化纤高速纺丝机的高效经济变频调速技术改造

一、概述

八十年代是我国纺织、化纤行业突飞猛进的发展时期，许多企业在这期间大量引进了德国、意大利、日本等发达国家的纺织化纤设备。而这个时期也正处于通用交流变频调速技术的起步阶段，采用可控硅(SCR)作为开关元件的变频器逐步推广应用，而采用大功率晶体管(GTR)作为开关元件的变频器刚刚走出实验室而未得到广泛应用。所以当时我国引进的纺织化纤设备中其配套电气调速系统所采用的基本上为SCR变频器。
我们知道，可控硅(SCR)作为电力电子器件因其较高的耐压大电流特性及简易可靠的导通控制特点，直至今日仍广泛应用于直流调速系统中。但可控硅的关断必须通过高反压才能实现，因此应用于变频调速器里其附加装置较多，体积大，同时其开关频率必然受到限制，载波频率一般只有几百HZ，对于大功率变频器则更低，输出波形很差，影响到电机的运行。
鉴于当时电子技术的发展，变频器的控制电路只能大量采用分离元件，各种调节器及信号发生器都是模拟电路，控制精度低，稳定性差，湿漂大，可靠性也低。随着使用时间的增加，设备逐渐老化，变频器的故障逐年增多，因此造成烧毁电机的数量也越来越多。化纤设备采用的高速电机都是特殊电机，修理费每台需2万元人民币，进口一块控制板需要数万元。可见现有设备的运行费用是很高的。
随着现代微电子及电力电子技术的发展，全数字化、高开关频率、矢量控制特点的变频调速器已全面推向市场，变频器的成本也大大下降。采用先进变频器改造原可控硅变频调速系统是一种高效、经济的选择，1998年我们采用当时国际上较先进的日本三垦LF系列及IF系列变频器改造了两条德国巴马格(Barmag)POY、FDY高速纺丝机，并取得了极好的效果。

二、原调速系统特点及现状

长沙锦纶厂前纺POY、FDY纺丝生产线中有三条生产线，为德国巴马格(Barmag)公司产品，其电气调速系统采用西门子SIMOVET-V变频器集中控制，每条生产线的传动由四台变频器完成，另两台变频器驱动计量泵电机及油剂泵电机。每条生产线共有16个位(卷绕机)，每个位含一个摩擦辊电机( 2.0KW)及一个槽辊电机( 0.9 KW),16个摩擦辊电机由一台“运行”变频器驱动，工作频率为25-212HZ。16个槽辊电机由另一台“运行”变频器驱动，工作频率为50-325HZ。每个卷绕机单独起动，由于摩擦辊及槽辊的机械惯性较大，各自需要一台“起动”变频器起动，当“起动”变频器的输出频率等于“运行”变频器的输出频率时，该卷绕机的两台电机即切换到“运行”变频器驱动。每个卷绕机单元的电气传动电路如图一。

三、改造方案的提出

高速纺丝机的变频调速技术改造一般有两套方案，一是由“集中”调速改为“分散”控制。即每个位(卷绕机)采用两台变频器分别驱动摩擦辊及槽辊电机，这样每个位都可单独控制，相互之间没有电控方面的联系，避免原来四台变频器中任何一台变频器故障而造成全线停机，也便于新产品的开发研制及小批量多品种的生产，也可取代化纤实验机。德国巴马格(Barmag)公司九十年代新出的纺丝机即采用这种方式，国内一些厂家也有采用此方式的改造方案，但这种方案投资太大，全机需要三十二台变频器，加上计量泵电机和油剂泵电机，则需要六十四台变频器，据悉北方一家长丝厂采用此方案仅变频器就投资了一百多万元。
考虑到每个位不必完全以不同转速运转，且同一时期不可能同时试制16个品种，本着“高效、经济”的原则，我们采用了另一种方案，其特点如下：
保留原有系统，增加切换电路，使新增的三垦高性能变频器可以控制原有的16个位，也可以控制7个位或8个位或1个位，这样可以用一个位试制新产品，也可以用三垦变频器控制7个或8个位生产小批订单，另9个位或8个位采用原SCR变频器生产另一个品种，实现一机两品种，以满足销售部门和用户的要求。改造后的每个卷绕机单元的电气传动电路如图二。其中，当起动变频器的输出频率等于原运行变频器的输出频率时，如将电机通过K22和K24切换到原运行变频器，该卷绕机可生产原产品；如将电机通过KXM和KXC切换到新运行变频器，该卷绕机可生产新产品。通过这两组接触器的不同组合，即可调整产品结构。

