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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（jiāo）&塑料行業

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目錄（lù）

1 工藝描述 2

1.1 概（gài）述（shù） 2

1.2 密（mì）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（fù）載（zǎi）特性 4

3 密煉機傳動需求 4

3.1 密煉（liàn）機機械傳動類型 5

3.2 密（mì）煉機傳動趨勢 5

3.2.1 直流傳動係統和施耐德高（gāo）壓交流傳動（dòng）係統 5

3.3 密煉機應用要求 6

3.3.1 密（mì）煉機現場要求 6

3.3.2 密煉機電機要求 6

3.3.3 密煉（liàn）機傳動控製要求 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（diàn）氣保護 10

4.4.3 連鎖條（tiáo）件 10

4.4.4 電網衝擊 10

4.4.5 功率因數（shù）及無功（gōng）補（bǔ）償 10

4.4.6 諧（xié）波 10

5 總結

1 工藝描述

1.1 概（gài）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（shì）通過剪切，擠壓，攪拌作用（yòng），將生（shēng）料（liào）粉碎，塑化，並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（shū）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（gōng）藝。對於不同的混煉工藝，起密煉機機械結（jié）構和負載類型都是不同的。

分批混（hún）煉又分為一段混煉法和二段（duàn）混煉法工藝。一段混煉為在原料（liào）經過一個混煉周期後，直接進入擠出機產（chǎn）生成品。而二（èr）段混煉法為，在原料（liào）進過一個混煉周期後，還要進入第二段混煉機（jī），進行第二段混（hún）煉，才能最終進入擠出機產生成品。

對於連續混煉，則為進料側連續（xù）進料，出料口（kǒu）連續出料，連續生產。

無論那種工藝（yì），起內部混煉過程可（kě）分為：細分(break),混入(internal mix, blend),分散(Dispersive mixing),簡（jiǎn）單結合，塑化階段。

無（wú）論那種工藝，起內部混煉過程（chéng）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（zài）通過冷卻器，擠出機，成為成品（pǐn）。再將成品作為輪胎，塑料等的（de）原料（liào）。

塑料（liào）密煉機和橡膠密煉機結構相同，工藝（yì）過程一（yī）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：

國內常見的密煉機為分批密煉機，分批密煉機又成（chéng）為（wéi）banbury密煉機，其結構如

主要分為（wéi）三部分：加料部分，混煉部分和卸料部分。

 加料（liào）部分（fèn）

加料部分主要（yào）由加料漏鬥和壓料缸組成。橡膠生料由漏鬥加（jiā）入，關閉翻（fān）板門，由氣缸產生壓力將生料和混合劑壓入（rù）密（mì）煉室，並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（lì）的大（dà）小關係負載的變化，當負載過大時（shí），可以通過調（diào）製壓料缸的壓力（lì）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。物料加入混煉室後，就在由兩個具有螺旋棱的，有速比的，相對（duì）回轉的（de）轉子（zǐ）與混煉室壁、上、下頂栓組成的混煉係統內受到不斷的變（biàn）化的反複進（jìn）行的強烈剪切和擠壓作用，使膠料產（chǎn）生剪切變形，進行了強烈的捏煉。由於轉子有螺旋（xuán）棱，在混煉（liàn）時膠（jiāo）料反複地進行軸向往複運動，起到了攪拌作（zuò）用（yòng），致使混（hún）煉更為強烈。

 卸料部分

當一個混（hún）煉周期結束（shù）後，卸料門鎖鎖緊裝置被打開（kāi），混煉後橡膠通過卸料口被卸到（dào）容器或者皮帶上，進入第二道混煉（liàn）工序或（huò）者進入擠出機。在卸料（liào）後，當密煉機溫度達到其初始溫度，下（xià）一批生料即（jí）被加入（rù）到（dào）密煉機內進行密煉（liàn）。所以，分批密煉得以連續進行。隻有在加料和（hé）卸料時，密煉被中斷（duàn），所以稱為分批密煉。

