李 欣，張寶林

（1. 江西銅業(yè)集團(tuán)（德興）實業(yè)有限公司，江西 德興 334224 ；2. 江銅集團(tuán)德興銅礦新技術(shù)廠，江西 德興 334224）

1 引言

江銅集團(tuán)（德興）橡膠實業(yè)有限公司煉膠車間主要煉膠生產(chǎn)設(shè)備XK-560A型雙輥筒開放式煉膠機，原使用衡水電機Y315L-8（電機功率90kW），啟動方式為星三角降壓啟動，控制系統(tǒng)為傳統(tǒng)的繼電器控制，正常運行電流在100-200A。由于在初次處理原膠過程中，經(jīng)常出現(xiàn)過載運行狀態(tài)，導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速下降和長時間過流，引起設(shè)備堵轉(zhuǎn)，從而影響設(shè)備生產(chǎn)處理工效。通過討論分析，決定采用KSM1-315L1-7.5型90kW開關(guān)磁阻電機替換老式交流異步電動機，用SRD控制系統(tǒng)替換傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)［1,5］。

2 雙輥筒開放式煉膠機的工藝流程及改造前存在的弊端

2.1 雙輥筒開放式煉膠機的工藝流程

如圖1、圖2所示XK-560A型雙輥筒開放式煉膠機主要工作任務(wù)就是將切好的天然膠放在開煉機上塑煉，達(dá)到工藝要求后，再和小料一起由密煉機煉制成混煉膠，再置于開煉機上加硫，然后出片儲存在陰涼干燥的庫房。

圖1 XK-560A型雙輥筒開放式煉膠機工藝流程圖

圖2 XK-560A型雙輥筒開放式煉膠機煉膠圖

2.2 雙輥筒開放式煉膠機改造前存在的弊端

XK-560A型輥筒開放式煉膠機，承擔(dān)著絕大部分橡膠制品生產(chǎn)任務(wù)，在生產(chǎn)工藝上的作用舉足輕重。原有的煉膠機電力拖動系統(tǒng)年代久遠(yuǎn)，控制方式落后，無功能耗過高，系統(tǒng)不穩(wěn)定，操作安全性不高，作業(yè)連續(xù)性無法保障等缺點飽受生產(chǎn)詬病。

3 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理特征及特點

隨著大功率半導(dǎo)體及控制技術(shù)進(jìn)步， 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)是智能化和模塊化，不僅調(diào)速性能優(yōu)越，而且各種保護(hù)功能也很完善，已在很多方面大量使用［4-5］。

該系統(tǒng)是由SRM（開關(guān)磁阻電動機）和SRD（控制器，包括信號處理與功率變換等）組成，并能將電功率與機械能互換輸入輸出的機電一體化裝置，即將電能轉(zhuǎn)換成機械能，也可將機械能轉(zhuǎn)換成電能。實際系統(tǒng)由開關(guān)磁阻電動機（SRM）、功率變換器、微控制器、電流及位置檢測器等5大部分組成［1-2］。

3.1 開關(guān)磁阻電動機（SRM）結(jié)構(gòu)特征

開關(guān)磁阻電機是系統(tǒng)中實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部件，它與傳統(tǒng)的感應(yīng)電動機相比，具有本質(zhì)的區(qū)別。在結(jié)構(gòu)上SRM采用雙凸極形式，即定子、轉(zhuǎn)子均為凸極式結(jié)構(gòu)，定子線圈采用集中式而不是分布式繞組；加在定子繞組上的電壓為不連續(xù)的矩形波而非連續(xù)的正弦波；轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片疊壓而成，既無繞組也無永磁體［1-4］。

其遵循“磁阻最小原理”，定子繞組通電后，磁路有向磁阻最小路徑變化的趨勢。當(dāng)轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極錯位時，氣隙大、磁阻大，一旦定子繞組通電，就會形成對轉(zhuǎn)子凸極的磁拉力，使氣隙變小，磁路磁阻變小。與此同時用電子開關(guān)按一定邏輯關(guān)系切換定子繞組的通電相序，即可形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)的力矩。開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速功能是由開關(guān)磁阻電動機轉(zhuǎn)子位置檢測器、功率變換器和控制器（微處理控制器）共同配合實現(xiàn)的。

