变频器在造纸行业的应用和分析（一）

一、造纸行业的应用背景
造纸行业是我国的基础工业之一，国内纸浆造纸企业数量大、分布广，在整个国民经济中占有重要的地位。
造纸变频的最主要应用是多电机分部传动。由于老式纸机很多采用单直流电机传动，且通过机械分配转速的方式进行调速，在生产过程中经常由于机械磨损、皮带的打滑等因素造成速度匹配失调，容易形成断纸、厚薄不均等现象，同时由于现场高温潮湿而使电机维护量增加。为了优化产品质量，提高劳动生产率，很多现场已将其改为多电机分部传动，即取消直流电机及其动力的机械传动部分，在每一个传动分部安装交流电机并配置相应的变频器，同时采用交流多点传动方式，结合速度控制、张力控制、负荷控制等不同的方式进行传动配置。为了生产过程中纸页特性变化的需要，造纸机的分部传动除了保证高精度的同步控制外，还必须能够在一定范围内调节车速，且各个分部的速度能单独调节。
同时，造纸行业也是风机水泵类负载的大户，而且该类负载的运行时间都是连续的，各个厂家是根据实际的工作情况，需要对风机、水泵的负载作不同程度的调节，这就使变频器在造纸行业的应用而为企业带来极大的经济效益。
二、造纸行业变频器的应用分析
1、造纸产能
中国造纸工业有效生产能力自1990年以来，特别是自1995年以来一直在持续增长。据中国造纸协会对综合信息资料调查，2004年全国纸及纸板生产企业约有3500家，全国纸及纸板生产量4950万吨，较上年4300万吨增长15.1％。消费量5439万吨，较上年4806万吨增长13.2％，人均年消费量为42公斤，比上年增长5公斤。从2004年的生产和消费形势分析来看，全年生产和消费均呈现升高的走势，并保持了较高速度增长。特别是纸及纸板生产增量650万吨，达历年最高。生产量增幅较大的主要品种有新闻纸、轻量涂布纸、铜版纸、涂布白纸板、箱纸板、瓦楞原纸等。消费量增幅较大的主要品种有：新闻纸、轻量涂布纸、铜版纸、书写纸、箱纸板、涂布白纸板、瓦楞原纸等。
假设我国在今后一段时间内GDP总量以年均7%的速度递增，同时，取过去12年的年均人口增长率0.91%作为今后的年人口净增长率，到2010年，我国的人均GDP达到13890元人民币，届时人均耗纸量可上升到60公斤。可以预测，到2010年，总消费量将达6900万吨。而在今后的几年中，还将会有近1000万吨的新增生产能力。届时，我国造纸工业的生产能力总和将会达到近5500万吨。据统计，自从2000年以来，全球生产的大型造纸机有1/2都安装在中国。目前，高档纸机在国内市场的占有率为33％，而且基本上以国际造纸机械巨头如VOITH、METSO、ANDRITZ等为主。
2、造纸变频器的容量
由于目前的新增纸机的传动设备已经有80%以上采用交流传动变频器，所以在今后每年新增的300-400万的产量中，每年的纸机传动装机容量将非常可观。
我们以某厂引进的VOITH产的17.5万吨/年的纸板机的装机容量为例，它的纸品为双面涂布白板纸，其幅宽4.2米，包括四层网部、四道压榨、10组烘缸、1组冷缸、1组施胶压榨、3道双辊压光、4组气刀涂布、1个卷纸部等，共计72个传动，设计克重120-500、车速600米/分，其纸机分部传动（就是指72个纸机传动）的变频容量总计为5490KW。由此可以计算出通用的吨纸传动容量计算为31W，那么我们就可以概算出今后每年的变频装机容量大约为9万KW左右。以纸机系统设计1KW/2000RMB的计算，共计有1.8亿左右的纸机主传动市场。当然在这里面，变频器品牌基本上是由国外主要生产厂商ABB、SIEMENS、AB、YASKAWA、三菱等占主导地位。
从目前情况看，我国所有造纸制浆机械的生产能力大概在35～45万吨/年，2004年的制浆造纸设备制造业工业总产值为56.9亿元，国内的市场份额大概不到1/4，其余将全部是国外的造纸机械商所占有。
我们也同时注意到高档纸机的增加量将达到历史的最高峰，幅宽的增大和车速的快速提高都促使在新增的纸机装机中大量使用最新的高档矢量型或DTC控制型变频器，而目前国内相应的成熟变频器基本没有，所以大部分为进口品牌所拥有，国内品牌的份额不到5%。当然我们也注意到，由于中国日益成为世界工厂，由中国制造的变频器将逐渐走向已经有本地化机构的国际纸机机械厂家（如美卓纸业、VOITH纸业）的高档造纸机。
