化纖高速紡絲機的高效經濟變頻調速技術改造

一、概述

八十年代是我國紡織、化纖行業突飛猛進的發展時期，許多企業在這期間大量引進了德國、意大利、日本等發達國家的紡織化纖設備。而這個時期也正處于通用交流變頻調速技術的起步階段，采用可控硅(SCR)作為開關元件的變頻器逐步推廣應用，而采用大功率晶體管(GTR)作為開關元件的變頻器剛剛走出實驗室而未得到廣泛應用。所以當時我國引進的紡織化纖設備中其配套電氣調速系統所采用的基本上為SCR變頻器。
我們知道，可控硅(SCR)作為電力電子器件因其較高的耐壓大電流特性及簡易可靠的導通控制特點，直至今日仍廣泛應用于直流調速系統中。但可控硅的關斷必須通過高反壓才能實現，因此應用于變頻調速器里其附加裝置較多，體積大，同時其開關頻率必然受到限制，載波頻率一般只有幾百HZ，對于大功率變頻器則更低，輸出波形很差，影響到電機的運行。
鑒于當時電子技術的發展，變頻器的控制電路只能大量采用分離元件，各種調節器及信號發生器都是模擬電路，控制精度低，穩定性差，濕漂大，可靠性也低。隨著使用時間的增加，設備逐漸老化，變頻器的故障逐年增多，因此造成燒毀電機的數量也越來越多。化纖設備采用的高速電機都是特殊電機，修理費每臺需2萬元人民幣，進口一塊控制板需要數萬元。可見現有設備的運行費用是很高的。
隨著現代微電子及電力電子技術的發展，全數字化、高開關頻率、矢量控制特點的變頻調速器已全面推向市場，變頻器的成本也大大下降。采用先進變頻器改造原可控硅變頻調速系統是一種高效、經濟的選擇，1998年我們采用當時國際上較先進的日本三墾LF系列及IF系列變頻器改造了兩條德國巴馬格(Barmag)POY、FDY高速紡絲機，并取得了極好的效果。

二、原調速系統特點及現狀

長沙錦綸廠前紡POY、FDY紡絲生產線中有三條生產線，為德國巴馬格(Barmag)公司產品，其電氣調速系統采用西門子SIMOVET-V變頻器集中控制，每條生產線的傳動由四臺變頻器完成，另兩臺變頻器驅動計量泵電機及油劑泵電機。每條生產線共有16個位(卷繞機)，每個位含一個摩擦輥電機( 2.0KW)及一個槽輥電機( 0.9 KW),16個摩擦輥電機由一臺“運行”變頻器驅動，工作頻率為25-212HZ。16個槽輥電機由另一臺“運行”變頻器驅動，工作頻率為50-325HZ。每個卷繞機單獨起動，由于摩擦輥及槽輥的機械慣性較大，各自需要一臺“起動”變頻器起動，當“起動”變頻器的輸出頻率等于“運行”變頻器的輸出頻率時，該卷繞機的兩臺電機即切換到“運行”變頻器驅動。每個卷繞機單元的電氣傳動電路如圖一。

三、改造方案的提出

高速紡絲機的變頻調速技術改造一般有兩套方案，一是由“集中”調速改為“分散”控制。即每個位(卷繞機)采用兩臺變頻器分別驅動摩擦輥及槽輥電機，這樣每個位都可單獨控制，相互之間沒有電控方面的聯系，避免原來四臺變頻器中任何一臺變頻器故障而造成全線停機，也便于新產品的開發研制及小批量多品種的生產，也可取代化纖實驗機。德國巴馬格(Barmag)公司九十年代新出的紡絲機即采用這種方式，國內一些廠家也有采用此方式的改造方案，但這種方案投資太大，全機需要三十二臺變頻器，加上計量泵電機和油劑泵電機，則需要六十四臺變頻器，據悉北方一家長絲廠采用此方案僅變頻器就投資了一百多萬元。
考慮到每個位不必完全以不同轉速運轉，且同一時期不可能同時試制16個品種，本著“高效、經濟”的原則，我們采用了另一種方案，其特點如下：
保留原有系統，增加切換電路，使新增的三墾高性能變頻器可以控制原有的16個位，也可以控制7個位或8個位或1個位，這樣可以用一個位試制新產品，也可以用三墾變頻器控制7個或8個位生產小批訂單，另9個位或8個位采用原SCR變頻器生產另一個品種，實現一機兩品種，以滿足銷售部門和用戶的要求。改造后的每個卷繞機單元的電氣傳動電路如圖二。其中，當起動變頻器的輸出頻率等于原運行變頻器的輸出頻率時，如將電機通過K22和K24切換到原運行變頻器，該卷繞機可生產原產品；如將電機通過KXM和KXC切換到新運行變頻器，該卷繞機可生產新產品。通過這兩組接觸器的不同組合，即可調整產品結構。

