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| 【變頻器】高速紡絲機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)改造 |
| （時(shí)間:2009-9-21 9:56:42） |
八十年代是我國紡織、化纖行業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展時(shí)期，許多企業(yè)在這期間大量引進(jìn)了德國、意大利、日本等發(fā)達(dá)國家的紡織化纖設(shè)備。而這個時(shí)期也正處于通用交流變頻調(diào)速技術(shù)的起步階段，采用可控硅(SCR)作為開關(guān)元件的變頻器逐步推廣應(yīng)用，而采用大功率晶體管(GTR)作為開關(guān)元件的變頻器剛剛走出實(shí)驗(yàn)室而未得到廣泛應(yīng)用。所以當(dāng)時(shí)我國引進(jìn)的紡織化纖設(shè)備中其配套電氣調(diào)速系統(tǒng)所采用的基本上為SCR變頻器。
一、概述
我們知道，可控硅(SCR)作為電力電子器件因其較高的耐壓大電流特性及簡易可靠的導(dǎo)通控制特點(diǎn)，直至今日仍廣泛應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)中。但可控硅的關(guān)斷必須通過高反壓才能實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)用于變頻調(diào)速器里其附加裝置較多，體積大，同時(shí)其開關(guān)頻率必然受到限制，載波頻率一般只有幾百HZ，對于大功率變頻器則更低，輸出波形很差，影響到電機(jī)的運(yùn)行。
鑒于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器的控制電路只能大量采用分離元件，各種調(diào)節(jié)器及信號發(fā)生器都是模擬電路，控制精度低，穩(wěn)定性差，濕漂大，可靠性也低。隨著使用時(shí)間的增加，設(shè)備逐漸老化，變頻器的故障逐年增多，因此造成燒毀電機(jī)的數(shù)量也越來越多�；w設(shè)備采用的高速電機(jī)都是特殊電機(jī)，修理費(fèi)每臺需2萬元人民幣，進(jìn)口一塊控制板需要數(shù)萬元�？梢姮F(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用是很高的。
隨著現(xiàn)代微電子及電力電子技術(shù)的發(fā)展，全數(shù)字化、高開關(guān)頻率、矢量控制特點(diǎn)的變頻調(diào)速器已全面推向市場，變頻器的成本也大大下降。采用先進(jìn)變頻器改造原可控硅變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種高效、經(jīng)濟(jì)的選擇，1998年我們采用當(dāng)時(shí)國際上較先進(jìn)的日本三墾LF系列及IF系列變頻器改造了兩條德國巴馬格(Barmag)POY、FDY高速紡絲機(jī)，并取得了極好的效果。
二、原調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)及現(xiàn)狀
長沙錦綸廠前紡POY、FDY紡絲生產(chǎn)線中有三條生產(chǎn)線，為德國巴馬格(Barmag)公司產(chǎn)品，其電氣調(diào)速系統(tǒng)采用西門子SIMOVET-V變頻器集中控制，每條生產(chǎn)線的傳動由四臺變頻器完成，另兩臺變頻器驅(qū)動計(jì)量泵電機(jī)及油劑泵電機(jī)。每條生產(chǎn)線共有16個位(卷繞機(jī))，每個位含一個摩擦輥電機(jī)(2.0KW)及一個槽輥電機(jī)( 0.9KW),16個摩擦輥電機(jī)由一臺“運(yùn)行”變頻器驅(qū)動，工作頻率為25-212HZ。16個槽輥電機(jī)由另一臺“運(yùn)行”變頻器驅(qū)動，工作頻率為50-325HZ。每個卷繞機(jī)單獨(dú)起動，由于摩擦輥及槽輥的機(jī)械慣性較大，各自需要一臺“起動”變頻器起動，當(dāng)“起動”變頻器的輸出頻率等于“運(yùn)行”變頻器的輸出頻率時(shí)，該卷繞機(jī)的兩臺電機(jī)即切換到“運(yùn)行”變頻器驅(qū)動。
三、改造方案的提出
高速紡絲機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)改造一般有兩套方案，一是由“集中”調(diào)速改為“分散”控制。即每個位(卷繞機(jī))采用兩臺變頻器分別驅(qū)動摩擦輥及槽輥電機(jī)，這樣每個位都可單獨(dú)控制，相互之間沒有電控方面的聯(lián)系，避免原來四臺變頻器中任何一臺變頻器故障而造成全線停機(jī)，也便于新產(chǎn)品的開發(fā)研制及小批量多品種的生產(chǎn)，也可取代化纖實(shí)驗(yàn)機(jī)。德國巴馬格(Barmag)公司九十年代新出的紡絲機(jī)即采用這種方式，國內(nèi)一些廠家也有采用此方式的改造方案，但這種方案投資太大，全機(jī)需要三十二臺變頻器，加上計(jì)量泵電機(jī)和油劑泵電機(jī)，則需要六十四臺變頻器，據(jù)悉北方一家長絲廠采用此方案僅變頻器就投資了一百多萬元。
考慮到每個位不必完全以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，且同一時(shí)期不可能同時(shí)試制16個品種，本著“高效、經(jīng)濟(jì)”的原則，我們采用了另一種方案，其特點(diǎn)如下：
