摘要：本文介绍了汇川HD71系列高压变频器在密炼机上的应用，密炼机系统经过变频改造后，克服了传统调速方案带来的启动电流大、转矩响应时间长、配方单一等缺点，大大提高了密炼机系统的效率和胶料的质量。
关键词：炼胶行业、密炼机、高压变频器、磁链闭环矢量算法
一、概况
橡胶制品在我们的日常生活和生产过程中应用非常广泛，橡胶行业也是一个巨大的行业，中国每年都会有消耗几十万吨的橡胶制品，胶制品的主要原料是生胶、各种配合剂、以及作为骨架材料的纤维和金属材料，橡胶制品的基本生产工艺过程包括塑炼、混炼、压延、压出、成型、硫化6个基本工序。
图1 密炼机
橡胶的加工工艺过程主要是解决塑性和弹性矛盾的过程，通过各种加工手段，使得弹性的橡胶变成具有塑性的塑炼胶，再加入各种配合剂制成半成品，然后通过硫化把具有塑性的半成品又变成弹性高、物理机械性能好的橡胶制品。
密闭式炼胶机简称密炼机，主要用于橡胶的塑炼和混炼。密炼机是一种设有一对特定形状并相对回转的转子、在可调温度和压力的密闭状态下间隙性地对聚合物材料进行塑炼和混炼的机械，主要由密炼室、转子、转子密封装置、加料压料装置、卸料装置、传动装置及机座等部分组成。
目前，国内大多数厂家采用了工频恒速模式传动，电机通过减速机直接拖动密炼机转子运动：整个过程中，包括投入塑料胶及小料、分批加入大料、进一步翻捡，混合和分散、排料等几个不同的工艺阶段，但在电机恒速拖动下造成了以下几个问题：
1. 启动电流大
密炼机工频启动时，电机瞬间电流高达正常运行6~10倍，容易对电网造成影响，造成电网被拖垮，同时电机启动时冲击力矩过大，容易造成电机损坏。
2. 转矩响应时间长
密炼机运行周期一般在3-6min，其中高过载运行时间一般在2%左右，即3.6-7.2s，分两至三次进行，每次转矩响应要求在毫秒级时间内进行，长期工频运行电流冲击对电机损坏非常严重。
3. 配方单一
传统密炼机采用减速箱作为传动装置，减速机减速比单一，所以密炼机只能进行制定配方的混炼，如果需要更换配方，则需要对减速机进行改装，使之适应更改后配方的速度，这样会使生产周期延长，降低生产效率，减少用户效益。
4. 故障后无应急处理措施
密炼机负载变化大，响应时间短，所以对电机损害很大，当电机发生故障时，系统无法针对故障采取处理措施，导致胶料在密炼机容室内硬化，对机械和生产造成很大影响。
以上缺点都给企业造成了很多直接或间接的经济损失，这与现在创建节能型社会是不相符合的，因此对密炼机进行变频改造对节约社会能源、增加企业的经济效益都具有非常现实的经济意义和社会意义。
二、现场情况
山东某轮胎厂，一期工程包括4条全钢轮胎生产线和4条半钢生产线，每条生产线上配置有一台2500KW电机驱动的密炼机和一台1250KW电机驱动的密炼机，且每台密炼机都配置高压变频器进行调速，
该轮胎厂13年采购汇川高压变频器，并在13年10月份投运。
此应用挑选了全钢一台GK400的密炼机作为描述对象，密炼机相关技术参数如下：
三、方案描述
3.1变频系统介绍
根据密炼机对变频器的特殊要求，苏州汇川技术有限公司选配变频器的型号为HD71-J100/2500-DB，该产品是苏州汇川技术有限公司专门针对密炼机而开发的行业转机，该变频器采用先进的磁链闭环控制，具有启动无冲击、过载能力强、低频大转矩、点动排胶、单元旁路、操作方便、质量可靠等优点。
3.1.1一次系统方案图
图2 系统图
3.1.2 HD71控制原理及技术特点
电网电压经主变压器隔离移相后为功率单元供电，每个功率单元为一个单相交-直-交电压型逆变器，单元串联星接后形成三相变频电源给高压电动机供电。根据串联单元级数的不同，产品分为6kV、10kV两个系列。主变压器采用移相整流方式，输入功率因数高，输入电压电流谐波小。满足IEEE519-1992和GB/T 14549-93对电压和电流最严格的谐波失真要求。无需任何功因补偿和谐波抑制装置。变频器输出采用多重化PWM技术，输出为近乎完美的正弦波，无须加输出滤器。电动机谐波损耗小，转矩脉动小，无明显电动机噪声。电动机不需降额使用。输出dV/dt和共模电压小，对电动机无附加电应力损害。
图3产品原理图
功率单元采用三相交流输入，整流滤波后形成直流电压，经IGBT H桥逆变后输出脉宽调制（PWM）电压。功率单元控制板由IGBT驱动电路和监测保护电路、光纤通信电路、单元旁路电路和控制电源组成。运行中功率单元故障时，变频器可将故障单元自动旁路并继续运行，等到情况允许时再停机排除故障。