四、系統調試

本項技改的調試，除每單元卷繞機的兩個電機及其接觸器接線正確外，卷繞機的擺頻設定及起動變頻器與新運行變頻器的切換最為關鍵。
日本三墾LF及IF系列變頻器內含有專為化纖高速紡絲機所設計的擾動運轉模式,可以方便地完成卷繞機的擺頻設定, 擾動運轉模式示意圖及相應指令碼如圖三。

圖3 擾動運轉模式示意圖

由于摩擦輥及槽輥的機械慣性較大，當起動變頻器的輸出頻率等于運行變頻器的輸出頻率時切換，不會產生電氣沖擊。改造后系統新增運行變頻器的輸出頻率與原運行變頻器不同，如較高，切換時將產生大電流。較低時切換，將產生過電壓（切換時電機處于發電狀態）。所以新增運行變頻器的容量選擇應有一定余量，同時應配備制動單元和制動電阻。工程上可按下式計算附加制動電阻的阻值：
Uc2
R =
1.047(TB-0.2Te)n
從式中可以得出，當制動轉矩TB >0.2Te時，即制動轉矩小于額定轉矩20%以下時，無需設置制動電阻，也就是不需考慮制動方案，由電機內部的有功損耗作用下可以將中間直流回路電壓限制在過電壓保護動作值以下。式中的制動轉矩TB 可按下式計算機：

(GD2M+GD2L)(n1-n2)
TB = TL
375ts
式中 GD2M—電機的GD2，由電機特性查得N.m
GD2L—負載拆算到電機軸上的GD2N.
TL—負載轉矩N.m
n1—減速開始時的速度r/min
n2—減速完了時的速度r/min
ts—減速時間s
由于任一時刻電機由起動變頻器向運行變頻器切換時，只有一個單元卷繞機投入，所產生的沖擊電流不會很大。經過計算機，選擇37KW及22KW變頻器并配備兩套BU-430制動單元及DB-430制動電阻。實際運行時并未出現過電流及過電壓跳閘。

五、結論

1．本項技改克服了原設備集中控制的弊端，改造后可對16個位進行分組控制，必要時可互相轉換，互不干擾，便于試制新產品及小批量各品種生產。
2．可靠性高。原調速系統中變頻器發生故障，可將16個位全部切換到新調速系統中運行，切換過程只需幾分鐘即可完成。
3．新調速系統采用日本三墾公司九十年代后期新產品LF及IF系列變頻器，分別采用準32位及32位CPU，頻率設定分辨率為0.01HZ，精度高于原變頻器20倍。開關模塊分別采用IGBT及IPM模塊，最高載波頻率可達14KHZ，靜噪音，運行電流小，有完善的各種保護功能。LF及IF變頻器具有擾動運轉模式，此功能專為化纖高速紡設計，可將化纖紡絲的工藝參數直接在變頻器上以數字方式設定，其中LF系列變頻器還可在運行時直接從面板顯示器中讀出或修改擾動參數(擺頻參數)，并顯示實際運行轉速，深得工藝人員的歡迎。
4．投資少，改造一條生產線全部投資十幾萬元。
5．改造工期短，安裝調試方便，僅停機一個小時即可完成調試并投入運行，占地面積小。
6．當月投資當月見效。改造后的生產線上生產出原來不能生產的新產品，其市場售價高出老產品2000元/噸左右，僅此一項利潤即可三月內收回投資。
7．節能。電機運行電流為原系統運行電流的80%左右。
8．設備投運以來，新變頻器未發現任何故障，沒有燒毀一臺電動機，綜合往年的統計，每年節省維修費用約十五萬元。
可見高速紡絲機的“分組”變頻調速技術改造是一種高效、經濟的方案。