2 密煉機負載特性

2.1 機械（xiè）功率

密煉機機械功率（lǜ）和兩個要素有關，一個是密煉機（jī）容積，一個是密煉機轉速（sù）。容（róng）積越大，轉速越高，密（mì）煉（liàn）機機械功率越高。

密煉機容積範（fàn）圍為25-650L,轉速為15~70rpm，甚至達到90rpm。

轉速低於20rpm的密煉（liàn）機（jī）稱為低速密煉機，轉速30-40rpm的稱為中速（sù）密煉（liàn）機（jī），轉（zhuǎn）速大於60rpm以上稱為高速密煉機（jī）。

密煉機功率範圍在（zài）50kW-4000kW之（zhī）內，國內目前比較常見（jiàn）的功率（lǜ）為1250kW和2500kW。

2.2 轉矩負載特性

密煉機負載類型為恒轉矩（jǔ）負載，典型的Banbury密煉機負載特性如下圖所示：

密煉機負載類型為恒轉矩負（fù）載，典型的Banbury密煉（liàn）機負載特性如下（xià）圖

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（zhuǎn）矩持續81s

在整個負載周期內，其均方根等於100%，意味著電機在整個工作周期（qī）內（nèi），電機（jī）連續工作不會發熱。但是其短（duǎn）時過載200%，在選擇電機和傳動時（shí）需要注意（yì）。

另外，過載時的轉矩和壓料缸的（de）壓力（lì）有關係，壓力越大，其負載轉矩也越大。通常，壓料缸（gāng）壓力會根據負（fù）載（zǎi）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（fù）載特點為高過載，工作周期內頻繁過載。

3 密（mì）煉機傳動需求

3.1 密煉機（jī）機械傳動類型

密煉機傳動根據容量和機械傳動係統不同，可分為單驅和雙驅。

單（dān）驅是（shì）指一台（tái）電機驅動一台密煉機，這種應用一般在密煉（liàn）機功率小於2500kW以下。

雙驅是指兩台電機（jī）共同驅動一台密煉機，雙驅一般（bān）應用於密煉機功率大於2500kW以上。

3.2 密煉機傳動趨勢

傳統密煉機調速係統（tǒng），一（yī）般采用直流調速係統，但隨（suí）著交流調速係統的發展，現（xiàn）在的趨（qū）勢是采用交（jiāo）流調速係統，尤其是高壓變頻係統。

3.2.1 直流傳動係統（tǒng）和施耐德高壓交流傳動係統

傳統的直（zhí）流傳（chuán）動係統，主要有（yǒu）以下幾個特點：

1. 體積大，成本低（dī）。

2. 功率因數低（0.5~0.7），需要無（wú）功補償裝置。

3. 諧波含量大（dà），THDI可達30%，需諧波治理裝置。

4. 控（kòng）製（zhì）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（nài）德高壓交流傳動係統的特點：

1. 體積小，成本略高。

2. 功率因數高（0.95以上），無需（xū）無功補償裝置。

3. 諧波含量（liàng）小，THDI<2%,無（wú）需諧波治理裝（zhuāng）置。

4. 控（kòng）製複雜，采用矢量控製算法（fǎ）控製精度（dù）可媲美直流電機。

5. 魯棒（bàng）性強。

直流傳動係統在結構和控製精度方麵，有著自身（shēn）的優勢。但是，其另外幾個缺點卻導致其被交流係統取代。

功率因數低，直流（liú）傳動由於（yú）其是直接控製直流（liú）電流輸出，所以其在負載和速度變化時，無法保證其功率（lǜ）因數，導致其功（gōng）率因數很低。對於大（dà）容量的直流傳動係統（tǒng），就需要在網側增加無功補償裝（zhuāng）置，這對於客戶來說，也是（shì）很大的投入。而且由於（yú）直流係統的功率因數（shù）不固定（dìng），所以無功補償裝置需要采用動態補償裝置，其價格很（hěn）高。

諧波含量大（dà），由於直流傳動為晶閘管器件，采用移相控製，開關頻率不高（gāo），其諧波含量非常大，普（pǔ）通直流傳動的電流諧波為30%左右，為電網的（de）最大諧波汙染源（yuán）。需采用諧波治理裝（zhuāng）置，這對於客戶來（lái）說，也是額外的投入。

