1、工作原理簡述和負(fù)載特性
  本廠SBS后處理系統(tǒng)的膨脹干燥烘干機(jī)采用螺桿擠壓膨脹干燥（簡稱膨脹干燥烘干機(jī)），從脫水?dāng)D壓機(jī)來的膠團(tuán)靠自重進(jìn)入膨脹干燥烘干機(jī)的入口，經(jīng)過膨脹干燥烘干機(jī)的螺桿擠壓加工成小膠粒，再送到下—步工序。從膨脹干燥烘干機(jī)入口進(jìn)入的膠團(tuán)，當(dāng)溫度下降時(shí)，粘度減小，硬度增大。螺桿轉(zhuǎn)動時(shí)，膠團(tuán)沿螺槽向前運(yùn)動，在機(jī)內(nèi)膠團(tuán)因摩擦和被擠壓將產(chǎn)生一定的熱量。在一定的溫度和壓力下，通過轉(zhuǎn)速的控制才能使擠出的膠粒的大小、形狀、及硬度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，從而保障最終產(chǎn)品SBS橡膠的質(zhì)量。
    膨脹干燥烘干機(jī)的負(fù)載屬于恒轉(zhuǎn)矩性負(fù)載，而且在開車、停車和非正常運(yùn)行時(shí)，處理膠量大小以及膠團(tuán)硬度、粘度的變化都將引起負(fù)載的大幅波動，這就要求膨脹干燥烘干機(jī)要有非�？斓膭討B(tài)響應(yīng)，才能使得擠壓出來的膠粒質(zhì)量均勻，  達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)。另外，當(dāng)發(fā)生事故停車時(shí)，由于膨脹干燥烘干機(jī)內(nèi)膠團(tuán)溫度的下降，膠團(tuán)硬度增大，使膠團(tuán)凝固在膨脹干燥烘干機(jī)的螺槽內(nèi)，需要很大的啟動轉(zhuǎn)矩，才能帶動螺桿重新轉(zhuǎn)動。
2、原系統(tǒng)問題和新系統(tǒng)的要求
    本廠SBS后處理膨脹干燥烘干機(jī)原來用一臺液力偶合器調(diào)速，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)液力耦合器的調(diào)速能力不能滿足生產(chǎn)要求：①負(fù)荷的大幅波動造成開車不順利，速度無法控制，經(jīng)常達(dá)不到一次開車成功的要求，浪費(fèi)很多原料；②調(diào)速范圍比較有限，不能滿足工藝要求；⑧事故停車造成膨脹干燥烘干機(jī)堵膠，大量的時(shí)間浪費(fèi)在清理堵膠上；④對膨脹干燥烘干機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)不夠，曾造成螺桿與腔體粘連的重大設(shè)備事故。
    針對原系統(tǒng)的上述不足，分別從生產(chǎn)工藝上和電力系統(tǒng)上對新系統(tǒng)提出如下要求。
2,1生產(chǎn)工藝方面
  ①要求啟動、運(yùn)行平穩(wěn)，適應(yīng)負(fù)載：②要求調(diào)速范圍寬，以便尋找到最優(yōu)轉(zhuǎn)速從而滿足SBS膠粒膨化的需要；③要求提高膨脹干燥烘干機(jī)的動態(tài)響應(yīng)速度，使擠出的膠粒質(zhì)量均勻，達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)；④對膨脹干燥烘干機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采取嚴(yán)格的保護(hù)措施，避免重大設(shè)備事故的發(fā)生。
2.2電力系統(tǒng)方面
①要求變頻調(diào)速系統(tǒng)對電網(wǎng)的諧波污染小，功率因數(shù)高；②盡量減少電氣的運(yùn)行維護(hù)工作量。⑧變頻調(diào)速系統(tǒng)對電機(jī)的du/dt、共模電壓等參數(shù)要足夠小，以減少變頻調(diào)速對電動機(jī)絕緣壽命的影響。
3技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
    首先從采用直流調(diào)速還是交流調(diào)速的大方向上進(jìn)行了比較。直流調(diào)速的控制簡單，調(diào)速性能好，交流裝置（晶閘管整流裝置）的容量小，在上世紀(jì)90年代以前在調(diào)速傳動中一直占統(tǒng)治地位。直流調(diào)速換向器的換向能力限制了電機(jī)的容量和速度。直流電動機(jī)的極限是容量和速度之積約為106kWr/min，本工程需配置的驅(qū)動電動機(jī)為
560kW、1500r/min.  560kW×1500r/min=0.84×106kWr/min，已接近臨界值，設(shè)計(jì)制造困難。
