王俊 ，楊小林 ，楊義志 ，孫偉

(1. 雙錢集團(tuán)（江蘇）輪胎有限公司，江蘇 如皋 226500 ；2. 上海新時(shí)達(dá)機(jī)電科技有限公司，上海 201802)

密煉機(jī)作為橡膠行業(yè)中的最為關(guān)鍵的煉膠設(shè)備，無(wú)論是輪胎企業(yè)還是橡膠制品企業(yè)，都有著大量的密煉機(jī)正在使用。密煉機(jī)的性能與運(yùn)行狀態(tài)直接影響橡膠類產(chǎn)品的制造工藝設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的最終質(zhì)量。同時(shí)，密煉機(jī)的能耗也占到橡膠廠總能耗的40%～50%，是最為典型的高能耗設(shè)備。

密煉機(jī)的主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)密煉機(jī)的重要組成部分，主驅(qū)動(dòng)由：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)以及減速機(jī)組成，功率范圍從500～3 000 kW，電壓等級(jí)多為10 kV，少量為6 kV。主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)劣直接決定了密煉機(jī)的生產(chǎn)能力和所需能耗，以及能否滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的工藝要求。

密煉機(jī)主驅(qū)動(dòng)技術(shù)，針對(duì)驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)，經(jīng)歷近最近十余年的快速發(fā)展，已經(jīng)由早期的直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展到交流高壓變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，乃至目前最新的永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由高壓變頻器+ 高壓永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式是目前密煉機(jī)主機(jī)驅(qū)動(dòng)的最新技術(shù)方案。永磁同步驅(qū)動(dòng)以其優(yōu)異的機(jī)械特性（與直流系統(tǒng)相當(dāng)）、較低的能耗需求、快速的升降速響應(yīng)等特點(diǎn)，正逐漸成為密煉機(jī)主機(jī)驅(qū)動(dòng)的主流配置方案。

1 永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，由永磁體來(lái)提供勵(lì)磁。從而使得電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單（圖1，圖2），降低了加工和裝配費(fèi)用，且省去了容易出問(wèn)題的集電環(huán)和電刷，提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性；又因無(wú)需勵(lì)磁電流，沒(méi)有勵(lì)磁損耗，進(jìn)而提高了電機(jī)的效率和功率密度。

圖1 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子

1.2 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)

（1）永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子本身就具有強(qiáng)磁場(chǎng)，所以不需要?jiǎng)?lì)磁電流

（2）與異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上基本沒(méi)有損耗，相同功率和電壓的情況下，永磁電機(jī)的運(yùn)行電流更小、電壓更低，因而電機(jī)定子的銅耗也更小。

（3）由于電機(jī)整體的損耗更小，所以在電機(jī)效率上，永磁同步電機(jī)效率相比異步電機(jī)更高。

（4）永磁同步電機(jī)的效率始終大于異步電機(jī)的效率（全負(fù)載段、全轉(zhuǎn)速段）尤其在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)載/過(guò)載的情況，異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)的效率差異更大

（5）異步電機(jī)在非額定轉(zhuǎn)速、非額定負(fù)載（特別是輕負(fù)載）的情況下效率降低更為明顯

1.3 在不同轉(zhuǎn)速下的異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)效率對(duì)比曲線

以10 kV，1 250 kW 為例，見圖3。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)效率對(duì)比曲線

2 永磁同步驅(qū)動(dòng)對(duì)于高壓變頻器的相關(guān)要求

密煉機(jī)上使用的永磁同步電機(jī)均采用變頻器驅(qū)動(dòng)。不同的高壓變頻器對(duì)于永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效果是不一樣的。無(wú)論是高壓變頻器本身的硬件結(jié)構(gòu)，還是針對(duì)永磁同步電機(jī)的控制模式和控制算法，最終都將影響永磁同步系統(tǒng)最終的驅(qū)動(dòng)效果，比如：帶載能力、系統(tǒng)能耗、快速啟停機(jī)等。

