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淺談變頻器調速技術(shù)在棉紡行業(yè)的廣闊前景
1 引言
我國加入wto后，由于紡織品配額壁壘的取消，中國的傳統產(chǎn)業(yè)“棉紡織品”憑其獨特的優(yōu)勢全方位進(jìn)軍國際市場(chǎng)，其出口量幾十倍，甚至成百倍地增長(cháng)。給國際，尤其是歐美市場(chǎng)帶來(lái)了新一輪的沖擊波。隨之而來(lái)的國際競爭也趨于白熱化，其競爭焦點(diǎn)也突出在質(zhì)量、品種和價(jià)格三大焦點(diǎn)。
如何提高和穩定質(zhì)量？如何降低成本？如何適應多品種小批量？這些問(wèn)題已成為棉紡廠(chǎng)老總日夜思考的主旋律。
以上三大問(wèn)題解決的迫切性，給交流變頻在棉紡行業(yè)的使用帶來(lái)了前所未有迅速發(fā)展的前景。
2 寬范圍的調速及軟啟動(dòng)能穩定可靠地保證棉紗質(zhì)量
(1) 目前不少棉紡老廠(chǎng)50%~60%以上的設備都是五十年代以前的，甚至解放前的設備還在使用。棉紗質(zhì)量競爭檔次的不斷提高已對這些設備構成了嚴重的威脅，要么淘汰，要么改造，別無(wú)他法�？墒窃藜徳O備中的a字頭梳棉機道夫傳動(dòng)都采用雙速電機及摩擦離合器形式，因此，從慢速生頭到快速運行時(shí)產(chǎn)生的意外牽伸及變速箱齒輪磨損產(chǎn)生的“打頓”使棉條重不勻及cv%嚴重超標，往往使成紗等級大幅下降甚至成為不合格品。
目前新開(kāi)發(fā)的梳棉機道夫傳動(dòng)已采用交流變頻加普通異步電動(dòng)機，由于變頻的升降速范圍很寬，可達0.1~3600秒，且取消變速箱，離合器，直接采用同步齒形帶傳動(dòng)道夫，升降速非常平穩，傳動(dòng)精度高，且無(wú)噪聲，它的使用從根本上克服了原a字頭梳棉機弊病，從而可確實(shí)可靠地保證棉條質(zhì)量。
(2) 原粗紗機一直采用錐形(鐵炮)變速機構，但錐形變速皮帶打滑導致變速不準，影響繞紗張力和成形不好的質(zhì)量問(wèn)題�，F采用交流變頻調速，去掉了錐形變速機構，使以上難題迎刃而解，從根本上把好了粗紗的質(zhì)量關(guān)。而對于細紗機來(lái)說(shuō)，由于新型機采用變頻調速器去掉了成行機構中的成型凸輪，進(jìn)而克服了由于成行凸輪所造成的桃底有停頓，桃頂有沖擊的難題，使細紗卷繞成形質(zhì)量大為提高。主電機采用變頻調速后，使得細紗在大、中、小紗時(shí)的轉速在變化，大大減少了細紗的斷頭率，使成紗質(zhì)量得到了可靠保證。
3 充分利用變頻的“節能”功能，可最大限度的降低產(chǎn)品成本
(1) 由于變頻器具有優(yōu)越的軟啟動(dòng)及恒扭矩功能，它可以在100%-150%扭矩下將異步電動(dòng)機的啟動(dòng)電流限制在額定電流附近。啟動(dòng)沖擊對電機容量及電網(wǎng)的限制條件已不存在。采用變頻后可徹底消除以前的大馬拉小車(chē)及電動(dòng)機功率過(guò)剩問(wèn)題。
以前由于不使用變頻器，為保證啟動(dòng)時(shí)有足夠的扭矩和減少對電網(wǎng)的沖擊，送風(fēng)及大慣量負載裝機功率往往高出所需功率的40%~50%，變壓器容量也高出實(shí)際很多。這樣非但設備投資有很大一塊浪費，而且電動(dòng)機、變壓器空載損耗(銅耗、鐵耗)的一塊電費也相當驚人。
(2) 風(fēng)機、空調變頻調速節能相當可觀(guān)
由流體力學(xué)可知，風(fēng)量q與轉速一次方成正比，壓力h與轉速的平方成正比;
