摘要：14年7月，汇川技术一台HD92高压变频器成功应用于浙江某现场宽幅胶片挤出压延生产线上。作为国内首家应用在挤出机生产线上的高压变频设备厂家，汇川高压变频创新性地解决了挤出机启动转矩大，稳速精度高等难题。与此同时，汇川HD92独特的开闭环控制无扰切换功能更是在实际应用中大放光彩。从现场运行情况来看，汇川HD92高压变频器运行可靠，节电明显，调速性能媲美直流电机，不仅为用户提高了生产效率，而且节约了生产成本，省心省事，客户交口称赞。
一、设备工况
橡胶挤出机，是橡胶工业的一种基本设备，是影响产品质量的关键设备之一，在轮胎和橡胶制品的生产过程中起着非常重要的作用。国外橡胶挤出机的发展经历了柱塞式挤出机、螺杆型热喂料挤出机、普通冷喂料挤出机、主副螺纹冷喂料挤出机、冷喂料排气挤出机、销钉冷喂料挤出机、复合挤出机等阶段。
我国橡胶挤出机的年产量近800台，生产厂家有50家左右。国内虽然有众多橡胶螺杆挤出机制造企业。 但具备开发设计能力并在行业中颇有影响者仅有4~5家。随着冷喂料挤出机的出现和广泛应用，热喂料挤出机的应用范围正逐步缩小。橡胶挤出机由热喂料向冷喂料发展，冷喂料销钉式挤出机已成为发展主流。销钉式挤出机已较多地在我国橡胶工业中应用，现代挤出机作为橡胶行业的重要设备将朝着多螺杆、多流道、多复合发展。
此宽幅胶片挤出压延生产线项目为新建项目，一般地，挤出机常规方案都是采用低压直流电机，考虑到工厂低压用电负荷过大，噪声过大，电机发热严重及当地政策原因。在我司的建议下，客户最终决定使用汇川提供的一整套高压变频调速系统。
图1 挤出机现场图
系统相关参数：
根据电机额定功率，综合考虑现场工艺等多方面因素，汇川选用型号为HD92-J100/630-DB的高压变频器，经实践验证，完全满足现场使用要求。
二、挤出机工艺介绍
此次现场挤出机为销钉式冷喂料挤出机。销钉技术的研究开始于上世纪90年代初。通过将销钉从机筒圆周方向径向插入螺杆螺纹槽中，将流动的胶料进行剪切和搅拌。当胶料变成熔体以后，胶体以低剪切速率在螺杆螺纹中流动， 逐渐形成连续的粘流体， 这样便打破了胶体分子间化学键，破坏了胶料在挤出过程中的层流和结块现象，达到了胶料塑化好、胶温低和节能的效果，简化了生产工艺。
销钉式挤出机工艺相对于传统工艺，切好后的生胶无须加热，直接加入到挤出机里，在挤出机出口端加设双辊筒机头，塑炼好的胶料直接压成胶片，然后进行冷却堆放。其控制框图如下：
图2 控制框图
销钉式冷喂料挤出机在螺杆结构上较为特殊，在机筒上增加了销钉，主电机启动时间段阻力矩较大，这对高压变频器的低频转矩要求较高。为了保证胶料的塑化性能与致密性，这要求变频器稳速精度要高同时连续工作的可靠性要有保证。综合以上挤出机的运行特点与现场工况，挤出机工艺对高压变频器的要求如下：
1)起动力矩要大。挤出机的工作特性决定了电机必须能够重载启动，变频器的低频输出转矩要好，并有较高的过载能力。
2)调速性能要好。挤出机转速要根据排胶速度，混炼时间等因素进行动态调速。这要求稳速精度要高，变频调速方便，调速范围大，能满足各种工况下的调速要求。
3)特性曲线要硬。要保证负载变化时(如胶料杂质变多，老化严重)，挤出机转速基本上不受影响，防止负载大小不同时速降过大，导致可塑度不均，排胶不规则等胶片品质问题，影响客户生产效率。
4)工作方式转换容易。要能够方便的进行自动、半自动、手动等工作方式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。
三、变频驱动方案
改造内容：取消原有直流调速系统，重新采购高压变频电机与我司高压变频器。其中变频器的控制与反馈信号通过硬线与现场操作总台连接，由操作台控制变频器的启停。操作台显示屏为三菱一体式触摸屏，控制核心为两台三菱可编程控制器，其中一台主控，负责挤出机的主程序，第二台为监控，负责信号打点、报警和后备保护。两台PLC有主有从，互有分工，相互监视实现了安全回路的双线制。高压变频器型号为我司HD92-J100/630-DB，控制方式采用磁链闭环矢量控制，同时具备开闭环自动切换功能，当电机编码器掉线，变频器可以自动切换到开环矢量控制，保证生产的连续性。
操作台PLC与变频器之间采用硬线连接方式，通过4~20mA模拟量信号调速，驱动电机在0~50Hz范围内运行。具体接口信息如下图所示：
图3 端口通信图
