新型粗纱机变频调速系统分析

1 引言
　　 粗纱机适用于普梳和精梳棉型纤维，60mm以下的化学纤维及其它混纺纤维，将并条后的熟条加工成不同号数和捻度的粗纱，供细纱机纺制细纱。

　　根据纺纱工艺的要求，粗纱机将棉条经罗拉牵伸后，由前罗拉出纱，进行加捻，然后按照卷装形成的要求，将纱卷绕在筒管上，由于前罗拉出纱速度是恒定的，而卷绕速度是随着卷绕直径的增大而降速，传统的粗纱机采用机械式锥轮变速机构，皮带在上、下锥轮上平行移动，达到改变卷绕和升降速度，完成粗纱卷绕成形。

　　传统粗纱机主传动由一台交流异步电动机驱动，为了解决电机起动时升速太快引起粗纱的断头或者产生粗纱条干不均匀等质量问题，而在交流电机主回路中串联电抗器，实现电动机的软起动，另外在纺制不同品种需要改变全机速度时，由人工替换皮带轮方式实现变速，20世纪90年代中开始用新型的悬锭粗纱机逐步取代托锭粗纱机并在悬锭粗纱机上推广了变频调速，然而，由于锥轮变速传动速度的稳定性较差，操作难度大，易引起粗纱质量不稳定。因而多家厂商又推出了多电动机传动的新型粗纱机，有2台电机、3台电机、4台电机和7台电机传动的粗纱机，其中采用4台电机传动的粗纱机应用较普遍。

　　2 主要的技术特征 锭翼速度 最高速1500 r/min～1800 r/min 锭 数 132、120、108等 控制参数 起动、停止时间控制（起动时间6 s ～16s，停止时间8 s ～3s），粗纱张力控制，即恒张力卷绕。

　　3 传动 高速悬锭粗纱机取消了传统粗纱机中的锥轮（俗称铁炮），成形机构、差动机构、摆动机构和换向机构等，还取消了捻度、升降、卷绕、张力、成形角度等变换齿轮，而采用4台电机分别传动牵伸罗拉（产生牵伸倍数），锭翼（使粗纱绕卷到纱管上），筒管（使粗纱产生捻度）和龙筋升降（完成卷绕形状）。罗拉、锭翼、筒管和龙筋升降分别为4kW、4kW、5.5kW和0.55kW交流异步电机传动，变频调速。采用4台电动机传动后，除简化了机械结构，取消了上述机构齿轮外，还降低了噪声，提高了车速，减少粗纱断头，增加单机产量（主机速度提高了30%以上）保证粗纱质量稳定，同时改变工艺简便、快捷。

　　4 控制系统 目前4电机传动的粗纱机控制有二种控制方案。

　　第一种方案，采用PLC或PCC加触摸屏，通过RS-485通讯方式或CAN BUS现场总线控制4台变频器和电动机的运转。

　　第二种方案，采用单片机自制的专用控制器，通过RS-485通讯控制4台变频器和电动机的运转，此种方案造价低，但可靠性和通用性不如第一种方案。本文不详述。

　　采用PLC可编程控制器或PCC可编程计算机控制器加触摸屏通过CAN BUS现场总线控制4台变频器和相应电动机的运行速度，如EJK211型粗纱机全机控制采用了PCC加触摸屏和CAN BUS总线的控制系统，系统原理框图如图1。 图1 粗纱机控制系统原理框图

　　该系统中PCC或PLC作为上位机，采用CAN通讯适配卡与CAN总线连接。CAN总线上的各部件（变频器等）必须具有CAN标准通讯接口。变频器（4 台）采用共直流母线供电方式，共直流母线供电可以采用将4台通用变频器的直流电源相互并联方式或采用将一台变频器的直流电源供电给其余3台逆变器的方式。