3.2 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)控制原理特征

如圖3所示，功率變換器是連接電源和電動機繞組的開關(guān)部件。通過它將電源能量 饋入電動機，也可將電動機內(nèi)的磁場儲能反饋回電源。其功率變換電路所用的開關(guān)器件為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。SRD有兩種獨特的運行控制方式：低速時采用電流斬波控制方式；高速時采用單脈沖角度控制方式。

圖3 開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)圖

3.3 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)主要特點

（1）高效節(jié)能：在很寬的調(diào)速范圍和負(fù)載范圍內(nèi)，系統(tǒng)效率在90%以上，功率因數(shù)在0.9以上，空載電流小于額定電流的10%［6］；

（2）低起動電流，高起動轉(zhuǎn)矩：起動轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的150%時，起動電流僅為額定電流的30%；過載能力強；避免對電網(wǎng)的沖擊；

（3）優(yōu)越的調(diào)速性能：可根據(jù)負(fù)載要求任意調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，調(diào)速比可達(dá)1∶50；轉(zhuǎn)速控制精度＜0.1%；

（4）可頻繁啟停及正反轉(zhuǎn)切換：在有制動單元及制動功率滿足要求情況下，啟停及正反轉(zhuǎn)切換每小時可達(dá)一千次以上；

（5）電機結(jié)構(gòu)簡單，抗沖擊能力強：電動機轉(zhuǎn)子無繞組和永磁體，機械強度高，能夠長期耐受強沖擊與強振動負(fù)載；

（6）生產(chǎn)工藝簡單，可靠性高及全數(shù)字化設(shè)計，可聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制。

4 開放式煉膠機電力拖動系統(tǒng)改造基礎(chǔ)工作

（1）考察分析原有驅(qū)動系統(tǒng)的弊端和具體需要改進(jìn)的性能和項目；

（2）組織技術(shù)人員對煉膠生產(chǎn)設(shè)備XK-560A型雙輥筒開放式煉膠機電力拖動系統(tǒng)在安全、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析了解，選定改造方案；

（3）根據(jù)改造方案，組織技術(shù)人員設(shè)計并繪制開放式煉膠機電力拖動系統(tǒng)控制原理圖（如圖4為控制原理圖示意圖）；

圖4 開放式煉膠機電力拖動系統(tǒng)控制原理圖示意圖

（4）根據(jù)煉膠機電力拖動系統(tǒng)控制原理圖設(shè)計并生產(chǎn)了智能動力柜和控制箱（如圖4）；

（5）通過技術(shù)人員的現(xiàn)場安裝測試，成功實現(xiàn)新的動力系統(tǒng)安裝、測試工作；

（6）技術(shù)人員對改造后的系統(tǒng)進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)跟蹤記錄，同時對新系統(tǒng)的生產(chǎn)使用情況進(jìn)行跟蹤控制；

（7）匯總梳理了新老系統(tǒng)在設(shè)備在正常生產(chǎn)狀態(tài)下的各項能耗數(shù)據(jù)，進(jìn)行了各項數(shù)據(jù)的對比分析工作。

5 開放式煉膠機電力拖動系統(tǒng)改造前后效果對比

采用KSM1-315L1-7.5型90kW開關(guān)磁阻電機替換老式交流異步電動機，用SRD控制系統(tǒng)替換傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，設(shè)計并自主完成生產(chǎn)制作新的動力柜和控制箱，成功實現(xiàn)新的動力系統(tǒng)安裝、調(diào)試工作，改造后使用效果良好。改造后無需改變原操作習(xí)慣，操作簡單，短時間即可投入使用；改造后的機械特性良好，雙輥筒運行更加恒定可靠；優(yōu)化了設(shè)備的堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能，顯著提升了生產(chǎn)作業(yè)時的安全系數(shù)；利用開關(guān)磁阻電機和配套的SRD控制系統(tǒng)固有特性，優(yōu)化了設(shè)備的停機方式，刪除了原有的外部電磁抱閘機械制動裝置，減少了維護(hù)成本，提高了電機制動的可靠性。

