永磁同步驅(qū)動在密煉機上的應用

王俊 ，楊小林 ，楊義志 ，孫偉

(1. 雙錢集團（江蘇）輪胎有限公司，江蘇 如皋 226500 ；2. 上海新時達機電科技有限公司，上海 201802)

密煉機作為橡膠行業(yè)中的最為關(guān)鍵的煉膠設(shè)備，無論是輪胎企業(yè)還是橡膠制品企業(yè)，都有著大量的密煉機正在使用。密煉機的性能與運行狀態(tài)直接影響橡膠類產(chǎn)品的制造工藝設(shè)計以及產(chǎn)品的最終質(zhì)量。同時，密煉機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。

密煉機的主驅(qū)動系統(tǒng)是整個密煉機的重要組成部分，主驅(qū)動由：電機驅(qū)動器、電機以及減速機組成，功率范圍從500～3 000 kW，電壓等級多為10 kV，少量為6 kV。主驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)劣直接決定了密煉機的生產(chǎn)能力和所需能耗，以及能否滿足更高標準的工藝要求。

密煉機主驅(qū)動技術(shù)，針對驅(qū)動器與電機，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)動系統(tǒng)發(fā)展到交流高壓變頻驅(qū)動系統(tǒng)，乃至目前最新的永磁同步驅(qū)動系統(tǒng)。由高壓變頻器+ 高壓永磁同步電機的驅(qū)動方式是目前密煉機主機驅(qū)動的最新技術(shù)方案。永磁同步驅(qū)動以其優(yōu)異的機械特性（與直流系統(tǒng)相當）、較低的能耗需求、快速的升降速響應等特點，正逐漸成為密煉機主機驅(qū)動的主流配置方案。

1 永磁同步電機簡介

1.1 永磁電機的結(jié)構(gòu)與原理

永磁同步電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，由永磁體來提供勵磁。從而使得電動機結(jié)構(gòu)較為簡單（圖1，圖2），降低了加工和裝配費用，且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，提高了電動機運行的可靠性；又因無需勵磁電流，沒有勵磁損耗，進而提高了電機的效率和功率密度。

圖1 永磁同步電機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 永磁同步電機轉(zhuǎn)子

1.2 永磁同步電機的特點

（1）永磁同步電機轉(zhuǎn)子本身就具有強磁場，所以不需要勵磁電流

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

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

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

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

1.3 在不同轉(zhuǎn)速下的異步電機與永磁同步電機效率對比曲線

以10 kV，1 250 kW 為例，見圖3。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的電機效率對比曲線

2 永磁同步驅(qū)動對于高壓變頻器的相關(guān)要求

密煉機上使用的永磁同步電機均采用變頻器驅(qū)動。不同的高壓變頻器對于永磁電機的驅(qū)動效果是不一樣的。無論是高壓變頻器本身的硬件結(jié)構(gòu)，還是針對永磁同步電機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)動效果，比如：帶載能力、系統(tǒng)能耗、快速啟停機等。

新時達公司憑借十余年密煉機永磁同步系統(tǒng)推廣的經(jīng)驗與案例，結(jié)合60 多個應用現(xiàn)場的實際應用效果，我們可以得出以下幾點經(jīng)驗和結(jié)論：

2.1 針對高壓變頻器結(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，變頻器運行效率更高。

（2）以每相輸入電壓690 V 計算，8 單元疊加后，線電壓為1.732×690×8=9 560 V，實際是達不到10 kV 的，所以9 級聯(lián)的帶載能力是強于8 級聯(lián)的。

（3）對于恒溫煉膠等新工藝，需要密煉機在帶載情況下實現(xiàn)快速加/ 減速的工藝要求來說，9 單元結(jié)構(gòu)比8 單元結(jié)構(gòu)能做到更短的加/ 減速時間，提高工藝性能。

2.2 針對永磁電機控制模式，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：一種是通過編碼器直接反饋電機轉(zhuǎn)速（閉環(huán)控制模式），另一種是通過觀測器和電機模型來計算電機轉(zhuǎn)速（開環(huán)控制模式）。

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

（4）體現(xiàn)在密煉機應用上，閉環(huán)控制時電機的啟動力矩更大。在突然加載大負載時，密煉機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不易跌落，能實現(xiàn)更快地加/ 減速工藝要求。

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

2.3 針對永磁電機控制算法

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

由于永磁同步電機的轉(zhuǎn)子是永磁體，無需通電轉(zhuǎn)子上即可保持有磁場。所以在對永磁同步電機進行控制時，與傳統(tǒng)的三相異步電機不同。比如在啟動的時候是需要確定轉(zhuǎn)子磁極位置角度，才能保證在啟動時保持較小的啟動電流，并同時產(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，對發(fā)揮永磁同步電機的節(jié)能特性，也起到了積極的作用。

