粘膠長(zhǎng)絲紡絲機(jī)全自動(dòng)靜變頻電源的研制

   粘膠長(zhǎng)絲紡絲機(jī)全自動(dòng)靜變頻電源的研制深圳市華能電子有限公司林東宇獨(dú)特的熱備份功能，同時(shí)對(duì)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題提出了解決辦法。

　　1問(wèn)題的提出在粘膠長(zhǎng)絲纖維半連續(xù)紡生產(chǎn)中，紡絲機(jī)是生產(chǎn)工藝中最關(guān)鍵的設(shè)備。每臺(tái)紡絲機(jī)上裝有數(shù)十臺(tái)電錠，電錠拖動(dòng)離心罐高速旋轉(zhuǎn)，將進(jìn)入離心罐的絲束甩開(kāi)并卷繞成具有一定捻度的絲餅。電錠的轉(zhuǎn)速一般為7500~8500r/min，需要160V/150Hz的特殊中頻電源。長(zhǎng)期以來(lái)，多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)一直采用電動(dòng)機(jī)一中頻發(fā)電機(jī)組提供這種電源。由于電動(dòng)機(jī)一中頻發(fā)電機(jī)組（俗稱動(dòng)變頻）技術(shù)落后，給生產(chǎn)帶來(lái)的弊端十分明顯：電源頻率固定不易調(diào)整，且精度差，穩(wěn)定性也不夠好，絲餅的質(zhì)量難以提高。

　　占地面積大，噪聲嚴(yán)重超標(biāo)。

　　可靠性和備用性差，不能保證機(jī)組故障時(shí)生產(chǎn)的連續(xù)性。紡絲機(jī)電徒停電3秒鐘以上就要重新升頭，每次升頭都要產(chǎn)生廢絲，浪費(fèi)大量原料。

　　隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻裝置的技術(shù)水平和性能不斷提高，采用現(xiàn)有的變頻裝置配合可編程控制器（PLC）構(gòu)成全自動(dòng)靜止型變頻控制系統(tǒng)，取代原有的電動(dòng)機(jī)一中頻發(fā)電機(jī)組已成為必然趨勢(shì)。

　　2靜變頻系統(tǒng)構(gòu)成及性能特點(diǎn)以某化纖廠第三紡絲車間為例，每臺(tái)紡絲機(jī)共有電錠72個(gè)（每個(gè)電錠為140W，額定電每12臺(tái)紡絲機(jī)采用一臺(tái)160kW變頻器驅(qū)動(dòng)，變頻器輸出電壓（AC380V）通過(guò)中頻變壓器（380V/160V）變?yōu)殡婂V額定電壓。同時(shí)，每5臺(tái)變頻器共用一臺(tái)變頻器做為熱備份，通過(guò)可編程控制器PLC構(gòu)成一組全自動(dòng)靜變頻系統(tǒng)，其線路圖如。

　　靜變頻電源系統(tǒng)線路圖根據(jù)粘膠長(zhǎng)絲紡絲機(jī)的工作特點(diǎn)，整個(gè)控制系統(tǒng)的構(gòu)成應(yīng)考慮以下問(wèn)題。

　　2.1變頻器的選型按照生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的習(xí)慣，紡絲機(jī)電錠的啟動(dòng)通常都采用單臺(tái)直接啟動(dòng)的方式；對(duì)于轉(zhuǎn)速高達(dá)80009000rpm的電錠，粘膠長(zhǎng)絲落絲時(shí)需要進(jìn)行反接制動(dòng)快速停車，落絲是根據(jù)分區(qū)數(shù)臺(tái)紡絲機(jī)同時(shí)進(jìn)行的，因此，變頻器的容量一定要留有裕量，一般地，變頻器驅(qū)動(dòng)的電錠總?cè)萘考s為變頻器額定容量的75%左右為宜。