需要大的整流變壓（yā）器。由於（yú）直流傳動的輸入電壓都是低（dī）壓輸入（rù），所以輸入側需要一個高壓-低壓的變壓器。並且由於直流傳動特（tè）點，變壓器（qì）需要（yào）特殊整流變壓器（qì），大容量的（de）低壓整流（liú）變壓器對於（yú）客戶來說，意味著更多（duō）的投入（rù），更大的變壓器麵積，以及更多的電纜投資。

3.3 密煉機應（yīng）用要求

3.3.1 密煉機現場要求

密（mì）煉機現場由於其工藝特點（diǎn），需要連續添加添加劑，硫（liú）化劑，炭黑等原料，以（yǐ）及需要持續冷卻，所（suǒ）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（tiān）加炭黑的過程，炭黑顆（kē）粒可溶（róng）於煙氣，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（liàn）機電機要求

密煉機（jī）電機一（yī）般采用4極或6極（jí）異步電動（dòng）機，因其（qí）過載能力較高（200%），要（yào）求密煉機電機（jī）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（yào）高的防護等級和冷（lěng）卻方式，防護等（děng）級IP54和冷卻（què）方式IC31/37是一般的（de）要求。

3.3.3 密煉機傳動控製要求

密煉機要求比較高的精度，並且要求比較高的過載能力，較短的加減速時間。

由於密煉機在故障停機時會使整個批次料作廢，所以在矢量控製下，當編碼器出現故（gù）障時要求控（kòng）製能夠平滑切換（huàn）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，需要傳動主從控製，保證兩台電機輸出（chū）轉矩相同，齒輪箱無衝擊。在此過程中，主從之間的轉矩精度有一定要求（qiú）。主從實際轉矩誤差太（tài）大會（huì）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（qū）方案

雙驅方案

4.3 方案特點

1) 激（jī）磁湧流櫃，保證變壓（yā）器（qì）合閘電流小於1In，對（duì）電網無衝擊。

2) 采用無速度傳感器矢（shǐ）量控製啟動，啟動電流小，電流無衝擊。

3) 變（biàn）頻功（gōng）率元件采用國際著名品（pǐn）牌西門康高壓IGBT，性能穩定，可（kě）靠性高。

4) 變頻軟起係統10kV直接輸出，不采用升壓方式，方便電纜連接（jiē）。

5) 低頻啟動轉矩大，有效克服靜阻（zǔ）力矩。

6) 較寬的電網電（diàn）壓波動適應能力，65%~115%Un範圍內穩定運（yùn）行。

7) 低壓（yā）穿越（yuè）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（diàn）壓閃變自動重（chóng）啟。

9) 多種電機參數儲存功能，方（fāng）便實現不同參數（shù）電機軟起，易於擴展。

10) 54脈整流，輸入諧波（bō）< 2%，遠（yuǎn）遠小於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（bō）治（zhì）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（pín）率連續可（kě）調，並具有（yǒu）跳頻功能，用於跳過共振點。

14) 同步切換（huàn）功能，實現變（biàn）頻器-電網平滑（huá）切換。

15) 變頻器（qì）頻率調節精（jīng）度0.1Hz，穩態精度（dù）0.1%。

16) 加減速時間0~1500s可設，分段加速功能，分段（duàn）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（sù）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，變壓器保護係統，保證設備安全運行。

20) 變頻櫃所有部件（jiàn）堅固可靠，能夠承受運輸，運行過程中（zhōng）的應力。

21) 變頻（pín）器內部設計合理，維護空間（jiān）大，通風冷卻能力（lì）強。

22) 變頻器滿足OSHA Hearing Conservation Standard 3074 國（guó）際標準，即距離變頻器（qì）1m的任（rèn）何地方，噪音等級≤ 85dB，最大隻有80dB。

23) 外部通訊接口豐富，支（zhī）持Modbus、TCP/IP、Profibus、DeviceNet等現場總線（xiàn）。

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) 友好的中文操作界麵，可實（shí）現參數修改，波形監控，故障報警信息顯示，本地控製等功能。