5.1 能耗方面

雙輥筒開放式煉膠機電力拖動系統(tǒng)改造前后能耗對比如下表1、表2所示：其中有效工作日指除節(jié)假休息日、機床維修等停機時間后的有效工作天數(shù)。

表1 改造前的單位能耗統(tǒng)計表

改造前按照單位煉膠耗電量計算平均功率因素≈0.709。

表2 改造后的單位能耗統(tǒng)計表

改造后按照單位煉膠耗電量計算平均功率因素≈0.981。

有功電能節(jié)電率：（519.57-323.51）/519.57≈ 37.7%

無功電能節(jié)電率：（513.12-64.57）/513.12≈87.42%

按照2017年全年煉膠量471.64t，計算全年有功耗電量如下：

原系統(tǒng)全年綜合有功電能總量=471.64*519.57=245049.9948 kW/h

新系統(tǒng)全年綜合有功電能總量=471.64*323.51=152580.2564 kW/h

全年節(jié)省電量=245049.9948-152580.2564=92469.7384 kW/h

5.2 效率方面

雙輥筒開放式煉膠機電力拖動系統(tǒng)改造前后效率對比如下表3、表4所示：

表3 改造前的作業(yè)效率統(tǒng)計表

表4 改造后的作業(yè)效率統(tǒng)計表

作業(yè)效率提升率：（114.7-100.53）/100.53≈14.1%

原系統(tǒng)全年累計有效生產(chǎn)時間= 471.64t*1000/98.24kg/h=4800.89h

新系統(tǒng)全年累計有效生產(chǎn)時間= 471.64t*1000/114.7kg/h=4111.95h

全年累計節(jié)省有效生產(chǎn)時間= 4800.89h - 4111.95h=688.94h

按照每臺班6h有效工作時間計算，全年累計節(jié)省臺班=688.94/6=114.82個工班

5.3 安全操作方面

5.3.1 在緊急制動方面

新系統(tǒng)利用開關(guān)磁阻電機和SRD控制系統(tǒng)固有特性，通過特有的制動方式，有效實現(xiàn)（2min內(nèi)）緊急情況下電機呈線性狀態(tài)快速制動，從而帶動雙輥筒停止運轉(zhuǎn)，確保設(shè)備能夠快速停機，提升了設(shè)備制動的快速性和準(zhǔn)確性，同時減少了原有的抱閘線圈帶來的機械磨損，顯著提升了作業(yè)人員的作業(yè)安全系數(shù)。

5.3.2 在堵轉(zhuǎn)保護(hù)方面

在設(shè)備生產(chǎn)運行過程中，長期存在著過載工況，原有的系統(tǒng)在此工況下，會長時間出現(xiàn)電機溫升過高，嚴(yán)重情況下甚至導(dǎo)致電機被動停機。新系統(tǒng)通過優(yōu)化堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能，在檢測到電機最大轉(zhuǎn)矩工作轉(zhuǎn)速降至200r/min后，電機主動停機，防止堵轉(zhuǎn)發(fā)生，重新調(diào)整原料多少后，再重新啟動運行，相比原系統(tǒng)的異步機人工拉閘動作，安全系數(shù)更高提高，避免了操作工人的緊張情緒，不再擔(dān)心堵轉(zhuǎn)發(fā)生，快速拉閘動作。

6 結(jié)語

由以上分析可見，設(shè)備改造后不僅有功電能節(jié)電率高，節(jié)省了大量的耗電成本，同時大大減少了無功消耗，提升了功率因素；同時提升了作業(yè)效率，節(jié)省了作業(yè)臺班成本；并且有效提升了設(shè)備的安全系數(shù)，有利于供電系統(tǒng)性能及工作環(huán)境條件的改善。下一步工作將繼續(xù)跟蹤觀察開放式煉膠機電力拖動系統(tǒng)改造后的運行情況及改善正常工作情況下的制動功能。