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采用HD92高压变频器在橡胶挤出机的设计应用

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供稿:中国工控网 2016/4/27 16:09:50

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   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:


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。


审核编辑(李晨晖)
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