新時(shí)達(dá)公司憑借十余年密煉機(jī)永磁同步系統(tǒng)推廣的經(jīng)驗(yàn)與案例，結(jié)合60 多個(gè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用效果，我們可以得出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論：

2.1 針對(duì)高壓變頻器結(jié)構(gòu)，“9 單元” 高壓變頻器優(yōu)于“8 單元” 高壓變頻器

（1）9 單元輸出比8 單元輸出電壓諧波更小，變頻器運(yùn)行效率更高。

（2）以每相輸入電壓690 V 計(jì)算，8 單元疊加后，線電壓為1.732×690×8=9 560 V，實(shí)際是達(dá)不到10 kV 的，所以9 級(jí)聯(lián)的帶載能力是強(qiáng)于8 級(jí)聯(lián)的。

（3）對(duì)于恒溫?zé)捘z等新工藝，需要密煉機(jī)在帶載情況下實(shí)現(xiàn)快速加/ 減速的工藝要求來(lái)說(shuō)，9 單元結(jié)構(gòu)比8 單元結(jié)構(gòu)能做到更短的加/ 減速時(shí)間，提高工藝性能。

2.2 針對(duì)永磁電機(jī)控制模式，閉環(huán)矢量控制模式優(yōu)于開環(huán)控制模式

（1）永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制方法。

（2）轉(zhuǎn)速環(huán)有兩種采樣方式：一種是通過(guò)編碼器直接反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速（閉環(huán)控制模式），另一種是通過(guò)觀測(cè)器和電機(jī)模型來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速（開環(huán)控制模式）。

（3）由于觀測(cè)器的采樣會(huì)有誤差與延時(shí)，所以閉環(huán)模式會(huì)比開環(huán)控制模式精度和響應(yīng)速度更快。

（4）體現(xiàn)在密煉機(jī)應(yīng)用上，閉環(huán)控制時(shí)電機(jī)的啟動(dòng)力矩更大。在突然加載大負(fù)載時(shí)，密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不易跌落，能實(shí)現(xiàn)更快地加/ 減速工藝要求。

（5）在閉環(huán)控制模式下，永磁電機(jī)的啟動(dòng)電流更小，對(duì)變頻器的沖擊也更小，系統(tǒng)負(fù)荷更低，更利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，減少故障率。

2.3 針對(duì)永磁電機(jī)控制算法

相比較傳統(tǒng)的ID=0 永磁控制算法，MTPA 是目前比較先進(jìn)永磁控制算法，MTPA 控制算法無(wú)論是控制效率和精度都更為優(yōu)秀。

由于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，無(wú)需通電轉(zhuǎn)子上即可保持有磁場(chǎng)。所以在對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，與傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)不同。比如在啟動(dòng)的時(shí)候是需要確定轉(zhuǎn)子磁極位置角度，才能保證在啟動(dòng)時(shí)保持較小的啟動(dòng)電流，并同時(shí)產(chǎn)生足夠大的力矩。在節(jié)能方面，采用了新型的MTPA（最大轉(zhuǎn)矩電流）控制模式，對(duì)發(fā)揮永磁同步電機(jī)的節(jié)能特性，也起到了積極的作用。

2.4 MTPA 永磁同步驅(qū)動(dòng)控制算法簡(jiǎn)介

永磁同步電機(jī)實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，直、交軸電流的分配受到電流極限圓和電壓極限橢圓的約束，運(yùn)行軌跡只能限制在二者的交集之內(nèi)。因此必須按照特定的規(guī)則來(lái)分配id、iq才能充分利用逆變器的容量，使電機(jī)出力達(dá)到最大，從而提高電機(jī)的運(yùn)行效率。

最大轉(zhuǎn)矩電流比控制是指在輸出轉(zhuǎn)矩恒定的情況下，通過(guò)合理分配id和iq，使得定子電流最小。MTPA 控制從定子電流矢量入手研究id、iq的分配原則，定子電流矢量is的幅值為is，轉(zhuǎn)矩電流之比可以表示為：

