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烘干搅拌输送新闻动态
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高压变频技术在膨胀干燥烘干机调速中的应用
发布时间：2013-10-01 13:19 来源：未知
1、工作原理简述和负载特性
本厂SBS后处理系统的膨胀干燥烘干机采用螺杆挤压膨胀干燥（简称膨胀干燥烘干机），从脱水挤压机来的胶团靠自重进入膨胀干燥烘干机的入口，经过膨胀干燥烘干机的螺杆挤压加工成小胶粒，再送到下—步工序。从膨胀干燥烘干机入口进入的胶团，当温度下降时，粘度减小，硬度增大。螺杆转动时，胶团沿螺槽向前运动，在机内胶团因摩擦和被挤压将产生一定的热量。在一定的温度和压力下，通过转速的控制才能使挤出的胶粒的大小、形状、及硬度达到一定的标准，从而保障最终产品SBS橡胶的质量。
膨胀干燥烘干机的负载属于恒转矩性负载，而且在开车、停车和非正常运行时，处理胶量大小以及胶团硬度、粘度的变化都将引起负载的大幅波动，这就要求膨胀干燥烘干机要有非�？斓亩煊Γ拍苁沟眉费钩隼吹慕毫Ｖ柿烤�， 达到工艺标准。另外，当发生事故停车时，由于膨胀干燥烘干机内胶团温度的下降，胶团硬度增大，使胶团凝固在膨胀干燥烘干机的螺槽内，需要很大的启动转矩，才能带动螺杆重新转动。
2、原系统问题和新系统的要求
本厂SBS后处理膨胀干燥烘干机原来用一台液力偶合器调速，经过一段时间的运行，发现液力耦合器的调速能力不能满足生产要求：①负荷的大幅波动造成开车不顺利，速度无法控制，经常达不到一次开车成功的要求，浪费很多原料；②调速范围比较有限，不能满足工艺要求；⑧事故停车造成膨胀干燥烘干机堵胶，大量的时间浪费在清理堵胶上；④对膨胀干燥烘干机调速系统的保护不够，曾造成螺杆与腔体粘连的重大设备事故。
针对原系统的上述不足，分别从生产工艺上和电力系统上对新系统提出如下要求。
2,1生产工艺方面
①要求启动、运行平稳，适应负载：②要求调速范围宽，以便寻找到最优转速从而满足SBS胶粒膨化的需要；③要求提高膨胀干燥烘干机的动态响应速度，使挤出的胶粒质量均匀，达到工艺标准；④对膨胀干燥烘干机调速系统采取严格的保护措施，避免重大设备事故的发生。
2.2电力系统方面
①要求变频调速系统对电网的谐波污染小，功率因数高；②尽量减少电气的运行维护工作量。⑧变频调速系统对电机的du/dt、共模电压等参数要足够小，以减少变频调速对电动机绝缘寿命的影响。
3技术经济分析
首先从采用直流调速还是交流调速的大方向上进行了比较。直流调速的控制简单，调速性能好，交流装置（晶闸管整流装置）的容量小，在上世纪90年代以前在调速传动中一直占统治地位。直流调速换向器的换向能力限制了电机的容量和速度。直流电动机的极限是容量和速度之积约为106kWr/min，本工程需配置的驱动电动机为
560kW、1500r/min. 560kW×1500r/min=0.84×106kWr/min，已接近临界值，设计制造困难。
交流电动机的调速控制复杂，主要表现为异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。其控制设备、转换设备比较复杂。但在90年代以后，随着电力电子技术的发展和矢量控制理论的真正普及应用，交流调速的性能也能做到和直流一样，装置成本降低到与直流传动相当或略低的程度。从性能、购置成本以及运行维护成本的角度出发，通过详细讨论，我们决定采用交流调速。
交流调速在结构方案选择上有高—高、高一中、高—低三种方案，价格基本上是依次递减，高—高方案与高一中方案原理基本相同，或采用高压IGBT，或采用低压IGBT串联，性价比还是高冲方案比较合理：高—低方案虽然价格低不少，但需要增加变压器、低压开关柜和低压电缆等设备，电机接线端子要特殊制作，因此高-f氐方案不宜采取。