4.4方案說明

4.4.1變頻啟動時序

1) 控製係統上電（diàn）。

2) 係統自檢。

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（jiǎn），匹配電機參數。

7) 啟動電機，電（diàn）機（jī）升（shēng）速。

4.4.2電氣（qì）保（bǎo）護

變頻軟起動器（qì）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（gòng）過壓、過流、速斷、缺相、欠壓、三（sān）相不（bú）平衡、接地等保護；

工頻狀態下，係統通過工（gōng）頻電源開關（guān）QF10配備的電動機綜合微機保護和電動機（jī）差動微機（jī）保護裝置實現對電（diàn）動機的完全保（bǎo）護功能。

變頻軟起動（dòng）器與（yǔ）電源側工頻開關之間（jiān），存在（zài）非並網合閘條件下的（de）電（diàn）氣與邏輯雙（shuāng）重互鎖關係，避免非正常（cháng）狀態下變（biàn）頻（pín）軟起動器輸出側短路；

變頻軟起動器自動識別（bié）適配電動機功率，設（shè）定變（biàn）頻軟起動器自（zì）適應的（de）電動機控製模型、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（zǎi）、速斷、缺相、接地等完全電動機保護功能；

變頻狀態下，變頻軟（ruǎn）起對勵磁繞組提供過壓，過流（liú），過熱，失步等完善保護功能。

4.4.3連鎖條件

QF10和QS11，存（cún）在非並網切（qiē）換條件下的電氣與邏輯雙重互鎖關係（xì），防（fáng）止變頻軟起動器（qì）輸（shū）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（yā）隔離開關QS帶電分合操作等嚴重事故。

4.4.4電網衝（chōng）擊

激磁湧流櫃通過在變壓（yā）器一次側串接電阻來限製（zhì）變壓器合閘時的浪湧電（diàn）流衝擊，根據變壓（yā）器和電網的容量不同，峰值湧流可以控製在In~1.2In。合（hé）閘瞬間對電網無衝擊（jī）。

變頻器輸出側配備交流電抗器，可以有（yǒu）效避免由於變頻器輸出與電網合環過程中的電流衝擊和反灌，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（cháng）

變（biàn）頻器的（de）功率因數可達0.95以上，無需無功補（bǔ）償裝置（zhì）。

當安裝有無功補償裝置時，為（wéi）避免（miǎn）在電動機（jī）軟起動過程中可能出現的供電電網功率因數補償過（guò）補導致網側變壓（yā）器效率（lǜ）下降等情況，變頻軟（ruǎn）起動器可與電網無功補償裝置聯動（dòng）實現，或由動態無功（gōng）補償裝置自主實（shí）現無功（gōng）自動（dòng）調節，使得廠網側（cè）功率因數達到0.9~0.95。

4.4.6諧波

ATV1200係（xì）列高（gāo）壓變頻（pín）調速係統在電源側采用多重化整流技術，電網側諧波汙染小，對5、7次諧波的抑製可達到（dào）THDI<1%，總諧波奇變率小於2%，符合GB 14549－93標準和IEEE std 519-1992電能質量（liàng）標準對電壓、電流諧（xié）波失真度的要（yào）求，無需諧波濾波裝置。

ATV1200輸入諧波電流

ATV1200係列高壓變頻調（diào）速係統在電源側采用多（duō）重化整流技術，電網側諧波汙染小，對5、7次諧波的抑製可達到THDI<1%，總諧波奇變率小於2%，符合GB 14549－93標準和IEEE std 519-1992電（diàn）能質量標準對電壓、電流諧波失真度的要求，無（wú）需諧波濾波裝置

5 總結

密煉機對於施耐德/利德華福高壓傳動是一個比較新的應用，其主（zhǔ）要挑戰在於其過載能力（lì）要求以及對於機械友好控製的要求。施（shī）耐德/利德華（huá）福高壓變頻產品完全能夠（gòu）滿足其需（xū）求，能夠（gòu）提供精確的控製以及友好（hǎo）的機械特性，為密煉機的穩定高質量運（yùn）行提供可靠（kào）的技術保證。

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