設(shè)關(guān)于轉(zhuǎn)矩角的函數(shù)：

則f(δ) 取得最大值的條件是其對(duì)δ的一階導(dǎo)數(shù)等于零，二階導(dǎo)數(shù)小于零，即：

由一階導(dǎo)數(shù)為零解得：

代入到二階導(dǎo)數(shù)則有：

顯然此時(shí)f(δ) 的二階導(dǎo)數(shù)小于零，因此函數(shù)f(δ)存在極大值，且極大值存在的條件，即轉(zhuǎn)矩與電流的比值存在最大值的條件。

式（6）即為MTPA 控制時(shí)id和iq的分配策略。

從上述分析可知，最大轉(zhuǎn)矩電流比控制實(shí)際上是對(duì)磁阻轉(zhuǎn)矩的充分利用，其本質(zhì)是對(duì)轉(zhuǎn)矩角的控制，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整轉(zhuǎn)矩角使得電機(jī)在輸出一定電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)定子電流最小。在逆變器的輸出容量一定時(shí)，采用這種控制策略，能進(jìn)一步提高永磁同步電機(jī)的效率，同時(shí)減小逆變器的工作電流，對(duì)逆變器的器件的容量要求更小，功率器件的損耗也相對(duì)減少了。

綜上所述，可以看出。高壓變頻器+ 永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，相比于直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或普通的交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有著更為優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)特性以及能耗表現(xiàn)，在這一驅(qū)動(dòng)模式下，既能實(shí)現(xiàn)與直流系統(tǒng)相似的機(jī)械特性輸出，又能最大程度地降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電能消耗：具體請(qǐng)見下列對(duì)比表1。

表1 不同驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比

3 應(yīng)用案例

永磁同步驅(qū)動(dòng)在密煉機(jī)上的應(yīng)用，除了常規(guī)的新機(jī)配套以外，在老式直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的改造上也有很大的潛在市場(chǎng)需求。相對(duì)于直流系統(tǒng)，永磁同步系統(tǒng)既能保持與原直流系統(tǒng)一樣優(yōu)秀的機(jī)械特性，又能在傳動(dòng)效率上大幅提升，降低系統(tǒng)的能耗。所以針對(duì)直流系統(tǒng)的永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造最能體現(xiàn)永磁同步驅(qū)動(dòng)的特性與優(yōu)點(diǎn)。以下將介紹兩個(gè)典型的直流系統(tǒng)改造為永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際案例。

3.1 案例一

雙錢集團(tuán)（江蘇）輪胎有限公司對(duì)其一臺(tái)老式直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的密煉機(jī)進(jìn)行了高壓變頻器+ 永磁同步電機(jī)的改造，不但降低了能耗，減少了設(shè)備的故障率，同時(shí)提升了整體煉膠工藝，使得密煉機(jī)能滿足更高的工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.1 項(xiàng)目實(shí)施前情況

3.1.1.1 密煉機(jī)電器控制系統(tǒng)（操作電控系統(tǒng)）故障頻繁，維修費(fèi)用高

……（略）

3.1.1.2 密煉機(jī)直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在隱患

（1）原密煉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)不到工藝要求的55 r/min，調(diào)到55 r/min 飛車，為密煉機(jī)驅(qū)動(dòng)器本身問(wèn)題；

（2）驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部損壞，有報(bào)警信號(hào)輸出，無(wú)法修理，屏蔽報(bào)警信號(hào)運(yùn)行。

（3）原采用主、從雙驅(qū)動(dòng)方式，GE 驅(qū)動(dòng)器已運(yùn)行14年，與其他機(jī)臺(tái)不通用，不穩(wěn)定，無(wú)法采用測(cè)速機(jī)反饋，采用測(cè)速機(jī)反饋兩驅(qū)動(dòng)器負(fù)載不平衡，現(xiàn)采用電樞電壓反饋，高速時(shí)密煉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)工藝范圍±1 轉(zhuǎn)。