q/qe=n/ne
h/he=(n/ne)2
p/pe =(n/ne)3
式中:qe—風(fēng)機的額定風(fēng)(流)量;
he—風(fēng)機的額定壓力;
pe—風(fēng)機的額定功率;
ne—風(fēng)機的額定轉速;
由式中可知，若風(fēng)機效率一定，當要求調節風(fēng)量下降時(shí)，轉速可成比例下降，此時(shí)風(fēng)機的輸出功率是成立方關(guān)系下降。
風(fēng)機在棉紡設備中應用量大、面廣，其傳動(dòng)絕大部分為大功率交流電機，耗電量在棉紡設備中是大戶(hù)。以前風(fēng)機都采用電機恒速傳動(dòng)，調節風(fēng)門(mén)的辦法調節風(fēng)量。這種調節方式雖然簡(jiǎn)單，但它是以增加管網(wǎng)損失，耗費大量能源為代價(jià)的。如采用“風(fēng)機專(zhuān)用變頻”來(lái)自動(dòng)調速，就可以從根本上防止電能浪費，單從公式p/pe=(n/ne)3來(lái)算，其節約的電費就可想而知了�？照{是棉紡廠(chǎng)離不開(kāi)的首選設備，據某大公司提供的數據，今年12臺空調使用變頻后節電24余萬(wàn)元，空調用電年耗平均下降了7個(gè)百分點(diǎn)。
(3) 變頻器的使用，使原有的傳動(dòng)機構發(fā)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍，它變得既簡(jiǎn)單，又可靠。拿梳棉機道夫傳動(dòng)來(lái)講，使用變頻取消了減速箱，慣性飛輪，帶電刷的電磁離合器及雙速電機后，以前維修工最頭痛、最繁忙的變速箱漏油問(wèn)題、齒輪磨損調換問(wèn)題、離合器失靈損壞問(wèn)題，工藝變化調換“變產(chǎn)”齒輪問(wèn)題已全不存在。變頻器的使用，使維修工工作量急劇下降;維修備件倉庫急劇萎縮;梳棉機的停臺率直線(xiàn)下降;而產(chǎn)量、質(zhì)量卻直線(xiàn)上升。反之，產(chǎn)品的成本亦將成倍下降！
4 變頻器的通訊方式
變頻器強大的通訊及軟件功能幾乎可與所有品牌的plc、工業(yè)式觸摸屏及工控機組成、靈活多變的數控系統(見(jiàn)圖1)。
圖1 變頻與plc通訊框圖
通過(guò)觸摸屏或鍵盤(pán)對軟件中的某些數據稍加改動(dòng)就可適應新的棉紡工藝。例如在梳棉機上只要改變其“總牽伸比”，“刺棍速度”、“蓋板速度”、“棉條重量”等參數，就可進(jìn)行新產(chǎn)品試制。使用這種模式后，產(chǎn)品更新快，批量形成早，產(chǎn)品在國際市場(chǎng)上的高速反應能力大大提高，形成你有我有，你無(wú)我有的大好局面。
5 交流變頻調速方案的選擇
設備的不同，電動(dòng)機種類(lèi)的不同，會(huì )出現多種不同的變頻調速方案。這里只討論三相鼠籠異步電動(dòng)機的調速方案。
(1) 開(kāi)環(huán)控制的通用變頻器調速系統控制框圖見(jiàn)圖2。圖2中vvvf—通用變頻器;m—異步電動(dòng)機。
圖2 開(kāi)環(huán)異步電動(dòng)變頻調速
該方案結構簡(jiǎn)單，調速范圍較寬，可靠性高，價(jià)格低廉。它基本能滿(mǎn)足一般調速精度不十分高的場(chǎng)合。是目前棉紡行業(yè)較普遍使用的經(jīng)濟實(shí)惠型品種。其缺點(diǎn)是調速精度較低，一般為2%左右，且低速性能不夠理想，轉速會(huì )隨負荷力矩而變動(dòng)。目前廣泛應用在風(fēng)機、水泵、空調等一般要求不高的紡機上。