变频器采用两线式控制模式，通过DI9、DI10两个端口分别控制变频器启动、停止，频率给定采用4~20mA模拟量信号，对应变频器输出频率0~50Hz;
与高压开关柜联锁信号：
1)合闸允许：常开接点，闭合有效，此信号串联在供电高压开关柜的合闸回路中，当变频器自检完成或系统处于工频状态时，信号闭合，允许用户合高压电;
2)高压跳闸：常闭接点，断开有效，此信号并联在供电高压开关柜的分闸回路上，当变频器发生重大故障或急停信号有效时，分断用户高压电;
变频器DO信号：
以上输出信号全部为独立无源干接点，默认为常开接点，闭合有效，容量大小为250V AC 5A。
变频器DI信号：
以上输入信号仅需客户提供独立无源干接点，脉冲信号，除急停外，其它信号均默认为常开接点，闭合有效;
变频器AI信号：
变频器AO信号：
注：如果有特殊接口需求，可提前与我公司联系，进行定制;
四、汇川高压变频方案优势
1、先进的异步电机磁链闭环矢量控制算法
HD92系列高压变频器具备独有的磁链闭环矢量控制技术，基于电机d-q轴数学方程式解析，通过对电机的磁链、电流进行解藕，完成对磁链、电流闭环控制。从矢量控制最基层的角度全面掌握电机运行曲线，实现了对电机的磁链闭环矢量控制。控制算法框图如下：
图4：矢量控制算法框图
这种矢量控制算法在保持较高动态性能的基础上，克服了转子电阻、电感参数对调速系统性能的影响。对电机转速控制精度高，加速时电流环响应快，低频运行时转矩响应可达750rad/s，并且能够实现更高的节电效率。磁链闭环矢量控制算法解决了挤出机启动转矩大，加速大电流，稳速精度高等高要求，保证了产线可靠运行。
2、可靠的非对称机械旁路技术
汇川HD92高压变频器功率单元采用两电平拓扑结构，输出采用机械旁路设计，整个功率单元由全桥整流、直流滤波、逆变三大部分组成，功率单元拓扑结构如下：
全桥整流 直流滤波 逆 变 输 出(具备机械旁路功能)
图5：功率单元拓扑图
功率单元整体拓扑结构为交一直一交三相整流/单相逆变输出结构.整流侧为二极管三相全桥整流，将输入的三相交流整成直流，并通过电容器滤波。逆变侧为IGBT模块H桥单相逆变，通过对逆变桥进行SPWM控制，得到正弦的单相交流输出。其中每个单元均配备了机械旁路功能，同时采用非对称旁路技术，可靠性与稳定性大大提升。
图6：非对称旁路技术示意图
如上图所示，HD92系列高压变频器采用单元级联方式，当其中某个单元出现故障后，通过非对称旁路技术可以使系统不停机运行。HD92的非对称技术可以实现比传统旁路方案更高的电压输出幅值，电压输出能力相比传统方式最高能提高20%，这使得整个系统的可靠性大大提高。
3、柔和快速的飞车启动功能
HD92系列高压变频器具备飞车启动功能，能够在未知电机旋转速度的状况下启动变频器，变频器自动进行频率搜索，直至搜索到与电机实时旋转频率相符的频率，此时变频器输出相应频率，并控制电机旋转至指定频率，此技术能有效减少瞬间停电对挤出机生产的影响以及对电网的冲击，避免了胶料因意外停机凝固在螺杆中的情况。现场调测时的波形图如下。
图7：飞车启动波形图
4、智能贴心的开闭环自动切换技术
为提高系统的可靠性，HD92具备闭环控制与开环控制的无扰切换，即在编码器出现故障的情况下不停机。HD92变频器将在0.05秒内无扰的切换至开环运行，不会影响现场的生产。开闭环无扰切换波形如下图：
图8：无扰切换电流波形图
五、现场应用图片
图9：变频器现场应用图
图10：操作台监控界面
图11：系统投运前联调
图12：运行时触摸屏图
图13：现场高压电机图
六、结束语
近年来，中国橡胶工业发展较快，在橡胶工业快速发展的推动下，橡胶技术与装备也得到了长足发展。橡胶挤出机作为橡胶生产中的主要加工设备，与其他橡胶加工设备相比，由于其应用领域广泛、用途不断扩展，显示出了巨大的发展潜力。此次汇川技术HD92系列高压变频器成功应用在挤出机设备主电机上，也是汇川技术在不断开拓新工艺点，推广市场工艺型变频设备征途的一个缩影。与此同时，作为国内高压变频行业在挤出机应用上第一个吃螃蟹的厂家，这次成功应用也证明了汇川HD92产品的高性能与高可靠性。
汇川技术有限公司依托多年的自动化行业的应用经验，对橡胶行业的变频改造具有独到的方案解决能力。汇川技术有限公司生产的高压变频器为采用矢量控制技术的高性能变频器，产品适用于冶金、电力、化工、市政等多个应用领域。
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