    交流電動機(jī)的調(diào)速控制復(fù)雜，主要表現(xiàn)為異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。其控制設(shè)備、轉(zhuǎn)換設(shè)備比較復(fù)雜。但在90年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和矢量控制理論的真正普及應(yīng)用，交流調(diào)速的性能也能做到和直流一樣，裝置成本降低到與直流傳動相當(dāng)或略低的程度。從性能、購置成本以及運(yùn)行維護(hù)成本的角度出發(fā)，通過詳細(xì)討論，我們決定采用交流調(diào)速。
    交流調(diào)速在結(jié)構(gòu)方案選擇上有高—高、高一中、高—低三種方案，價(jià)格基本上是依次遞減，高—高方案與高一中方案原理基本相同，或采用高壓IGBT，或采用低壓IGBT串聯(lián)，性價(jià)比還是高沖方案比較合理：高—低方案雖然價(jià)格低不少，但需要增加變壓器、低壓開關(guān)柜和低壓電纜等設(shè)備，電機(jī)接線端子要特殊制作，因此高-f氐方案不宜采取。
    由于膨脹干燥烘干機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)電機(jī)繞組的電流不減少，散熱量不減少，而現(xiàn)場電機(jī)為自然風(fēng)冷，風(fēng)扇與轉(zhuǎn)子同軸。這樣低速散熱是個(gè)大問題，宜采用強(qiáng)制風(fēng)冷型變頻器專用電動機(jī)。經(jīng)過綜合考慮，選擇了美國羅賓康公司生產(chǎn)的完美無諧波高一中形式的高壓變頻器（以下簡稱羅賓康高壓變頻器）和佳木斯電機(jī)廠生產(chǎn)的與羅賓康高壓變頻器配套的變頻器專用電動機(jī)。表1、表2分別為電動機(jī)及變頻器的表數(shù)表。
4、羅賓康高壓變頻器對電網(wǎng)與電機(jī)的影響分析
   如圖1，選用的3300V羅賓康高壓變頻器，它的輸入變壓器實(shí)行多重化設(shè)計(jì)，整流電路是18脈沖結(jié)構(gòu)，在變壓器二次繞組分配時(shí)，組成同一相位組的3個(gè)2次繞組，分別給分屬于電動機(jī)三相的功率單元供電，這樣，即使在電動機(jī)電流出現(xiàn)不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達(dá)到理想的諧波抵消效果。這種變頻器不加任何諧波濾波器就可滿足供電部門對電壓和電流諧波失真的要求。理論上17次以下的諧波都可以完全消除。這就是完美無諧波概念的由來。是標(biāo)準(zhǔn)的“綠色”電力電子產(chǎn)品，從本質(zhì)上解決諧波污染問題。
    由于羅賓康高壓變頻器采用二極管整流的電壓源型結(jié)構(gòu)，電動機(jī)所需的無功功率可由濾波電
容提供，電動機(jī)所需的無功電流也不會象電流源型變頻器那樣直接“反射”到電網(wǎng)，所以輸入功率因數(shù)較高，可保持在0.95以上。
    由圖2可見羅賓康完美無諧波變頻器在不同負(fù)載系數(shù)下功率因數(shù)都相當(dāng)高，保持在0.95以上。實(shí)際上變頻器的輸入功率因數(shù)應(yīng)該為式(1)中，r是輸入功率因數(shù)，v是基波因子，cos∮是位移因子，輸入功率因數(shù)為基波因子與位移因子的乘積。由于羅賓康高壓變頻器的諧波很小，基波因子相當(dāng)大，總的輸入功率因數(shù)就非常高，對電網(wǎng)的不利影響就非常小。
    在三相電動機(jī)中，產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩的主要是6n±1次諧波。脈動轉(zhuǎn)矩在低速時(shí)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響尤為明顯。因?yàn)�，對三相電動機(jī)而言，由于6n±1次諧波的存在，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為：式中：%為轉(zhuǎn)矩脈動分量的最大值；w為變頻器輸出基波電壓的角頻率。
根據(jù)電動機(jī)運(yùn)動方程，可得由于諧波原因引起的電動機(jī)轉(zhuǎn)速的脈動分量為
    由式(3)可知，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動有以下規(guī)律：轉(zhuǎn)速脈動頻率分別為電動機(jī)基波角頻率w1，的6n倍，其幅值與變頻器輸出的基波角頻率a)l(或頻率f0成反比，即輸出頻率(或電動機(jī)轉(zhuǎn)速)越低，轉(zhuǎn)速波動越大，也就是說，電動機(jī)在低速情況下，對輸出諧波抑制的要求更高。轉(zhuǎn)速脈動幅值與變頻器輸出諧波次數(shù)N成反比，即低次諧波引起的轉(zhuǎn)速脈動比高次諧波的影響更大。