圖3 矢量控制變頻調速
(2) 無(wú)速度傳感器的矢量控制變頻調速系統控制框圖如圖3所示，圖3中vvvf—矢量變頻器。
由于矢量變頻器可以分別對電動(dòng)機的磁通和轉距電流進(jìn)行檢測、控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令值和檢測實(shí)際值達到一致，從而實(shí)現了矢量控制。雖然它是開(kāi)環(huán)控制系統，但是大大提升了靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，轉速精度可達5%。轉速響應也較快。
在設備要求不是十分高的情況下，采用該方案是非常合適的，它可達到控制結構簡(jiǎn)單，可靠性又高的實(shí)效，該方案目前已在fa系列梳棉機上開(kāi)始使用并獲得比較理想的效果。
(3) 帶速度傳感器矢量控制變頻調速系統控制框圖如圖4所示。
圖4 矢量閉環(huán)控制變頻調速
矢量閉環(huán)變頻調速是一種最為理想的控制方式，他類(lèi)同于伺服、直流閉環(huán)調速，但性?xún)r(jià)比又大大優(yōu)于兩者。我廠(chǎng)已在fa218c梳棉機前后比例跟蹤上成功使用該方案，效果非常理想。該方案具有以下優(yōu)點(diǎn):
(a) 可以從零轉速起進(jìn)行速度控制，即甚低速亦能運行，調速范圍可達100:1或1000:1。
(b) 動(dòng)態(tài)響應快，轉速精度高。
(c) 加速度特性好，抗負載突變能力強。
其缺點(diǎn)是:價(jià)格較貴，按裝速度傳感器必須與電機同軸，且增加了反饋環(huán)節，這些都給安裝維護增加了一定技術(shù)難度。
因此對于轉速精度要求不是特別高，負載變化不是十分劇烈的場(chǎng)合，建議選用開(kāi)環(huán)矢量變頻調速系統為好。
6 對付變頻干擾的對策
變頻器內部由于存在igbt等高速工作開(kāi)關(guān)，故在電路中會(huì )出現分布電感和分布電容，他們之間的能量轉換產(chǎn)生振蕩現象，形成發(fā)射電磁波，從而產(chǎn)生高頻(1ghz左右)電磁噪聲或電磁干擾，干擾嚴重時(shí)將會(huì )導致弱電設備如plc、電子計數器、工控機等無(wú)法正常工作。為此必須采用相應措施:
(1) 布線(xiàn)時(shí)，變頻器主回路必須與信號回路垂直或離開(kāi)20-30公分。
(2) 信號線(xiàn)采用屏蔽線(xiàn)或者塑料絞合線(xiàn)，導線(xiàn)絞合后噪聲信號的大部分會(huì )相互抵消。
(3) 變頻必須使用單獨接地極，不能與其它動(dòng)力設備接地相連。且兩者相距最小為5米，更不能將變頻接地連在零線(xiàn)上。
(4) 頻率參數設置應盡量小于5khz。
(5) 時(shí)在變頻器的輸入、輸出端安裝變頻專(zhuān)用濾波器。
7 結論
隨著(zhù)變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和價(jià)格的大幅跳水，其性?xún)r(jià)比和使用的方便性已在各種電機調速方案中獨占鰲頭�，F在它已成為棉紡設備改造和新機設計的首選產(chǎn)品，其廣闊前景將與日俱增。
參考文獻
[1] 變頻器調速手冊. 兵器工業(yè)出版社
[2] 變頻器世界. 京紡國際有限公司
[3] vfd-b臺達變頻使用手冊
[4] 制造業(yè)自動(dòng)化. 《制造業(yè)自動(dòng)化》雜志社
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