保留原有系統(tǒng)，增加切換電路，使新增的三墾高性能變頻器可以控制原有的16個位，也可以控制7個位或8個位或1個位，這樣可以用一個位試制新產(chǎn)品，也可以用三墾變頻器控制7個或8個位生產(chǎn)小批訂單，另9個位或8個位采用原SCR變頻器生產(chǎn)另一個品種，實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩品種，以滿足銷售部門和用戶的要求。改造后的每個卷繞機(jī)單元的電氣傳動電路如圖二。其中，當(dāng)起動變頻器的輸出頻率等于原運(yùn)行變頻器的輸出頻率時(shí)，如將電機(jī)通過K22和K24切換到原運(yùn)行變頻器，該卷繞機(jī)可生產(chǎn)原產(chǎn)品；如將電機(jī)通過KXM和KXC切換到新運(yùn)行變頻器，該卷繞機(jī)可生產(chǎn)新產(chǎn)品。通過這兩組接觸器的不同組合，即可調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
四、系統(tǒng)調(diào)試
本項(xiàng)技改的調(diào)試，除每單元卷繞機(jī)的兩個電機(jī)及其接觸器接線正確外，卷繞機(jī)的擺頻設(shè)定及起動變頻器與新運(yùn)行變頻器的切換最為關(guān)鍵。
日本三墾LF及IF系列變頻器內(nèi)含有專為化纖高速紡絲機(jī)所設(shè)計(jì)的擾動運(yùn)轉(zhuǎn)模式,可以方便地完成卷繞機(jī)的擺頻設(shè)定。由于摩擦輥及槽輥的機(jī)械慣性較大，當(dāng)起動變頻器的輸出頻率等于運(yùn)行變頻器的輸出頻率時(shí)切換，不會產(chǎn)生電氣沖擊。改造后系統(tǒng)新增運(yùn)行變頻器的輸出頻率與原運(yùn)行變頻器不同，如較高，切換時(shí)將產(chǎn)生大電流。較低時(shí)切換，將產(chǎn)生過電壓（切換時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)）。所以新增運(yùn)行變頻器的容量選擇應(yīng)有一定余量，同時(shí)應(yīng)配備制動單元和制動電阻。工程上可按下式計(jì)算附加制動電阻的阻值：
Uc2R =1.047(TB-0.2Te)n
式中 R—制動電阻Ω
Uc—直流回路電壓
TB—制動轉(zhuǎn)矩
Te—電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩
n—開始制動時(shí)的速度
從式中可以得出，當(dāng)制動轉(zhuǎn)矩TB>0.2Te時(shí)，即制動轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩20%以下時(shí)，無需設(shè)置制動電阻，也就是不需考慮制動方案，由電機(jī)內(nèi)部的有功損耗作用下可以將中間直流回路電壓限制在過電壓保護(hù)動作值以下。式中的制動轉(zhuǎn)矩TB可按下式計(jì)算機(jī)：
(GD2M+GD2L)(n1-n2)TB =TL375ts
式中 GD2M—電機(jī)的GD2，由電機(jī)特性查得N.m
GD2L—負(fù)載拆算到電機(jī)軸上的GD2N.
TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩N.m
n1—減速開始時(shí)的速度r/min
n2—減速完了時(shí)的速度r/min
ts—減速時(shí)間s
由于任一時(shí)刻電機(jī)由起動變頻器向運(yùn)行變頻器切換時(shí)，只有一個單元卷繞機(jī)投入，所產(chǎn)生的沖擊電流不會很大。經(jīng)過計(jì)算機(jī)，選擇37KW及22KW變頻器并配備兩套BU-430制動單元及DB-430制動電阻。實(shí)際運(yùn)行時(shí)并未出現(xiàn)過電流及過電壓跳閘。
五、結(jié)論
1．本項(xiàng)技改克服了原設(shè)備集中控制的弊端，改造后可對16個位進(jìn)行分組控制，必要時(shí)可互相轉(zhuǎn)換，互不干擾，便于試制新產(chǎn)品及小批量各品種生產(chǎn)。
2．可靠性高。原調(diào)速系統(tǒng)中變頻器發(fā)生故障，可將16個位全部切換到新調(diào)速系統(tǒng)中運(yùn)行，切換過程只需幾分鐘即可完成。
3．新調(diào)速系統(tǒng)采用日本三墾公司九十年代后期新產(chǎn)品LF及IF系列變頻器，分別采用準(zhǔn)32位及32位CPU，頻率設(shè)定分辨率為0.01HZ，精度高于原變頻器20倍。開關(guān)模塊分別采用IGBT及IPM模塊，最高載波頻率可達(dá)14KHZ，靜噪音，運(yùn)行電流小，有完善的各種保護(hù)功能。LF及IF變頻器具有擾動運(yùn)轉(zhuǎn)模式，此功能專為化纖高速紡設(shè)計(jì)，可將化纖紡絲的工藝參數(shù)直接在變頻器上以數(shù)字方式設(shè)定，其中LF系列變頻器還可在運(yùn)行時(shí)直接從面板顯示器中讀出或修改擾動參數(shù)(擺頻參數(shù))，并顯示實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速，深得工藝人員的歡迎。
4．投資少。
5．改造工期短，安裝調(diào)試方便，僅停機(jī)一個小時(shí)即可完成調(diào)試并投入運(yùn)行，占地面積小。
6．當(dāng)月投資當(dāng)月見效。改造后的生產(chǎn)線上生產(chǎn)出原來不能生產(chǎn)的新產(chǎn)品，其市場售價(jià)高出老產(chǎn)品2000元/噸左右，僅此一項(xiàng)利潤即可三月內(nèi)收回投資。
7．節(jié)能。電機(jī)運(yùn)行電流為原系統(tǒng)運(yùn)行電流的80%左右。
8．設(shè)備投運(yùn)以來，新變頻器未發(fā)現(xiàn)任何故障，沒有燒毀一臺電動機(jī)，綜合往年的統(tǒng)計(jì)，每年節(jié)省維修費(fèi)用約十五萬元。
可見高速紡絲機(jī)的“分組”變頻調(diào)速技術(shù)改造是一種高效、經(jīng)濟(jì)的方案。
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