因數及無功補償
變頻器的功率因數可達0.95以上，無需無功補償裝置。
當安裝有無功補償裝置時，為避免在電動機軟起動過程中可能出現的供電電網功率因數補償過補導致網側變壓器效率下降等情況，變頻軟起動器可與電網無功補償裝置聯動實現，或由動態無功補償裝置自主實現無功自動調節，使得廠網側功率因數達到0.9~0.95。
4.4.6諧波
ATV1200系列高壓變頻調速系統在電源側采用多重化整流技術，電網側諧波污染小，對5、7次諧波的抑制可達到THDI<1%，總諧波奇變率小于2%，符合GB 14549－93標準和IEEE std 519-1992電能質量標準對電壓、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
5 總結
密煉機對于施耐德/利德華福高壓傳動是一個比較新的應用，其主要挑戰在于其過載能力要求以及對于機械友好控制的要求。施耐德/利德華福高壓變頻產品完全能夠滿足其需求，能夠提供精確的控制以及友好的機械特性，為密煉機的穩定高質量運行提供可靠的技術保證。
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