本廠SBS后處理系統的膨脹干燥烘干機采用螺桿擠壓膨脹干燥（簡稱膨脹干燥烘干機），從脫水擠壓機來的膠團靠自重進入膨脹干燥烘干機的入口，經過膨脹干燥烘干機的螺桿擠壓加工成小膠粒，再送到下—步工序。從膨脹干燥烘干機入口進入的膠團，當溫度下降時，粘度減小，硬度增大。螺桿轉動時，膠團沿螺槽向前運動，在機內膠團因摩擦和被擠壓將產生一定的熱量。在一定的溫度和壓力下，通過轉速的控制才能使擠出的膠粒的大小、形狀、及硬度達到一定的標準，從而保障最終產品SBS橡膠的質量。
膨脹干燥烘干機的負載屬于恒轉矩性負載，而且在開車、停車和非正常運行時，處理膠量大小以及膠團硬度、粘度的變化都將引起負載的大幅波動，這就要求膨脹干燥烘干機要有非常快的動態響應，才能使得擠壓出來的膠粒質量均勻， 達到工藝標準。另外，當發生事故停車時，由于膨脹干燥烘干機內膠團溫度的下降，膠團硬度增大，使膠團凝固在膨脹干燥烘干機的螺槽內，需要很大的啟動轉矩，才能帶動螺桿重新轉動。
2、原系統問題和新系統的要求
本廠SBS后處理膨脹干燥烘干機原來用一臺液力偶合器調速，經過一段時間的運行，發現液力耦合器的調速能力不能滿足生產要求：①負荷的大幅波動造成開車不順利，速度無法控制，經常達不到一次開車成功的要求，浪費很多原料；②調速范圍比較有限，不能滿足工藝要求；⑧事故停車造成膨脹干燥烘干機堵膠，大量的時間浪費在清理堵膠上；④對膨脹干燥烘干機調速系統的保護不夠，曾造成螺桿與腔體粘連的重大設備事故。
針對原系統的上述不足，分別從生產工藝上和電力系統上對新系統提出如下要求。
2,1生產工藝方面
①要求啟動、運行平穩，適應負載：②要求調速范圍寬，以便尋找到最優轉速從而滿足SBS膠粒膨化的需要；③要求提高膨脹干燥烘干機的動態響應速度，使擠出的膠粒質量均勻，達到工藝標準；④對膨脹干燥烘干機調速系統采取嚴格的保護措施，避免重大設備事故的發生。
2.2電力系統方面
①要求變頻調速系統對電網的諧波污染小，功率因數高；②盡量減少電氣的運行維護工作量。⑧變頻調速系統對電機的du/dt、共模電壓等參數要足夠小，以減少變頻調速對電動機絕緣壽命的影響。
3技術經濟分析
首先從采用直流調速還是交流調速的大方向上進行了比較。直流調速的控制簡單，調速性能好，交流裝置（晶閘管整流裝置）的容量小，在上世紀90年代以前在調速傳動中一直占統治地位。直流調速換向器的換向能力限制了電機的容量和速度。直流電動機的極限是容量和速度之積約為106kWr/min，本工程需配置的驅動電動機為
560kW、1500r/min. 560kW×1500r/min=0.84×106kWr/min，已接近臨界值，設計制造困難。
交流電動機的調速控制復雜，主要表現為異步電動機的數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統。其控制設備、轉換設備比較復雜。但在90年代以后，隨著電力電子技術的發展和矢量控制理論的真正普及應用，交流調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或略低的程度。從性能、購置成本以及運行維護成本的角度出發，通過詳細討論，我們決定采用交流調速。
交流調速在結構方案選擇上有高—高、高一中、高—低三種方案，價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，性價比還是高沖方案比較合理：高—低方案雖然價格低不少，但需要增加變壓器、低壓開關柜和低壓電纜等設備，電機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為恒轉矩負載，低速運行時電機繞組的電流不減少，散熱量不減少，而現場電機為自然風冷，風扇與轉子同軸。這樣低速散熱是個大問題，宜采用強制風冷型變頻器專用電動機。經過綜合考慮，選擇了美國羅賓康公司生產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）和佳木斯電機廠生產的與羅賓康高壓變頻器配套的變頻器專用電動機。表1、表2分別為電動機及變頻器的表數表。
4、羅賓康高壓變頻器對電網與電機的影響分析
如圖1，選用的3300V羅賓康高壓變頻器，它的輸入變壓器實行多重化設計，整流電路是18脈沖結構，在變壓器二次繞組分配時，組成同一相位組的3個2次繞組，分別給分屬于電動機三相的功率單元供電，這樣，即使在電動機電流出現不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達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。是標準的“綠色”電力電子產品，從本質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構，電動機所需的無功功率可由濾波電
容提供，電動機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，所以輸入功率因數較高，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載系數下功率因數都相當高，保持在0.95以上。實際上變頻器的輸入功率因數應該為式(1)中，r是輸入功率因數，v是基波因子，cos∮是位移因子，輸入功率因數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，基波因子相當大，總的輸入功率因數就非常高，對電網的不利影響就非常小。