    18脈沖整流、13電平PWM調(diào)制的羅賓康完美無諧波高壓變頻器輸出電流諧波的次數(shù)高(17次以上)，幅值較低，因此，即使在10Hz的低速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速脈動分量也非常小。
    目前，變頻器輸出電壓變化率du/dt對電動機(jī)絕緣產(chǎn)生的影響問題也越來越嚴(yán)重。du/dt取決于兩方面：①電壓跳變臺階的幅值，它與變頻器的電壓等級和主電路結(jié)構(gòu)有關(guān)；②逆變器功率單元的開關(guān)速度，開關(guān)速度越高，du/dt越大。
    普通電壓源型變頻器由于輸出電壓跳變臺階較大，相電壓的跳變分別達(dá)到直流母線電壓和一半的直流母線電壓，同時(shí)由于逆變器功率器件的開關(guān)速度較快，會產(chǎn)生大的du/dt。單元串聯(lián)多電平變頻器最大的相電壓跳變等于一個(gè)單元的直流母線電壓，對3 300V電壓等級的變頻器其值約為800V，功率單元所用IGBT開通時(shí)電壓上升時(shí)間為0.3s，du/dt約為3 000V/s，MGI標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍是1s內(nèi)從10%的相電壓峰值變換到90%的電壓峰值，對3 300V電動機(jī)其值約為2 000V/s。
5、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試
5.1變頻器參數(shù)調(diào)試
    變頻器參數(shù)調(diào)試如表3所示。
    關(guān)于表3部分參數(shù)設(shè)定原則和計(jì)算說明如下。
    1)膨脹干燥烘干機(jī)VCU的設(shè)計(jì)制造商WE公司認(rèn)為，VCU必須從小量開始穩(wěn)步加量，才能有效控制較穩(wěn)定的壓力與溫度。因此，配合工藝上在開車時(shí)，逐步增加進(jìn)入膨脹干燥烘干機(jī)入口的膠團(tuán)數(shù)量，先選擇了多組加減速時(shí)間，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，配合其他參數(shù)加速時(shí)間為60s，減速時(shí)間為35s，能夠非常穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)正常開停車。
2)低頻補(bǔ)償點(diǎn)的調(diào)試主要考慮負(fù)載的啟動轉(zhuǎn)矩，在前面的負(fù)載特性分析中提到，當(dāng)發(fā)生事故停車時(shí)，由于膨脹干燥烘干機(jī)內(nèi)膠團(tuán)溫度的下降，膠團(tuán)硬度增大，使膠團(tuán)凝固在膨脹干燥烘干機(jī)的螺槽內(nèi)，需要很大的啟動轉(zhuǎn)矩。才能使電動機(jī)再啟動。低頻下轉(zhuǎn)矩提升的原則是在負(fù)載能平穩(wěn)啟動的原則下，應(yīng)盡量調(diào)低些，否則會引起勵磁電流增加太多，引起電動機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱。經(jīng)過模擬事故停車，反復(fù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)低頻補(bǔ)償點(diǎn)設(shè)定在12.6Rad時(shí)，效果很好，電動機(jī)的發(fā)熱很小，噪聲很低。
    3)當(dāng)發(fā)生電氣和工藝事故時(shí)要求變頻器迅速可靠地制動電動機(jī)，以保護(hù)工藝和電氣設(shè)備。為此，經(jīng)過仔細(xì)摸索，選擇了脈動頻率為277.5Hz，制動功率為0.250%時(shí)，能迅速可靠地制動停車。
    4)節(jié)能方式最小磁通的調(diào)節(jié)是為了保證在滿足電動機(jī)正常運(yùn)行所需磁場強(qiáng)度的情況下，使電動機(jī)定子勵磁電流所建立的磁通最小。以減少不必要的能量損失。
    5)自整定菜單功能提供電機(jī)數(shù)據(jù)和控制參數(shù)的自檢測。1級自整定決定電機(jī)的整定電阻和漏感，電機(jī)在此操作期間不轉(zhuǎn)動。2級自整定決定電機(jī)的空載電流和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電機(jī)在此操作期間是轉(zhuǎn)動的，但要求電機(jī)脫開負(fù)載。
    6)過載電流以電動機(jī)額定電流的110%進(jìn)行整定，過載時(shí)間選擇60s是為了避開短時(shí)沖擊負(fù)載。