由于膨胀干燥烘干机为恒转矩负载，低速运行时电机绕组的电流不减少，散热量不减少，而现场电机为自然风冷，风扇与转子同轴。这样低速散热是个大问题，宜采用强制风冷型变频器专用电动机。经过综合考虑，选择了美国罗宾康公司生产的完美无谐波高一中形式的高压变频器（以下简称罗宾康高压变频器）和佳木斯电机厂生产的与罗宾康高压变频器配套的变频器专用电动机。表1、表2分别为电动机及变频器的表数表。
4、罗宾康高压变频器对电网与电机的影响分析
如图1，选用的3300V罗宾康高压变频器，它的输入变压器实行多重化设计，整流电路是18脉冲结构，在变压器二次绕组分配时，组成同一相位组的3个2次绕组，分别给分属于电动机三相的功率单元供电，这样，即使在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证各相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果。这种变频器不加任何谐波滤波器就可满足供电部门对电压和电流谐波失真的要求。理论上17次以下的谐波都可以完全消除。这就是完美无谐波概念的由来。是标准的“绿色”电力电子产品，从本质上解决谐波污染问题。
由于罗宾康高压变频器采用二极管整流的电压源型结构，电动机所需的无功功率可由滤波电
容提供，电动机所需的无功电流也不会象电流源型变频器那样直接“反射”到电网，所以输入功率因数较高，可保持在0.95以上。
由图2可见罗宾康完美无谐波变频器在不同负载系数下功率因数都相当高，保持在0.95以上。实际上变频器的输入功率因数应该为式(1)中，r是输入功率因数，v是基波因子，cos∮是位移因子，输入功率因数为基波因子与位移因子的乘积。由于罗宾康高压变频器的谐波很小，基波因子相当大，总的输入功率因数就非常高，对电网的不利影响就非常小。
在三相电动机中，产生脉动转矩的主要是6n±1次谐波。脉动转矩在低速时对电动机转速的影响尤为明显。因为，对三相电动机而言，由于6n±1次谐波的存在，产生的电磁转矩为：式中：%为转矩脉动分量的最大值；w为变频器输出基波电压的角频率。
根据电动机运动方程，可得由于谐波原因引起的电动机转速的脉动分量为
由式(3)可知，电动机的转矩脉动有以下规律：转速脉动频率分别为电动机基波角频率w1，的6n倍，其幅值与变频器输出的基波角频率a)l(或频率f0成反比，即输出频率(或电动机转速)越低，转速波动越大，也就是说，电动机在低速情况下，对输出谐波抑制的要求更高。转速脉动幅值与变频器输出谐波次数N成反比，即低次谐波引起的转速脉动比高次谐波的影响更大。
18脉冲整流、13电平PWM调制的罗宾康完美无谐波高压变频器输出电流谐波的次数高(17次以上)，幅值较低，因此，即使在10Hz的低速运转情况下，电动机的转速脉动分量也非常小。
目前，变频器输出电压变化率du/dt对电动机绝缘产生的影响问题也越来越严重。du/dt取决于两方面：①电压跳变台阶的幅值，它与变频器的电压等级和主电路结构有关；②逆变器功率单元的开关速度，开关速度越高，du/dt越大。
普通电压源型变频器由于输出电压跳变台阶较大，相电压的跳变分别达到直流母线电压和一半的直流母线电压，同时由于逆变器功率器件的开关速度较快，会产生大的du/dt。单元串联多电平变频器最大的相电压跳变等于一个单元的直流母线电压，对3 300V电压等级的变频器其值约为800V，功率单元所用IGBT开通时电压上升时间为0.3s，du/dt约为3 000V/s，MGI标准允许的范围是1s内从10%的相电压峰值变换到90%的电压峰值，对3 300V电动机其值约为2 000V/s。
5、高压变频调速系统调试
5.1变频器参数调试
变频器参数调试如表3所示。
