环变频调速在化纤纺丝机上的应用

本文讨论化纤纺丝机多电机同步（比例同步）传动的要求，变频调速方案的选择以及稀土永磁同步电动机开　　环变频调速在化纤纺丝机上的应用。　　一、 化纤纺丝机对电气传动的要求：　　合成纤维工业诸如涤纶、锦纶、丙纶等都是采用熔体法纺丝。一台纺丝机有许多纺丝位（12部位、24部　　位……更多部位），同一个功能的不同纺位的电动机几十台，同一纺位不同功能的电动机几台，它们对电气传动的要求非常严格，对于湿纺工艺的晴纶、维纶及人造纤维中的粘胶纤维，对电气传动要求也类似。化纤纺丝机是一个多电机、小功率的同步驱动系统（含比例同步驱动系统）。它对电气传动的要求可以概括为："四高"和"一少"。　　"四高"：即高同步性（一台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%）；高转速要求或甚高转速（在没有升速齿轮箱条件下，电机转速高达8000～9000r/min，甚至12000r/min）；高可靠性（至少保证一年安全连续运行8000h）。一少：即少维修或免维修，毋需看顾。　　二、 化纤纺丝机变频调速控制方案的选择　　1、 变频调速系统控制方案　　为了满足纺丝机"四高一少"的要求，选择控制方案。　　（1） 异步电动机开环变频调速VVVF+IM开环　　虽然电路简单、可靠性大，但是转速精度难以达到0.5～0.01%，所以一般不会选用。　　（2） 异步电动机闭环变频调速VVVF+IM闭环　　该控制方案，每个闭环系统虽可达0.5～0.01%指标，但是几十个闭环系统调整到相同的转速精度十分艰难麻烦。另外，每个闭环系统都有速度传感器，故障率会高些，可靠性这个指标不能满足，故此方案也不宜被采用。　　（3） 永磁同步电动机开环变频调速VVVF+SM开环　　由于同步电动机转速精度仅决定供电频率精度，与负荷变化无关。为此，通常采用高精度的变频调速器和永磁同步电动机构成系统，无需采用闭环控制，就可保证电机转速精度达到0.1%～0.01%。　　对于涤纶高速纺POY和超高速纺工艺来讲，转速8000～12000r/min，这样高的电机速度也是非变频调速莫属。为了保证纤维的纤度均匀，采用了高精度的变频调速器和永磁式同步电动机的结合，无需采用闭环控制，就可以保证电机转速精度达到0.1%～0.01%水平。　　2、 变频调速系统主电路方案　　化纤纺丝机变频调速系统的状况，大致可分为以下三个阶段：　　（1）、大变频调速器驱动　　由一台大功率变频器U来驱动多台永磁同步电动机MS,　　如图1所示。电动机 可逐台起动或分组起动。　　优点： 系统简单、控制方便，不需加任 何措施，可保证多电机同步运行。　　缺点：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 变频器跳闸，造成停产。　　（2）多台小变频器驱动　　每一台电动机均 由一台小变频器驱动，一一对应，如图2所示。对比大变频器驱动，　　优点：a、一台变频器驱动一台 电动机，可以实现软起动，变频器容量基本上与电 动机相同；b、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。　　但也存在问题：a、总设定、总起动调节需另加环节；b、n台变频器输出频率会有离散性，存在一定的误差，为达到转速同步，需加串行通信接口。　　图2 多台小变频器驱动　　图1 大变频调速驱动　　（3）、公用直流电源多台小逆变器驱动　　如图3所示。