    7)欠載電流按電動機(jī)額定電流的10%整定，以用于報(bào)警信號。高壓變頻器和高壓電動機(jī)在欠載時(shí)，電動機(jī)和變頻器的效率很低，無功損耗加大，功率因數(shù)降低，應(yīng)避免或縮短欠載運(yùn)行的時(shí)間。
    8)相不平衡限值和接地故障限值分別按電動機(jī)額定電流的30%整定。
5.2高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)試
    在完成變頻器單機(jī)調(diào)整及帶電動機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)后，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)試。其步驟為：
    1)將變頻器接入膨脹干燥烘干機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（包括到PLC的各個(gè)連線）由于后處理膨脹干燥烘干機(jī)調(diào)速操作尚處于摸索階段，變頻器轉(zhuǎn)速采取開環(huán)控制，根據(jù)返回給PLC的負(fù)載壓力和溫度值，人為判斷速度和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)值。
    2)調(diào)節(jié)4～20mA PLC電流指令信號，使之對應(yīng)最低和最高轉(zhuǎn)速。
    3)調(diào)節(jié)相應(yīng)的功能碼調(diào)整轉(zhuǎn)速表，電壓表等指示值，使之與實(shí)際參數(shù)相對應(yīng)。
    4)停燈及聲，光報(bào)警等信號實(shí)驗(yàn)。
    5)50%～100%負(fù)載試運(yùn)，根據(jù)情況，對加減速時(shí)間，轉(zhuǎn)矩提升，轉(zhuǎn)矩限定，電動機(jī)過載，低頻補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
    聯(lián)動調(diào)試情況限于篇幅，在此不做過多敘述。
6、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析和遺留問題
  在電氣技術(shù)指標(biāo)上，用羅賓康完美無諧波高壓變頻器為核心構(gòu)成的螺桿調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)測，諧波污染、共模電壓、du/dt和噪聲等各項(xiàng)電氣技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。
    在工藝指標(biāo)上，用羅賓康完美無諧波高壓變頻器為核心改造后的新調(diào)速系統(tǒng)可提供足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍，以適應(yīng)生產(chǎn)各種不同牌號的充油和不充油SBS橡膠。調(diào)速的精確度、開車和停車的平穩(wěn)度以及緊急停車的響應(yīng)速度都得到大幅提高，確保了順利開車和產(chǎn)出合格產(chǎn)品。
    在經(jīng)濟(jì)效益上，改進(jìn)后的系統(tǒng)由于運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)，已產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，通過實(shí)際測算，每年可節(jié)約電能約56萬千瓦時(shí)（按年70%開車時(shí)間計(jì)算），為本廠年節(jié)約資金28萬余元。
    工藝上沒能達(dá)到通過變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)SBS橡膠膨化的效果。據(jù)分析，主要是由于工藝上和設(shè)備上的問題影響SBS橡膠的膨化，今后在改進(jìn)工藝和設(shè)備的同時(shí)，將會更加完善變頻調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，使變頻器各項(xiàng)參數(shù)與工藝負(fù)載達(dá)到最優(yōu)匹配，配合生產(chǎn)需要實(shí)現(xiàn)SBS橡膠的膨化。
    總之，相信隨著工藝過程的逐步改善，新的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)將會在技術(shù)性能上更加完備，發(fā)揮更好的作用。