3.1.1.3 密煉機(jī)直流主電機(jī)維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用高

（1）原2 300 W 直流主電機(jī)經(jīng)多次維修后，勵(lì)磁電流無(wú)法達(dá)到額定電流39.9 A，驅(qū)動(dòng)器調(diào)到額定勵(lì)磁電流后電機(jī)溫度高，電機(jī)勵(lì)磁線圈會(huì)燒壞，現(xiàn)只能降低勵(lì)磁電流至32 A 運(yùn)行，電樞電流大，有時(shí)超過(guò)180%

（2）建廠以來(lái)此直流電機(jī)已修理超過(guò)4 次，每次費(fèi)用超過(guò)15 萬(wàn)，總修理費(fèi)用已達(dá)60 萬(wàn)元，修理次數(shù)過(guò)多，不再具有維修價(jià)值

（3）維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用高，此電機(jī)碳刷370 元/ 只，每年碳刷更換費(fèi)用超過(guò)3 萬(wàn)元。

因存在上述問(wèn)題，而高壓變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，更節(jié)能，接近免維護(hù)，故需進(jìn)行改造更換。

3.1.2 實(shí)施方案與改造

3.1.2.1 密煉機(jī)電器控制系統(tǒng)（操作電控系統(tǒng)）更換

……（略）

3.1.2.2 密煉機(jī)直流驅(qū)動(dòng)改為高壓變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

將已使用14年的，有問(wèn)題的GE 直流驅(qū)動(dòng)器更換，改為高壓變頻裝置，驅(qū)動(dòng)高壓變頻電機(jī)，高壓變頻器電源為原直流驅(qū)動(dòng)器變壓器初級(jí)電源，高壓變頻器輸入電壓為6 kV，輸出為10 kV，見圖4 系統(tǒng)框圖。

圖4 改造后的系統(tǒng)框圖

3.1.2.3 密煉機(jī)直流主電機(jī)更換為高壓變頻永磁同步電機(jī)

將需要定期換碳刷、需要外送維護(hù)保養(yǎng)故障頻繁地直流電機(jī)改為高壓變頻永磁同步電機(jī)，省去維修保養(yǎng)費(fèi)用，同時(shí)更節(jié)能。

3.1.3 綜合比較

L2 密煉機(jī)電器控制以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造后，現(xiàn)場(chǎng)故障處理將更方便，改造后目前現(xiàn)場(chǎng)隱患得到徹底排除，L2 運(yùn)行更穩(wěn)定。直流電機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)器更換后，密煉機(jī)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到工藝要求的60 r/min，滿足工藝要求，且穩(wěn)定性和效率都得到了提升，同功率高壓變頻永磁電機(jī)比直流電機(jī)節(jié)能降耗10% 以上。

圖5 改造后的高壓變頻器

圖6 改造后的高壓永磁電機(jī)

3.2 案例二

昆山某大型輪胎廠，分別于2018年和2019年改造兩臺(tái)同型號(hào)、同規(guī)格的密煉機(jī)。密煉機(jī)原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為直流系統(tǒng)，電機(jī)功率1 500 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。改造為1 500 kW，10 kV 高壓變頻器+ 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

（1）改造后經(jīng)用戶實(shí)際測(cè)量，兩臺(tái)密煉機(jī)的節(jié)能率分別為13% 和19%，相比較原直流系統(tǒng)都有較大的節(jié)能降耗。

（2）兩臺(tái)密煉機(jī)節(jié)能率的差異來(lái)源于所打膠料的配方不同和煉膠工藝的差異。

（3）其中一臺(tái)密煉機(jī)用于生產(chǎn)該輪胎廠最“硬”的一種膠料配方，密煉機(jī)帶載情況下轉(zhuǎn)子0～60 轉(zhuǎn)升降速時(shí)間為9 s，極大地提升了煉膠工藝水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，以及永磁同步電機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信在密煉機(jī)主機(jī)驅(qū)動(dòng)上會(huì)有越來(lái)越多的永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用。一方面能大幅降低煉膠行業(yè)的電能消耗，積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗的要求；一方面憑借永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)秀的系統(tǒng)特性，積極助力于行業(yè)工藝的提升與改進(jìn)，為橡膠行業(yè)的整體進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。