浅谈变频器在化纤生产线上的应用分析

引言

　　化纤生产线是粘胶纺丝类基础行业，同时也是耗能大户，其主要生产工艺都是通过各种泵、搅拌机、空气压缩机来完成。现在倡导节约型社会的今天，而能源的浪费却相当的惊人。目前，这些粘胶泵、水泵和空气压缩机大都处于电动机驱动恒速运转状态，还有企业在运行系统设计时，容量选择的较大，系统匹配不合理，往往是“大马拉小车”，造成大量的资源浪费。如将占绝对多数的非调速型电机改成调速运行，使其耗电量实现随负荷大小而变化，则可节约大量能源，将产生显著的节能效果。现代电力电子技术、交流调速技术的发展使得交流电动机变频调速在频率范围、动态响应、精度要求和使用效果等方面发生了巨大的发展。现在凡是可变转速的拖动电动机都可以用变频来调速从而达到节能降耗的目的，据我们对生产耗电能统计，每季度可节电量34%以上。因此,交流调速技术在化纤行业中的应用具有广阔的发展空间。

一、变频器调速运行的节能原理

　　实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU／DSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。

　　采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000r/min。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高 1.5倍左右，这样大大提高了快速增速和减速能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。采用该控制方式的变频调速技术后，电机定子电流下降64%，电源频率降低30%，出胶压力降低57%。

　　异步电机的转速n可以表示为：

　　公式中，n2为同步转速，Δn1为转差损失的转速，p为磁极对数，s为转差率，f为电源的频率。可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压。这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速VVVF（Variable Velocity Variable Frequency），简称变频调速。采用变频调速技术后，提高电机的功率因数，减少无功功率消耗。

　　由变频调速原理可知，调节供胶流量，原则上有二种方法；一是节流调节，开大供胶阀，流量上升；关小供胶阀 ，流量下降。调节流量的第二种方法是调速调节，胶泵转速升高，供胶流量增加；转速下降，流量降低，对于用胶流量经常变化的场合，采用变频调速调节流量。

二、变频调速控制系统的设计

　　变频调速器的控制可以是自动的，也可以是手动的。目前，我们在粘胶泵控制系统中使用的调速技术，大部分是在开环状态下，即人为地根据工艺或外界条件的变化来改变变频器的频率值，已达到调速的目的。部分采用闭环调速控制。

　　异步电机调速有许多方法，如变极调速、变转差率调速和变频调速等。前两种转差损耗大，效率低，对电机特性来说都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源的频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽（10～100％）和精度高等性能，节电效果可达到30～40％。变频调速有两种方法：一是交－直－交变频（如图1），适用于高速小容量电机；二是交－交变频。适用于低速大容量拖动系统。

　　交－直－交电压型变频器主结线图，见图1：

　　图1 交－直－交电压型变频器主结线图

对精度要求高的供胶泵采用闭环调速控制（如图2）：

图2 中小功率变频器闭环控制框图

　　系统主要有四部分组成（1）控制对象：电机功率100KW,额定电流150A,流量720m/h,扬程32.3m。（2）变频调速器：选用西门子 MM440适配通用电机，功率110KW,额定电流160A。一般用于连续运转的混合变频器容量选择的基本方法是：变频器额定输出电流大于1.1倍的电动机的额定电流。（3）压力变送器（PT）:选用DLK100-OA/0-1Mpa,用于控制出口压力，将压力信号变换为4-20Ma的标准电信号。（4）调节器（PID）:选用WP-D905,输入信号4～20mA。采用闭环控制系统，参数超调波动范围小，偏差能及时进行控制。变频器的加速和减速可根据生产工艺要求自动调节，这种高的控制精度能保证生产工艺稳定，提高产品的质量和产量。

　　变频器具体参数设置必须和控制电机的电压，电流，容量，频率范围相一致，比较重要的是启动及停止斜率时间，和容忍输入电压波动范围的设定。设置恰当可以减少电压波动对变频器影响。这些具体参数设定是经过长期反复实践摸索出来的，对粘胶丝稳定生产起到至关重要的作用。

三、变频具体注意事项

　　变频器对线路及电气设备的过载、欠电压和短路断路进行保护，并具有分级选择保护；能直接启动电动机，并保护电动机，发动机和整流装置等免受过载、短路和欠电压等不正常情况的危害。由于化纤生产线周围整体环境恶劣、含有一定浓度的腐蚀性气体，即使加上抽排风，各种外露的金属还是氧化腐蚀、脱落严重，这对变频器等各种电器设备是一种严重考验。变频器产生故障的原因是多方面的，即使是同一原因，也会出现不同的故障现象，故障产生后为了尽早恢复正常，必须根据故障的特征、错误代码进行及时故障排除。在一次全厂秋季检查停电中，供给纺丝车间一台变频器M440停电后再送电时，由于停电时间比较长，这些老旧设备在恶劣环境下自身损坏严重，停电后室温变低，相对湿度变高在设备上电路表面产生凝露，启动失灵。只好更换一个新备台继续使用，最后经过干燥，清扫处理后它又重新可以使用了。有必要对变频器进行定期清理检修维护。

　　为防止控制器和变频器的控制信号线受空间电磁场的干扰，可在这些控制信号线的外层接屏蔽线，以提高系统的抗干扰能力。此种接线一定要注意，对屏蔽的接地点只能选取一点。不管是在控制器一边，还是在变频器的一边。这样，可保证提高系统的抗干扰能力。如果，屏蔽线在两端都接地，会使屏蔽线上产生电势差，不但不能提高系统的抗干扰的能力，反而加重外界对控制器的干扰。

　　变频器属于储能设备，在变频器、电动机底座或外壳，配电箱，电缆外皮和电缆盒的外壳，及穿线铜管等，需要有相应的接地或接零保护，为减少人员受伤。

总结

　　变频调速这一技术正越来越广泛的深入到粘胶化纤行业中。它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势，同时极大的优化了粘较丝生产流程，提高了粘胶丝的生产率，必将成为粘较丝生产中电力拖动系统的中枢设备。应用变频调速技术也是企业改造挖潜、增加企业效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。