共用直流母线变频调速系统在涤纶短丝线上的应用

1、引言
涤纶短丝装置是上海石化股份公司涤纶部西区的一个主要装置，共有六条生产线，设计单线产量为1.5万吨/年。前纺电气传动采用德国AEG公司SEMIVERTER变频器及永磁同步电动机，后纺采用直流电动机长轴传动。该纺丝装置是我国80年代初自己设计、自行制造的大型生产装置，虽然建成初期创造了一定的经济效益和社会效益，但是由于受到历史条件的局限，出现了一些先天性不足，产品的种类和单耗达不到部颁标准，不能适应市场的需要，为此在原一号线位置上改造、引进了一条3万吨/年涤纶短丝生产线（简称新生产线），电气传动采用德国西门子6SE70系列变频器和永磁同步电动机（前纺）、异步电动机（后纺）。本文就共用直流母线多逆变器调速系统在纺丝线上的应用作一些探讨。
2、合成纤维纺丝机变频调速系统发展概况
合成纤维纺丝机变频调速系统发展大致可分为3个阶段:
（1）大变频器调速由一台大功率变频器来驱动多台永磁同步电动机。电动机可逐台起动或分组启动。优点是系统简单、控制方便，可保证多电机同步运行。缺点是变频器容量必须选用很大;单台电动机短路故障有可能引起变频跳闸，造成整台纺丝机停车。
（2）多台小变频器驱动每台电动机均有一台小变频器驱动。对比大变频器驱动，优点有:a）、一台变频器驱动一台电机，可以实现软起动，变频器容量基本与电动机相同;b）、当某台电动机发生故障时，对应变频器停止工作，不会影响整台纺丝机的正常运转。缺点是:a）、总设定、总启动需另加调节环节;b）、几台变频器输出频率会有离散性，为达到转速同步，需加串行通信接口。
（3）共用直流电源多台小逆变器驱动采用共用直流电源多台小逆变器驱动。除了保持小变频器拖动的特点外，更重要的是可以实现再生发电制动，也可防止电网瞬时低电压（含瞬时失电）带来的停役故障。
3、涤纶短纤维纺丝装置对电气控制系统的基本要求及对原有拖动系统的分析
（1）涤纶短纤维纺丝装置对电气控制系统的基本要求
纺丝机对电气传动的要求为“四高”和“一少”。
●四高:即高同步性（一台纺丝机不同纺位的电机转速要求横向转速一致，纵向比例同步）;高精确性（转速稳定，精确度高达0.1%～0.01%）;高转速或甚高转速（在没有升速齿轮箱条件下，电机转速高达8000～9000r/min）;高可靠性（至少保证一年安全连续运行8000小时）。
●一少:即少维修或免维修，无须照看。在采用了高精度的变频调速器和永磁同步电动机组成的调速系统后，高同步、高精度、高转速和少维修可以实现，但高可靠性还做不到，影响了纺丝装置安稳长满优生产。以3万吨/年短丝生产线为例，其日产量为100吨短纤维，若外来电网瞬时低电压（或瞬时失电），引起计量泵变频器停役电机停转，会造成聚酯熔体压力增大，迫使聚酯装置熔体增压泵停止，从而影响聚酯装置正常生产。
（2）原有电力拖动系统的优缺点
原1.5万吨/年短丝直接纺装置的变频器属于第一代变频器，即一台变频器驱动多台永磁同步电动机，此类变频器在技术上采用公用换流环节，具有辅助充电装置的换流电路。优点是:a）、即使直流电压很低时也能可靠换流。b）、在短时间内数倍额定电流（最大为3倍）时，也能可靠换流。c）、变频器由空载状态到负载状态时，能够迅速抑制起动电流的极限值。但变频装置在运行中尚存在以下不足之处:a）、短丝装置由于多台电动机共用一台变频器，无法实现软起动，所以选用时既要考虑到最高频率时直接起动，又要考虑到若干台电机高速运转时，某一纺位故障排除后又继续投入运行，因此变频器容量不得不选用偏大。b）、纺丝机故障停台率偏高。但因变频器不能承受电网瞬时低电压（含瞬时失电），而由于雷电、电缆接地故障及开关倒闸操作，定会出现瞬时低压现象，造成变频器停役，致使整台纺丝机停产，酿成巨大损失。c）、无法实现再生发电制动。后纺采用直流拖动，电动机维护和保养很麻烦，牵伸比调节也很困难。
4、前纺装置变频调速系统特点分析（由UPS供电、小逆变器永磁同步电动机开环同步拖动系统）
新生产线的前纺部分变频调速系统如图1。前纺装置变频调速系统主要是由UPS供电、小逆变器永磁同步电动机开环同步拖动系统组成，前纺装置的主要改进是电源系统采用UPS（西门子System4233，330kVA）供电。