2.4 MTPA 永磁同步驅(qū)動控制算法簡介

永磁同步電機實際的運行過程中，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)則來分配id、iq才能充分利用逆變器的容量，使電機出力達到最大，從而提高電機的運行效率。

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δ的一階導數(shù)等于零，二階導數(shù)小于零，即：

由一階導數(shù)為零解得：

代入到二階導數(shù)則有：

顯然此時f(δ) 的二階導數(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)矩電流比控制實際上是對磁阻轉(zhuǎn)矩的充分利用，其本質(zhì)是對轉(zhuǎn)矩角的控制，通過適當?shù)恼{(diào)整轉(zhuǎn)矩角使得電機在輸出一定電磁轉(zhuǎn)矩時定子電流最小。在逆變器的輸出容量一定時，采用這種控制策略，能進一步提高永磁同步電機的效率，同時減小逆變器的工作電流，對逆變器的器件的容量要求更小，功率器件的損耗也相對減少了。

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

表1 不同驅(qū)動方式對比

3 應用案例

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

3.1 案例一

雙錢集團（江蘇）輪胎有限公司對其一臺老式直流驅(qū)動系統(tǒng)的密煉機進行了高壓變頻器+ 永磁同步電機的改造，不但降低了能耗，減少了設(shè)備的故障率，同時提升了整體煉膠工藝，使得密煉機能滿足更高的工藝標準要求。

3.1.1 項目實施前情況

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

……（略）

3.1.1.2 密煉機直流驅(qū)動系統(tǒng)存在隱患

（1）原密煉機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達不到工藝要求的55 r/min，調(diào)到55 r/min 飛車，為密煉機驅(qū)動器本身問題；

（2）驅(qū)動器內(nèi)部損壞，有報警信號輸出，無法修理，屏蔽報警信號運行。

（3）原采用主、從雙驅(qū)動方式，GE 驅(qū)動器已運行14年，與其他機臺不通用，不穩(wěn)定，無法采用測速機反饋，采用測速機反饋兩驅(qū)動器負載不平衡，現(xiàn)采用電樞電壓反饋，高速時密煉機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過工藝范圍±1 轉(zhuǎn)。

3.1.1.3 密煉機直流主電機維護保養(yǎng)費用高

（1）原2 300 W 直流主電機經(jīng)多次維修后，勵磁電流無法達到額定電流39.9 A，驅(qū)動器調(diào)到額定勵磁電流后電機溫度高，電機勵磁線圈會燒壞，現(xiàn)只能降低勵磁電流至32 A 運行，電樞電流大，有時超過180%

（2）建廠以來此直流電機已修理超過4 次，每次費用超過15 萬，總修理費用已達60 萬元，修理次數(shù)過多，不再具有維修價值

（3）維護保養(yǎng)費用高，此電機碳刷370 元/ 只，每年碳刷更換費用超過3 萬元。

因存在上述問題，而高壓變頻驅(qū)動系統(tǒng)，更節(jié)能，接近免維護，故需進行改造更換。

3.1.2 實施方案與改造

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

……（略）

3.1.2.2 密煉機直流驅(qū)動改為高壓變頻驅(qū)動系統(tǒng)

將已使用14年的，有問題的GE 直流驅(qū)動器更換，改為高壓變頻裝置，驅(qū)動高壓變頻電機，高壓變頻器電源為原直流驅(qū)動器變壓器初級電源，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 密煉機直流主電機更換為高壓變頻永磁同步電機

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

3.1.3 綜合比較

L2 密煉機電器控制以及驅(qū)動系統(tǒng)改造后，現(xiàn)場故障處理將更方便，改造后目前現(xiàn)場隱患得到徹底排除，L2 運行更穩(wěn)定。直流電機和直流驅(qū)動器更換后，密煉機轉(zhuǎn)速可以達到工藝要求的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比直流電機節(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

3.2 案例二

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

（1）改造后經(jīng)用戶實際測量，兩臺密煉機的節(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）兩臺密煉機節(jié)能率的差異來源于所打膠料的配方不同和煉膠工藝的差異。

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

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)自動化技術(shù)的發(fā)展，以及永磁同步電機技術(shù)的不斷進步，相信在密煉機主機驅(qū)動上會有越來越多的永磁同步驅(qū)動系統(tǒng)的應用。一方面能大幅降低煉膠行業(yè)的電能消耗，積極響應國家節(jié)能降耗的要求；一方面憑借永磁同步驅(qū)動系統(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，為橡膠行業(yè)的整體進步做出貢獻。