　　另外，由于變頻器輸出直接與中頻變壓器連接，因此，變頻器輸出波形中的諧波含量和直流分量必須處于一個(gè)較低的水平，變頻器應(yīng)該安裝電源測(cè)交流電抗器和直流側(cè)改善功率因數(shù)電抗器，或者在輸出側(cè)安裝濾波器。當(dāng)然，這些條件對(duì)于目前的通用型變頻器是很容易實(shí)現(xiàn)的。

　　2.2PLC控制方式可編程控制器PLC是靜變頻系統(tǒng)的控制中樞，負(fù)責(zé)對(duì)變頻器的啟停、報(bào)警、熱切換和連鎖進(jìn)行控制。PLC的控制有兩種方式：一是采用一臺(tái)中型PLC對(duì)所有變頻器進(jìn)行總體控制，優(yōu)點(diǎn)是控制線路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是，盡管目前PLC產(chǎn)品己經(jīng)具有相當(dāng)高的可靠性，但一旦PLC發(fā)生故障將帶來(lái)大面積的紡絲機(jī)癱瘓，這對(duì)于化纖生產(chǎn)來(lái)說(shuō)幾乎是致命的，如果采用兩臺(tái)中型PLC進(jìn)行互備，則控制線路非常復(fù)雜；第二種辦法是每臺(tái)變頻器都使用一臺(tái)小型PLC控制，然后各個(gè)PLC之間建立關(guān)聯(lián)和互鎖；每個(gè)PLC控制柜中增加應(yīng)急開(kāi)關(guān)，當(dāng)PLC發(fā)生故障時(shí)可以有效切除，并保證變頻器仍然能夠正常運(yùn)行，在保證運(yùn)行可靠性的同時(shí)把事故可能造成的影響降到最小。

　　2.3中頻變壓器的制造中頻變壓器的提法是因?yàn)樽儔浩鞯脑吪c變頻器輸出相連接，其工作頻率（約150Hz）超過(guò)通常的電力變壓器額定頻率（50Hz）。電壓型變頻器輸出電壓中帶有一定含量的高次諧波，使變壓器損耗增加；同時(shí)，由于變頻器控制信號(hào)以及開(kāi)關(guān)器件的誤差，變頻器輸出相電壓的正負(fù)半周總有微小的不對(duì)稱，因此，輸出電壓中包含了一定的直流分量，這對(duì)中頻變壓器的制造和運(yùn)行提出了一定的要求。如果僅僅按照普通變壓器來(lái)制造，會(huì)導(dǎo)致變壓器很快處于磁路飽和狀態(tài)，空載電流很大，根本無(wú)法運(yùn)行。在中頻變壓器的制造過(guò)程中需要采取一些相應(yīng)的措施來(lái)克服以上問(wèn)題，如降低鐵心磁通密度的設(shè)計(jì)值，在鐵心中增加氣隙來(lái)削減直流磁勢(shì)的不良影響，同時(shí)，根據(jù)變頻器輸出的特點(diǎn)，需要增加變壓器的絕緣能力、減少漏抗、提高散熱性等等。

　　2.4熱備份方式熱備份方式是全自動(dòng)靜變頻電源系統(tǒng)的特色之一?？煽康撵o變頻電源是粘膠紡絲機(jī)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的最基本的保證，由于每臺(tái)變頻電源都直接驅(qū)動(dòng)著十幾臺(tái)紡絲機(jī)，因此，一旦一臺(tái)靜變頻電源發(fā)生故障，將使生產(chǎn)受到大面積影響，電錠停電后粘膠長(zhǎng)絲需要重新升頭，不但時(shí)間長(zhǎng)，而且產(chǎn)生大量廢絲，經(jīng)濟(jì)損失很大。因此，盡管目前的變頻器裝置和其他元器件可以保證很篼的可靠性，仍然需要在系統(tǒng)上采用變頻器熱備份方式以確保萬(wàn)無(wú)一失。