关于表3部分参数设定原则和计算说明如下。
1)膨胀干燥烘干机VCU的设计制造商WE公司认为，VCU必须从小量开始稳步加量，才能有效控制较稳定的压力与温度。因此，配合工艺上在开车时，逐步增加进入膨胀干燥烘干机入口的胶团数量，先选择了多组加减速时间，经过反复实验确认，配合其他参数加速时间为60s，减速时间为35s，能够非常稳定的实现正常开停车。
2)低频补偿点的调试主要考虑负载的启动转矩，在前面的负载特性分析中提到，当发生事故停车时，由于膨胀干燥烘干机内胶团温度的下降，胶团硬度增大，使胶团凝固在膨胀干燥烘干机的螺槽内，需要很大的启动转矩。才能使电动机再启动。低频下转矩提升的原则是在负载能平稳启动的原则下，应尽量调低些，否则会引起励磁电流增加太多，引起电动机严重发热。经过模拟事故停车，反复实验确认低频补偿点设定在12.6Rad时，效果很好，电动机的发热很小，噪声很低。
3)当发生电气和工艺事故时要求变频器迅速可靠地制动电动机，以�；すひ蘸偷缙璞�。为此，经过仔细摸索，选择了脉动频率为277.5Hz，制动功率为0.250%时，能迅速可靠地制动停车。
4)节能方式最小磁通的调节是为了保证在满足电动机正常运行所需磁场强度的情况下，使电动机定子励磁电流所建立的磁通最小。以减少不必要的能量损失。
5)自整定菜单功能提供电机数据和控制参数的自检测。1级自整定决定电机的整定电阻和漏感，电机在此操作期间不转动。2级自整定决定电机的空载电流和转子的转动惯量，电机在此操作期间是转动的，但要求电机脱开负载。
6)过载电流以电动机额定电流的110%进行整定，过载时间选择60s是为了避开短时冲击负载。
7)欠载电流按电动机额定电流的10%整定，以用于报警信号。高压变频器和高压电动机在欠载时，电动机和变频器的效率很低，无功损耗加大，功率因数降低，应避免或缩短欠载运行的时间。
8)相不平衡限值和接地故障限值分别按电动机额定电流的30%整定。
5.2高压变频调速系统联动调试
在完成变频器单机调整及带电动机空运转后，进行系统联动调试。其步骤为：
1)将变频器接入膨胀干燥烘干机调节系统（包括到PLC的各个连线）由于后处理膨胀干燥烘干机调速操作尚处于摸索阶段，变频器转速采取开环控制，根据返回给PLC的负载压力和温度值，人为判断速度和转矩调节值。
2)调节4～20mA PLC电流指令信号，使之对应最低和最高转速。
3)调节相应的功能码调整转速表，电压表等指示值，使之与实际参数相对应。
4)停灯及声，光报警等信号实验。
5)50%～100%负载试运，根据情况，对加减速时间，转矩提升，转矩限定，电动机过载，低频补偿等关键参数进行调整。
联动调试情况限于篇幅，在此不做过多叙述。
6、高压变频调速系统运行结果分析和遗留问题
在电气技术指标上，用罗宾康完美无谐波高压变频器为核心构成的螺杆调速系统，经实测，谐波污染、共模电压、du/dt和噪声等各项电气技术指标均达到国家标准。
在工艺指标上，用罗宾康完美无谐波高压变频器为核心改造后的新调速系统可提供足够宽的调速范围，以适应生产各种不同牌号的充油和不充油SBS橡胶。调速的精确度、开车和停车的平稳度以及紧急停车的响应速度都得到大幅提高，确保了顺利开车和产出合格产品。
在经济效益上，改进后的系统由于运行稳定，产品适应性强，已产生了明显的经济效益，通过实际测算，每年可节约电能约56万千瓦时（按年70%开车时间计算），为本厂年节约资金28万余元。
工艺上没能达到通过变频调速实现SBS橡胶膨化的效果。据分析，主要是由于工艺上和设备上的问题影响SBS橡胶的膨化，今后在改进工艺和设备的同时，将会更加完善变频调速系统的参数设置，使变频器各项参数与工艺负载达到最优匹配，配合生产需要实现SBS橡胶的膨化。
总之，相信随着工艺过程的逐步改善，新的高压变频调速系统将会在技术性能上更加完备，发挥更好的作用。