采用公用直流小逆变器驱动，除了保持小变频器驱动的特点外，还具有下列优点：a、可以实现电动　　图3 公用直流电源多台　　小逆变器驱动　　机电动状态和再生制动状态的能量自动补偿。如纺 丝牵伸联合机、晴纶预牵伸再牵伸机及涤纶短丝后 处理的七辊牵伸机等，为保持一定的牵伸张力，被 拖电机必须处于制动状态。公用直流母排连在一 起，被拖电机变成发电机经续流二极管整流成直流 回馈到直流母线，电机不但无须从电网吸收能量， 还可将能量供给其它逆变器，既有利于直流母线电压稳定，又起到节能之目的。b、可以协调整条生产线各台电动机停车。某台电机停得慢时，它将变为 U-整流器 U1-U6-逆变器 发电状态，使其停车加快；反之，某台电机停得快，直流母排继续对它供电，使其停车慢些，最终各台电动机基本上一起停下来。c、可以防止瞬时停电带来的停役故障。变频器有一个致命弱点，即抗电网瞬时停电能力差。一般几个周波掉电（大于或等于30～50ms）可足以使变频器停役，以致生产损失巨大，特别是纺丝计量泵部分。 如果有两个独立交流电源，分别经整流器送至公用直流母排（需二极管隔离），一旦失掉一路交流电源，仍有另一路交流电源直持，不会停车。d、重要设备电动机可设置"辅助运行逆变器"切换回路，见图4。　　图4 辅助运行逆变器切换 回路　　图5 涤纶长丝纺丝卷绕机电气传动　　化纤纺丝机变频调速归纳如下：　　(1)采用高精度的变频器；　　(2)采用稀土永磁同步电动机；　　(3)采用开环控制变频调速系统；　　(4)趋向采用公用直流电源多台小逆变频器方案。　　三、 稀土永磁同步电动机变频调速在化纤纺丝机上的应用　　1、 涤纶长丝纺丝卷绕机变频调速系统（见图5）。　　图5长纺丝卷绕机电气传动图。一台纺丝机有48个纺丝位， 它对电气传动系统有以下要求：　　（1）、同步和比例同步运转　　为了保持纤维的纤度一致，要求纺丝位不同而功能相同的电动机必须保持绝对同步运转；同一纺位而功　　能不同的电动机之间必须保持比例协调同步运转，以保证牵伸倍数一致。为此，48只计量泵电动机由一台变频器U1供电，同理所有导丝辊、磨擦辊、横动辊都分别由U2、U3、U4、U5供电。变频器均选高精度、数字设定。　　（2）、驱动电动机　　化纤纺丝机为了达到高速度和高精度多电机同步驱动，几乎都采用小型同步电动机，其中永磁式同步电　　动机居多，反应式同步电动机少数（起动电流大，失步力矩小）。目前浙江中源电气有限公司制造的永磁同步电机已在45kw以下，而且价格仅为进口同类电机的1/3左右。由于采用永磁同步电动机，可使用开环控制变频调速，TYBZ稀土永磁同步电动机具有更优的电气性能和节能效益。　　2、晴纶湿法纺丝机变频调速系统　　纺丝部分是按纺位纵向排列的多组抽丝装置，其生产工艺对电气传动有严格的要求。每组抽丝装置由一套纺　　丝设备和一套计量泵设备所组成，均要求精确的连续的速度控制，其调速范围为3:1～7.75:1，转速精度为0.5%。全线多组抽丝装置的纺丝机与计量泵之间需要保持严格地比例同步联动运行，精度亦为0.5%。　　我国大庆石化晴纶厂、上海金山石化晴纶厂、安庆石化晴纶厂都引进了晴纶纺丝设备。都采用变频调速同步　　电机开环控制系统。安庆采用最先进的公用直流电源多台小逆变器方案（图6所示，见后页）。1996年开始金山石化和安庆石化的技改项目中已开始采用浙江中源电气有限公司的稀土永磁同步电动机，并逐渐替代进口的电机。　　图6中一条晴纶纺丝线有相同的六个纺丝单元，每个纺丝单元有5台计量泵同步电动机，由于逆变器供电，所　　以6个单元逆变器共用一台整流器。六台纺丝辊电机则分别由另一组整流器的二台逆变器供电。　　图6 晴纶纺丝机共用直流电源变频调速系统