　　4台电动机均带编码器实现速度闭环控制，保证高精度调速。

　　PCC可编程计算机控制器通过CAN BUS现场总线控制4台变频器和电动机按多个数学模型或根据实测粗纱张力进行控制。

　　4台变频器和电动机按工艺所需的规律运转。例如锭翼卷绕速度随卷绕直径的增大而降速，保证恒张力卷绕。牵伸罗拉、锭翼、筒管和龙筋升降传动的4台电动机的运转速度按工艺要求，应保持一定比例关系，如牵伸倍数、粗纱捻度需改变，则绽翼速度，筒管速度也应相应的改变，4台变频器和电动机的频率和转速按工艺要求在触摸屏上设定，采用RS-485通讯方式输入PCC，再通过CAN BUS总线控制变频器和电动机运转。

　　 触摸屏用于工艺参数的设定、修改、调用、储存和显示，设定、修改、调用和储存的工艺参数有最高车速，粗纱支数、捻度、牵伸倍数，径向卷绕密度、轴向卷绕密度、卷绕系数、纺纱系数等，显示上述工艺参数外，还有单锭时产量，一落纱中纺纱累计长度，单班产量累计、各变频器的输出频率、电流、电压以及故障报警等。

　　4.1 共直流母线供电的变频调速

　　多电机传动的粗纱机采用共直流母线供电的方式，主要有两种。

　　（1）4台变频器的直流电路相互并联

　　此种共直流母线供电方式如图2。将4台变频器的直流侧电路相互并联，在起动、升速、降速、停车过程中若M1和M4处于电动运行状态，M2和M3处于发电运行状态，其再生能量足以消耗在处于电动运行的M1和M4中，因而，直流母线的电压不会升高，各台电动机的转速比例关系可保持稳定。

　　（2）将其中一台变频器的直流电源供电给其它三台逆变器

　　此种共直流母线供电方式如图3。其中主变频器的整流桥容量需适当放大，以满足其余3台逆变器所需的直流电源。

　　这两种共直流母线供电方式工作原理没有本质差别，只是第二种方式将整流电源做在主变频器内，其他3台变频器改为逆变器，这样简化了电路，降低了成本。

　　粗纱机采用共直流母线供电的变频调速、获得较好的效果。例如，提高了牵伸罗拉、锭翼、筒管和龙筋升降传动电动机在升速、降速、起动和停止过程中的同步协调运作能力，如当全机一旦出现失电时，可以保持粗纱不断头。

　　4.2 CAN总线

　　 CAN总线是专门为传输短小，实时的控制信息而设计的适用于小范围分布式实时系统，如汽车是最早采用CAN总线的行业，现在各种机械设备（包括纺织机械）楼宇自动化等广泛推广应用。CAN即是控制器局域网络，是一种总线式串行通讯网络，主要特征有。 图2 各变频器直流电路并联的共直流母线电路图 图3 主变频器直流电源供其他逆变器的共直流母线电路图

　　（1） 采用多种方式工作，网络上任一节点均可在任何时刻主动向网络上其它节点发送信息，而无需占用地址等节点信息，因此可方便地构成多机备份系统，同时还可接收总线上的信息。

　　（2） CAN的直接通讯距离最大可达10km（对应速率5kbps以下），通讯速率最高可达1Mbps（对应传送距离40m）。

　　（3）CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，当两个以上节点同时向总线发送信息时，优先级低的节点主动退出发送，而最高优先的节点可不受影响地继续传输数据。

　　（4）CAN的通信介质可为双绞线，同轴电缆或光纤，选择较灵活。

　　（5）CAN采用短帧传送，每帧的有效字节数为8个，传输时间短，受干扰的概率低，当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。

　　 5 结束语 粗纱机是棉纺设备中的主要机台之一，近两年粗纱机年产量达4000台以上，配用变频器5000台以上，因目前销售还是单电机传动粗纱机占有较大比例，主要是价格较低，但多电机传动粗纱机已逐年增加，相信这是粗纱机的发展趋势。