正常情况下由市电进行供电，若电网瞬时失电或低电压，由电子开关控制自动切换到蓄电池供电，确保逆变器不受影响。为保证纺丝的精度，前纺没有采用1台逆变器带1台电动机的控制方式，而是由2台大逆变器分别向32台计量泵电机（永磁同步电动机）提供可变频交流电源。装置控制采用集散式数字工艺控制系统（DCS）和微处理机网络系统，在两台逆变器之间用PLC加串行通信接口组成开环控制，确保两变频器的输出频率相同，即保证了32台计量泵电动机转速的绝对同步。与原生产线相比，虽然一次性投入较大，但可确保在瞬时低电压（含瞬时失电）时，计量泵可正常工作，提高经济效益。在前纺调速系统中，32台计量泵电动机、7辊导丝辊电动机及喂入轮电动机的所有逆变器均接在共用直流母线上。
5、后处理装置变频调速系统特点分析
后纺装置的变频调速系统如图2。后处理装置中牵伸、紧张热定型、叠丝、卷曲的拖动采用共用直流多逆变器变频调速系统，其逆变器接同一直流母线。电动机则采用大功率的异步电动机。共用直流母线由＃1、＃2整流装置供电。两套整流器的叠加既可扩大容量，又可减少纹波和谐波，稳定直流电压。与原生产线相比有如下优点:
（1）采用共用直流母线可以自适应调整不同牵伸比条件下被拖电动机的制动力矩。比如对某一设定好的牵伸比，头道、二道、三道牵伸机的转速分别为n1、n2、n3，由于丝的张力作用，在没有制动功能时，头道牵伸辊会被后面牵伸辊拖着跑，而现在采用共用直流母线的变频调速后，一旦n1的数值超过设定值，电动机便进入了再生发电制动状态。一方面被拖电机变成发电机，发出的电能经续流二极管整流变成直流回馈到直流母线，电动机不仅无须从电网吸收能量，还可将制动能量供给其他逆变器，既可稳定直流母线电压，又由于电动机容量较大（如第二牵伸机电动机为400KW），电能节约也相当可观。另一方面，被拖电动机处于制动状态，只要设置相应的频率比，就能控制转速比，确保了牵伸比控制精度。
（2）涤纶短丝后处理牵伸紧张热定型联合机组是涤纶短纤维生产中的一道关键工序，主要承担着将原丝按一定牵伸倍率进行拉伸和定型。涤纶部原短丝装置的后纺拖动由一台功率较大的直流电动机拖动一根机械长边轴，再带动各道牵伸辊、紧张热定型辊等。直流电动机虽然在调速的范围、调速的精度及动态响应等方面性能较好，但直流拖动最致命的问题就是直流电动机的维护和保养很麻烦，并且对环境要求也较高。另外采用长边轴传动，若要改变生产品种，则牵伸比的调节较困难，并且精度也达不到要求，这样势必会影响产品质量、品种翻改以及高附加值产品的开发。新生产线采用交流变频调速，各道牵伸辊具有独立的变频传动，只需改变各变频器的频率就能方便调整工艺需要的牵伸倍率。从投产后的生产情况分析，生产的涤纶短纤维品种增加（其中1.33dtex有光缝纫线销量占全国销量的1/2以上）、质量提高、单耗下降，停车故障大幅减少，经济效益显著。
叠丝机、卷曲机也采用共用直流母线多逆变器调速方案，只是功率较小，不再讨论。切断机则为独立变频器，和一般变频调速原理相同，在此不再展开。
6、结束语
（1）如上所述，共用直流母线变频调速技术是可靠的，虽然一次投入较高，但每年可以减少停车2～3次，按一条3万吨/年生产线计算，可减少PET放流8～12吨，同时还可避免因停车造成的纤维质量波动（一次停车将影响144～216吨纤维的质量稳定性），如此计算不用几年就可收回改造费用。
（2）由于采用共用直流母线变频调速技术，使整体生产条件处于稳定状态，从而给改变产品规格、调整工艺参数带来极大便利。过度时间短，废丝少，工艺调整精确。
（3）从新生产线实际运行情况看，共用直流多逆变器调速系统在涤纶短纤维的生产中优势突出，代表了纺丝机拖动的发展方向。但在后纺部分仍不能完全排除电网失电对变频器的影响，如变频器一旦停役会使正在牵伸的一段涤纶丝（约100m）报废。改进方法可采用两个独立的交流电源供电，分别经整流器整流后送至共用直流母线（需用二极管隔离），一旦失掉一路电源，仍有另一路交流电源支持，不会停车。另外，前纺卷绕纺丝装机容量196kW，UPS输出容量330kW，实际使用的容量较小，需要注意。