目前在纸机分部传动上使用的变频器必须能同时具备以下特性：（1）调速范围宽，在全速度范围内，效率必须在90%以上；（2）功率因数高于0.9以上；（3）输入谐波电流总失真小于3%；（4）采用可靠性高、技术成熟的标准器件IGBT；（5）能减少输出谐波分量并有效降低dv/dt噪音和转矩脉动的效果；（6）利用通讯功能实现数据的高速串行传输。
三、造纸行业变频传动配置的发展趋势
造纸是一个连续生产的过程，因此生产线的连续和有序控制成为了制约成品纸质量和产量的瓶颈。变频调速作为目前来说最强有力的控制方式进入了原本属于直流调速（适用于大中纸机）和滑差电机（适用于中小纸机）天下的造纸领域，并已近取得良好的市场效果。
目前，国际上先进的造纸机都朝高效率、低消耗方向发展，这是市场竞争的需要。而目前有很多正在运行的造纸机在这方面则处于劣势，有必要进行技术改造进行升级；而对于造纸机械的厂家也必须迎头赶上，从设计的源头进行性能提升。
传动作为造纸机的核心部分，其发展要求是提高车速和自动化程度。现在运行中的一些国产造纸机，最快的只有500-600米/分，而国外造纸机运行速度已达1600-1800米/分，某些甚至超过2000米/分，差距甚大。车速越快效率则越高。同时目前国产造纸机多为人工控制，即使是最新的国产造纸机，其自动控制纸机，其自动控制程度也不高，而国外大型造纸机，其自动化程度相当高，随着纸机的高速和大型化，靠人工控制已是很难的事。
在这里，我们将从着重阐述数字化网络、可控张力和转矩、直接传动系统三个不同的方面来阐述纸机传动配置的发展趋势。
1、数字化网络的造纸机传动控制系统
目前的造纸机上，对于传动的控制基本上有两种：（1）模拟控制；（2）数字控制。
模拟控制的传动控制系统结构简单、容易操作作，对用户技术方面要求不高，速度精度可以满足用户的需求，且稳定可靠，同时具有速度统调、微调满足生产工艺的要求，并可以根据负载结构的变化，灵活的改变控制方式，它还有良好的显示界面，操作者能够实施控制设备运行状况。但它只能适用低速纸机，且不易实现管控一体化。
数字控制的传动控制系统，可以广泛应用于线路较长、分部传动数量较多的中大型高速纸机。它利用通讯方式实现系统的全数字控制，抗干扰能力强、信号衰减差，分辨率高，可实现高精度控制，同时可以根据纸机工艺要求及负载情况控制更灵活。
无论是二级控制系统或者三级控制系统，全数字技术的运用不但大幅度提高了纸机车速，而且减轻了工人劳动强度和减少了维修时间。使产量和经济效益大幅度提高。全数字分部传动技术是模拟量控制技术和总轴传动系统无法比拟的。
在目前传动数字化网络中，PROFIBUS始终是最受欢迎的。PROFIBUS-DP现场总线特别适应于需要快速响应和数据交流量不大的现场，是一种开放式现场总线系统，并以标准化。PROFIBUS-DP现场总线有以下特点：经过双绞线或光缆的进行数据传输、能进行自动化系统的柔性和模块化设计、节省接线费用、最多125个节点、最大为12Mbit/s、响应时间短、传输距离可达23.8Km、通过各种专用集成电路（ASIC）和接口模板、简化设备的连接,PROFIBUS-DP是“全集成自化”的系统总线、世界上著名的可编程序控制器销售商普遍认识到作为现场层标准接口的PROFIBUS-DP的优点。基于以上原因本所在纸机的电气控制上也大量采用PROFIBUS-DP现场总线。
目前国内实现数字化网络的传动系统主要有西安宝德自动化的WB-PDD-A系统、杭州华章电气的HZ-AC3000系统、上海造纸电控所的SIED纸机电气二级或三级控制系统等。
WB-PDD-A造纸机控制系统是针对2640/320低定量涂布造纸机设计开发的，电气传动系统采用国际标准工业现场总线PROFIBUS，以1.5MH的通讯速率将西门子最新型S7-400PLC、6RA24全数字直流传动装置、OP37智能操作单元等构成现场局域网实现造纸系统的张力、速度、负荷分配等各种参数的设定及控制，可对纸线中的任何一台传动装置进行启动、停止、爬行、点动、松弛和张紧控制。系统环境为中文WIN95界面，应用软件采用西门子WINCC组态软件。系统可对每一个传动控制点的过程参数、故障状态进行实时显示、监视、存储及打印，并提供历史趋势图及完成工艺参数的在线修改与保存。
HZ-AC3000造纸系统采