在三相電動機中，產生脈動轉矩的主要是6n±1次諧波。脈動轉矩在低速時對電動機轉速的影響尤為明顯。因為，對三相電動機而言，由于6n±1次諧波的存在，產生的電磁轉矩為：式中：%為轉矩脈動分量的最大值；w為變頻器輸出基波電壓的角頻率。
根據電動機運動方程，可得由于諧波原因引起的電動機轉速的脈動分量為
由式(3)可知，電動機的轉矩脈動有以下規律：轉速脈動頻率分別為電動機基波角頻率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(或電動機轉速)越低，轉速波動越大，也就是說，電動機在低速情況下，對輸出諧波抑制的要求更高。轉速脈動幅值與變頻器輸出諧波次數N成反比，即低次諧波引起的轉速脈動比高次諧波的影響更大。
18脈沖整流、13電平PWM調制的羅賓康完美無諧波高壓變頻器輸出電流諧波的次數高(17次以上)，幅值較低，因此，即使在10Hz的低速運轉情況下，電動機的轉速脈動分量也非常小。
目前，變頻器輸出電壓變化率du/dt對電動機絕緣產生的影響問題也越來越嚴重。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構有關；②逆變器功率單元的開關速度，開關速度越高，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到直流母線電壓和一半的直流母線電壓，同時由于逆變器功率器件的開關速度較快，會產生大的du/dt。單元串聯多電平變頻器最大的相電壓跳變等于一個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開通時電壓上升時間為0.3s，du/dt約為3 000V/s，MGI標準允許的范圍是1s內從10%的相電壓峰值變換到90%的電壓峰值，對3 300V電動機其值約為2 000V/s。
5、高壓變頻調速系統調試
5.1變頻器參數調試
變頻器參數調試如表3所示。
關于表3部分參數設定原則和計算說明如下。
1)膨脹干燥烘干機VCU的設計制造商WE公司認為，VCU必須從小量開始穩步加量，才能有效控制較穩定的壓力與溫度。因此，配合工藝上在開車時，逐步增加進入膨脹干燥烘干機入口的膠團數量，先選擇了多組加減速時間，經過反復實驗確認，配合其他參數加速時間為60s，減速時間為35s，能夠非常穩定的實現正常開停車。
2)低頻補償點的調試主要考慮負載的啟動轉矩，在前面的負載特性分析中提到，當發生事故停車時，由于膨脹干燥烘干機內膠團溫度的下降，膠團硬度增大，使膠團凝固在膨脹干燥烘干機的螺槽內，需要很大的啟動轉矩。才能使電動機再啟動。低頻下轉矩提升的原則是在負載能平穩啟動的原則下，應盡量調低些，否則會引起勵磁電流增加太多，引起電動機嚴重發熱。經過模擬事故停車，反復實驗確認低頻補償點設定在12.6Rad時，效果很好，電動機的發熱很小，噪聲很低。
3)當發生電氣和工藝事故時要求變頻器迅速可靠地制動電動機，以保護工藝和電氣設備。為此，經過仔細摸索，選擇了脈動頻率為277.5Hz，制動功率為0.250%時，能迅速可靠地制動停車。
4)節能方式最小磁通的調節是為了保證在滿足電動機正常運行所需磁場強度的情況下，使電動機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數據和控制參數的自檢測。1級自整定決定電機的整定電阻和漏感，電機在此操作期間不轉動。2級自整定決定電機的空載電流和轉子的轉動慣量，電機在此操作期間是轉動的，但要求電機脫開負載。
6)過載電流以電動機額定電流的110%進行整定，過載時間選擇60s是為了避開短時沖擊負載。
7)欠載電流按電動機額定電流的10%整定，以用于報警信號。高壓變頻器和高壓電動機在欠載時，電動機和變頻器的效率很低，無功損耗加大，功率因數降低，應避免或縮短欠載運行的時間。
8)相不平衡限值和接地故障限值分別按電動機額定電流的30%整定。
5.2高壓變頻調速系統聯動調試
在完成變頻器單機調整及帶電動機空運轉后，進行系統聯動調試。其步驟為：
1)將變頻器接入膨脹干燥烘干機調節系統（包括到PLC的各個連線）由于后處理膨脹干燥烘干機調速操作尚處于摸索階段，變頻器轉速采取開環控制，根據返回給PLC的負載壓力和溫度值，人為判斷速度和轉矩調節值。
2)調節4～20mA PLC電流指令信號，使之對應最低和最高轉速。
3)調節相應的功能碼調整轉速表，電壓表等指示值，使之與實際參數相對應。
4)停燈及聲，光報警等信號實驗。
5)50%～100%負載試運，根據情況，對加減速時間，轉矩提升，轉矩限定，電動機過載，低頻補償等關鍵參數進行調整。
聯動調試情況限于篇幅，在此不做過多敘述。
6、高壓變頻調速系統運行結果分析和遺留問題
在電氣技術指標上，用羅賓康完美無諧波高壓變頻器為核心構成的螺桿調速系統，經實測，諧波污染、共模電壓、du/dt和噪聲等各項電氣技術指標均達到國家標準。
在工藝指標上，用羅賓康完美無諧波高壓變頻器為核心改造后的新調速系統可提供足夠寬的調速范圍，以適應生產各種不同牌號的充油和不充油SBS橡膠。調速的精確度、開車和停車的平穩度以及緊急停車的響應速度都得到大幅提高，確保了順利開車和產出合格產品。
在經濟效益上，改進后的系統由于運行穩定，產品適應性強，已產生了明顯的經濟效益，通過實際測算，每年可節約電能約56萬千瓦時（按年70%開車時間計算），為本廠年節約資金28萬余元。
工藝上沒能達到通過變頻調速實現SBS橡膠膨化的效果。據分析，主要是由于工藝上和設備上的問題影響SBS橡膠的膨化，今后在改進工藝和設備的同時，將會更加完善變頻調速系統的參數設置，使變頻器各項參數與工藝負載達到最優匹配，配合生產需要實現SBS橡膠的膨化。
總之，相信隨著工藝過程的逐步改善，新的高壓變頻調速系統將會在技術性能上更加完備，發揮更好的作用。