　　熱備份方式主要是變頻裝置的備份。根據(jù)紡絲機(jī)的分區(qū)，將幾臺(tái)靜變頻裝置編為一組，采用一臺(tái)變頻器作為共同的備機(jī)；兼顧運(yùn)行可靠性和投資經(jīng)濟(jì)性兩方面，一般采用5-6臺(tái)靜變頻裝置共用一臺(tái)變頻器備機(jī)較為合適。有的場(chǎng)合為了更高的可靠性，還將兩組靜變頻裝置的備機(jī)再做互為備用，但控制電路稍嫌復(fù)雜。

　　備份靜變頻裝置運(yùn)行主要分為兩種方式：n臺(tái)靜變頻主機(jī)共用一個(gè)備機(jī)，其中任何一臺(tái)發(fā)生故障，則立即切換到備機(jī)。主機(jī)故障包括：過(guò)電流、過(guò)負(fù)載、過(guò)電壓、對(duì)地短路、熔斷器斷路、過(guò)熱、CPU異常及其它一些故障，同時(shí)，如果某一臺(tái)靜變頻主機(jī)輸入電源側(cè)發(fā)生異常（缺相、跳閘等等），系統(tǒng)也能夠自動(dòng)將此臺(tái)主機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載切換到備機(jī)運(yùn)行，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

　　全部切換過(guò)程通過(guò)PLC系統(tǒng)完成，主要是對(duì)變頻器切換時(shí)間、切換頻率等參數(shù)進(jìn)行控制，保證相應(yīng)的連鎖關(guān)系，并對(duì)操作人員給予信號(hào)指示。

　　在設(shè)備調(diào)試和檢修期間，可以采用手動(dòng)方式將主機(jī)負(fù)載切換到備機(jī)運(yùn)行。手動(dòng)切換方式仍然通過(guò)PLC進(jìn)行。為了保證系統(tǒng)可靠性，每臺(tái)靜變頻裝置均設(shè)置了應(yīng)急切換開(kāi)關(guān)，一旦某臺(tái)PLC發(fā)生了故障，無(wú)論是自動(dòng)還是手動(dòng)方式下，操作人員都可以通過(guò)應(yīng)急切換開(kāi)關(guān)將該靜變頻主機(jī)切換到備機(jī)運(yùn)行。

　　3現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題及對(duì)策作為粘膠長(zhǎng)絲紡絲機(jī)中頻電源，變頻器的現(xiàn)場(chǎng)使用中有許多獨(dú)特之處，其參數(shù)設(shè)置也與普通負(fù)載不盡相同，主要有以下幾方面：由于電錠工作時(shí)電壓往往不需要高至160V（。某些新型節(jié)能電錠額定電壓更低），因此，變頻器輸出的電壓往往要低至320-350VAC，而在這個(gè)范圍內(nèi)自動(dòng)電壓調(diào)整功能（AVR）不能失效（否則變頻器輸出電壓將正比于輸入電壓），這對(duì)變頻器的選擇提出了一定要求。

　　靜變頻裝置作為一種中頻電源，只運(yùn)行在電錠需要的工作點(diǎn)上，因此，像轉(zhuǎn)矩提升、直流制動(dòng)等一些對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載運(yùn)行相當(dāng)關(guān)鍵的功能參數(shù)反而顯得不甚重要；另外，由于單個(gè)電錠功率較小，通常是變頻器先運(yùn)行在工作頻率后‘電錠再逐個(gè)直接啟動(dòng)，不需要變頻器拖動(dòng)整個(gè)負(fù)載進(jìn)行軟啟動(dòng)，那樣的話效率反而很低。所以，變頻器的加速時(shí)間和減速時(shí)間可以設(shè)置得盡可能短，使變頻器接到運(yùn)行命令后迅速到達(dá)額定工作點(diǎn)，這也符合熱備份切換的要求。

