雙輥筒開放式煉膠機電力拖動系統(tǒng)改造

李 欣，張寶林

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

1 引言

江銅集團（德興）橡膠實業(yè)有限公司煉膠車間主要煉膠生產設備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，經常出現(xiàn)過載運行狀態(tài)，導致電機轉速下降和長時間過流，引起設備堵轉，從而影響設備生產處理工效。通過討論分析，決定采用KSM1-315L1-7.5型90kW開關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就是將切好的天然膠放在開煉機上塑煉，達到工藝要求后，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，承擔著絕大部分橡膠制品生產任務，在生產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，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詬病。

3 開關磁阻電機調速系統(tǒng)結構、原理特征及特點

隨著大功率半導體及控制技術進步， 開關磁阻電機調速系統(tǒng)已經是智能化和模塊化，不僅調速性能優(yōu)越，而且各種保護功能也很完善，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，即將電能轉換成機械能，也可將機械能轉換成電能。實際系統(tǒng)由開關磁阻電動機（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 開關磁阻電動機（SRM）結構特征

開關磁阻電機是系統(tǒng)中實現(xiàn)能量轉換的部件，它與傳統(tǒng)的感應電動機相比，具有本質的區(qū)別。在結構上SRM采用雙凸極形式，即定子、轉子均為凸極式結構，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。當轉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按一定邏輯關系切換定子繞組的通電相序，即可形成連續(xù)旋轉的力矩。開關磁阻電機調速系統(tǒng)的調速功能是由開關磁阻電動機轉子位置檢測器、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 開關磁阻電機調速系統(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部件。通過它將電源能量 饋入電動機，也可將電動機內的磁場儲能反饋回電源。其功率變換電路所用的開關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 開關磁阻電機結構圖

3.3 開關磁阻電機調速系統(tǒng)主要特點

（1）高效節(jié)能：在很寬的調速范圍和負載范圍內，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，高起動轉矩：起動轉矩達到額定轉矩的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)越的調速性能：可根據(jù)負載要求任意調節(jié)轉速，調速比可達1∶50；轉速控制精度＜0.1%；

（4）可頻繁啟停及正反轉切換：在有制動單元及制動功率滿足要求情況下，啟停及正反轉切換每小時可達一千次以上；

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

（6）生產工藝簡單，可靠性高及全數(shù)字化設計，可聯(lián)網(wǎng)遠程控制。

4 開放式煉膠機電力拖動系統(tǒng)改造基礎工作

（1）考察分析原有驅動系統(tǒng)的弊端和具體需要改進的性能和項目；

（2）組織技術人員對煉膠生產設備XK-560A型雙輥筒開放式煉膠機電力拖動系統(tǒng)在安全、經濟效益等方面進行了詳細分析了解，選定改造方案；

（3）根據(jù)改造方案，組織技術人員設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)控制原理圖設計并生產了智能動力柜和控制箱（如圖4）；

（5）通過技術人員的現(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）技術人員對改造后的系統(tǒng)進行能耗數(shù)據(jù)跟蹤記錄，同時對新系統(tǒng)的生產使用情況進行跟蹤控制；

（7）匯總梳理了新老系統(tǒng)在設備在正常生產狀態(tài)下的各項能耗數(shù)據(jù)，進行了各項數(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)，設計并自主完成生產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、調試工作，改造后使用效果良好。改造后無需改變原操作習慣，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)化了設備的堵轉保護功能，顯著提升了生產作業(yè)時的安全系數(shù)；利用開關磁阻電機和配套的SRD控制系統(tǒng)固有特性，優(yōu)化了設備的停機方式，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)全年累計有效生產時間= 471.64t*1000/98.24kg/h=4800.89h

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

全年累計節(jié)省有效生產時間= 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）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，確保設備能夠快速停機，提升了設備制動的快速性和準確性，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 在堵轉保護方面

在設備生產運行過程中，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，嚴重情況下甚至導致電機被動停機。新系統(tǒng)通過優(yōu)化堵轉保護功能，在檢測到電機最大轉矩工作轉速降至200r/min后，電機主動停機，防止堵轉發(fā)生，重新調整原料多少后，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，不再擔心堵轉發(fā)生，快速拉閘動作。

6 結語

由以上分析可見，設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。