汇川公司HD71采用功率单元级联式技术路线，矢量控制高压变频器，控制核心采用DSP+ARM+FPGA组成，指令在纳秒级完成，因此控制波形和逆变波形可以实时校验。具有国际领先的技术！
公司所有高压产品均进行满载72小时测试，除一些保护功能外，磁链闭环矢量控制技术、高频技术、快速叠频技术、Syn-transfer技术、非对称旁路技术、双路控制电源等功能，这些功能技术上处于国际领先水平。
公司的电力电子，自动控制和计算机等领域具有理论水平和实践经验的优秀科研队伍，长期致力于电力电子领域各类产品的开发研制，对于关系产品质量的生产工艺也作了大量的完善和改进，如：其中层叠直流母线的制作工艺保证了直流母线的分布电感最小，有效抑制了功率器件在开关过程中的di/dt电压尖峰；高密度FPGA贴片工艺保证了控制器在恶劣环境下能够长期稳定运行；整流桥、功率器件和电解电容的安装工艺使整个系统的离散性达到最小，保证质量和性能的高度一致性。为保障质量和效率，公司还研制了各类具有特色的和方便使用的工艺调试工装，建全了相应的质量管理体系。
1) 磁链闭环矢量算法
HD71系列高压变频器具备独有的磁链闭环矢量控制技术，是高压变频器领域最好的控制算法，它通过定子坐标系进行磁通、转矩、转速闭环控制，采用励磁电流与转矩电流解耦控制，综合了转子闭环矢量控制技术和DTC系统之所长，弥补各自的主要不足，使得控制系统具有静／动态性能好、鲁棒性强、调速范围大等优点，特别适用于要求低频大转矩、调速精度高的场合。
2）快速单元旁路技术
HD71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，在单元配备旁路功能（可选）的情况下，通过非对称旁路技术可以使系统不停机运行。HD71的快速单元旁路技术可以实现比传统旁路方案更高的电压输出幅值。
图4非对称旁路技术示意图
3) FVC-SVC无扰相互切换
通过矢量算法在电机编码器故障时自动切换至无编码器控制模式，减少由于编码器故障造成的影响。
此项技术对于密炼机控制精度和生产效率有很大的提升，有效解决了因编码器故障造成的停产（编码器故障时别家公司易造成停机，影响极大），目前其他公司无此技术。
图5 FVC-SVC无扰切换示意图
4) 大功率点动技术
在正常工作时，HD71驱动密炼机电机正常运动；当密炼机系统发生故障或发生堵胶现象时，变频器可以通过点动功能进行点动排胶，减少了用户因此造成的工时、工料的浪费。
5）高可靠性器件
核心器件IGBT、整流二极管、高品质电容、主控制芯片ARM、DSP、FPGA等均选用高品质器件，保证了运行的高可靠性，生命周期长。
6） 远程监控方案
在无线通讯模式中，通过3G技术的支持，数据中心可以24小时对工艺运行过程中变频调速系统相关数据进行实时采集、监控。具有以下优势：故障报警及时，安全系数高；减少了现场维护数据采集、监控的工作量：数据记录准确：网络无线监控，降低了客户在OSI网络架构物理层建设的投入。
四、变频改造优势
变频调速作为近年来兴起的一门新技术，它是通过改变电源频率来实现速度的调节，因其具有调速平稳、瞬态稳定性高、节能等特性越来越被人们所重视。相比传统调速方式，其优势如下：
1) 简化了配方更换的过程。不同的胶料在炼制过程中需要不同的速度和温度，采用传统方案，每一次更改配方都需要改变减速机减速比，费时费力，严重影响了生产效率；
2) 实现了密炼机的软启动功能。密炼机启动负载重，长期运行易使减速箱高速杆断裂，造成重大经济损失。
3) 启动平滑，输出转矩大，冲击小，可实现重载启动。
4) 转矩响应快。密炼机需要快速进行高低转矩的切换，汇川技术独特的电流跟踪技术可轻易的解决此项问题。
5) 有效的减少了密炼机系统故障对生产的影响，可通过故障时点动功能快速排料，继续生产。
6) 节能。密炼机在投料和排料阶段通过低速进行，有效的降低能量消耗，节约能源成本。
五、结束语
汇川HD71系列高压变频器已经在密炼机行业有几十台的应用，标志着苏州汇川技术有限公司生产的高压变频器对密炼机行业的特殊应用已经达到了国内领先水平，而先进的磁链闭环控制算法更是国际首创，同时针对密炼机特殊的工艺需求，我们配置了点动排胶、单元旁路、闭环切开环等功能，大大提高了密炼机的生产效率，降低了设备的维护量，降低了能耗。
六、现场应用照片
图6 整机照片
图7 电流波形