　　靜變頻裝置在進(jìn)行熱備份切換時(shí)，設(shè)定合理的切換時(shí)間和切換頻率至關(guān)重要。熱備份切換時(shí)，主機(jī)輸出側(cè)的接觸器斷開(kāi)后，電錠在慣性作用下仍然保持一定的轉(zhuǎn)速，直到備機(jī)輸出側(cè)接觸器吸合后重新進(jìn)行變頻運(yùn)行。因此，對(duì)于備機(jī)變頻器而言，相當(dāng)于要在線啟動(dòng)正在運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)。要無(wú)沖擊地完成這個(gè)在線啟動(dòng)過(guò)程，并力爭(zhēng)切換時(shí)間盡可能短，需要采取幾個(gè)措施：為了保證切換的安全可靠性，兩個(gè)接觸器的斷開(kāi)和吸合動(dòng)作之間需要一定的時(shí)間間隔，同時(shí)，瞬時(shí)切換時(shí)，備機(jī)變頻器輸出的電壓和電錠殘留的電壓在相位上有很大區(qū)別，容易引起電氣或機(jī)械故障，所以需要足夠的衰減時(shí)間使斷電后電錠的殘留電壓基本消失；但是，切換的間隔時(shí)間越長(zhǎng)，電錠速度下降越多，滑差增大，切換時(shí)產(chǎn)生的波動(dòng)越大，對(duì)生產(chǎn)工藝有影響，根據(jù)多次的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，這個(gè)間隔時(shí)間通常選定在1-2秒內(nèi)較為合適。

　　按照目前大部分通用型變頻器的功能，變頻器啟動(dòng)正在自由旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，需要搜索和檢測(cè)電機(jī)的速度，輸出和電機(jī)速度相當(dāng)?shù)念l率，使電機(jī)不發(fā)生沖擊地平穩(wěn)啟動(dòng)。（如所示）變頻器在線切換示意圖為了縮短時(shí)間tl和t2，盡可能減少電流沖擊，在熱切換過(guò)程瞬時(shí)，備機(jī)變頻器運(yùn)行的頻率應(yīng)該盡量接近電錠實(shí)際轉(zhuǎn)速，這個(gè)頻率值（第二頻率）可以通過(guò)測(cè)算電錠在斷電的時(shí)間內(nèi)（1-2秒）下降的速度，然后折算到變頻器輸出頻率來(lái)完成。實(shí)際上由于電錠驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是圓筒型絲罐，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，慣性大，因此短時(shí)間下降的速度并不多，大約為l-2Hz.這樣備機(jī)變頻器可以在最短的時(shí)間內(nèi)輸出一個(gè)與電錠轉(zhuǎn)速相同的頻率，迅速完成切換過(guò)程。隨后，PLC繼續(xù)給出指令，使備機(jī)變頻器輸出頻率上升到原來(lái)的工作頻率。

　　4使用效果及結(jié)論粘膠長(zhǎng)絲紡絲機(jī)全自動(dòng)靜變頻電源自1992年研制成功以來(lái)，經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和不斷完善，已經(jīng)成為一類成熟的工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品。

　　相比原來(lái)的電動(dòng)機(jī)一中頻發(fā)電機(jī)組，主要有以下兒個(gè)優(yōu)點(diǎn)：供電穩(wěn)定，頻率精度高，使粘膠長(zhǎng)絲產(chǎn)品質(zhì)量提高，等級(jí)率明顯上升。

　　運(yùn)行可靠，在線熱備份的設(shè)計(jì)基本消除了熱停工時(shí)間，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性，使廢絲量大大減少，產(chǎn)品產(chǎn)量顯著提高。

　　裝置維護(hù)量小，降低了電錠燒包率，大大節(jié)省維修費(fèi)用。

　　裝置占地面積小，相比動(dòng)變頻機(jī)組，噪聲大大降低，極大地改善了生產(chǎn)環(huán)境，受到工人歡迎。

　　基于以上幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)大部分粘膠長(zhǎng)絲生產(chǎn)廠都選用了全自動(dòng)靜變頻電源產(chǎn)品，如吉林化纖股份公司、丹東化纖廠、湖北化纖股份公司、宜賓化纖廠、濰坊巨龍化纖股份公司、邵陽(yáng)化纖廠、九江化纖廠等，不但極大地提高了企業(yè)生產(chǎn)裝置的整體技術(shù)水平，而且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。