四、系统调试

本项技改的调试，除每单元卷绕机的两个电机及其接触器接线正确外，卷绕机的摆频设定及起动变频器与新运行变频器的切换最为关键。
日本三垦LF及IF系列变频器内含有专为化纤高速纺丝机所设计的扰动运转模式,可以方便地完成卷绕机的摆频设定, 扰动运转模式示意图及相应指令码如图三。

图3 扰动运转模式示意图

由于摩擦辊及槽辊的机械惯性较大，当起动变频器的输出频率等于运行变频器的输出频率时切换，不会产生电气冲击。改造后系统新增运行变频器的输出频率与原运行变频器不同，如较高，切换时将产生大电流。较低时切换，将产生过电压（切换时电机处于发电状态）。所以新增运行变频器的容量选择应有一定余量，同时应配备制动单元和制动电阻。工程上可按下式计算附加制动电阻的阻值：
Uc2
R =
1.047(TB-0.2Te)n
从式中可以得出，当制动转矩TB >0.2Te时，即制动转矩小于额定转矩20%以下时，无需设置制动电阻，也就是不需考虑制动方案，由电机内部的有功损耗作用下可以将中间直流回路电压限制在过电压保护动作值以下。式中的制动转矩TB 可按下式计算机：

(GD2M+GD2L)(n1-n2)
TB = TL
375ts
式中 GD2M—电机的GD2，由电机特性查得N.m
GD2L—负载拆算到电机轴上的GD2N.
TL—负载转矩N.m
n1—减速开始时的速度r/min
n2—减速完了时的速度r/min
ts—减速时间s
由于任一时刻电机由起动变频器向运行变频器切换时，只有一个单元卷绕机投入，所产生的冲击电流不会很大。经过计算机，选择37KW及22KW变频器并配备两套BU-430制动单元及DB-430制动电阻。实际运行时并未出现过电流及过电压跳闸。

五、结论

1．本项技改克服了原设备集中控制的弊端，改造后可对16个位进行分组控制，必要时可互相转换，互不干扰，便于试制新产品及小批量各品种生产。
2．可靠性高。原调速系统中变频器发生故障，可将16个位全部切换到新调速系统中运行，切换过程只需几分钟即可完成。
3．新调速系统采用日本三垦公司九十年代后期新产品LF及IF系列变频器，分别采用准32位及32位CPU，频率设定分辨率为0.01HZ，精度高于原变频器20倍。开关模块分别采用IGBT及IPM模块，最高载波频率可达14KHZ，静噪音，运行电流小，有完善的各种保护功能。LF及IF变频器具有扰动运转模式，此功能专为化纤高速纺设计，可将化纤纺丝的工艺参数直接在变频器上以数字方式设定，其中LF系列变频器还可在运行时直接从面板显示器中读出或修改扰动参数(摆频参数)，并显示实际运行转速，深得工艺人员的欢迎。
4．投资少，改造一条生产线全部投资十几万元。
5．改造工期短，安装调试方便，仅停机一个小时即可完成调试并投入运行，占地面积小。
6．当月投资当月见效。改造后的生产线上生产出原来不能生产的新产品，其市场售价高出老产品2000元/吨左右，仅此一项利润即可三月内收回投资。
7．节能。电机运行电流为原系统运行电流的80%左右。
8．设备投运以来，新变频器未发现任何故障，没有烧毁一台电动机，综合往年的统计，每年节省维修费用约十五万元。
可见高速纺丝机的“分组”变频调速技术改造是一种高效、经济的方案。