淺談變頻器調速技術在棉紡行業的廣闊前景

時間：2024-09-16 04:09:19 工程力學畢業論文我要投稿

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淺談變頻器調速技術在棉紡行業的廣闊前景

1 引言

我國加入wto后，由于紡織品配額壁壘的取消，中國的傳統產業“棉紡織品”憑其獨特的優勢全方位進軍國際市場，其出口量幾十倍，甚至成百倍地增長。給國際，尤其是歐美市場帶來了新一輪的沖擊波。隨之而來的國際競爭也趨于白熱化，其競爭焦點也突出在質量、品種和價格三大焦點。

如何提高和穩定質量？如何降低成本？如何適應多品種小批量？這些問題已成為棉紡廠老總日夜思考的主旋律。
以上三大問題解決的迫切性，給交流變頻在棉紡行業的使用帶來了前所未有迅速發展的前景。

2 寬范圍的調速及軟啟動能穩定可靠地保證棉紗質量

    (1) 目前不少棉紡老廠50%~60%以上的設備都是五十年代以前的，甚至解放前的設備還在使用。棉紗質量競爭檔次的不斷提高已對這些設備構成了嚴重的威脅，要么淘汰，要么改造，別無他法。可是原棉紡設備中的a字頭梳棉機道夫傳動都采用雙速電機及摩擦離合器形式，因此，從慢速生頭到快速運行時產生的意外牽伸及變速箱齒輪磨損產生的“打頓”使棉條重不勻及cv%嚴重超標，往往使成紗等級大幅下降甚至成為不合格品。
    目前新開發的梳棉機道夫傳動已采用交流變頻加普通異步電動機，由于變頻的升降速范圍很寬，可達0.1~3600秒，且取消變速箱，離合器，直接采用同步齒形帶傳動道夫，升降速非常平穩，傳動精度高，且無噪聲，它的使用從根本上克服了原a字頭梳棉機弊病，從而可確實可靠地保證棉條質量。
    (2) 原粗紗機一直采用錐形(鐵炮)變速機構，但錐形變速皮帶打滑導致變速不準，影響繞紗張力和成形不好的質量問題。現采用交流變頻調速，去掉了錐形變速機構，使以上難題迎刃而解，從根本上把好了粗紗的質量關。而對于細紗機來說，由于新型機采用變頻調速器去掉了成行機構中的成型凸輪，進而克服了由于成行凸輪所造成的桃底有停頓，桃頂有沖擊的難題，使細紗卷繞成形質量大為提高。主電機采用變頻調速后，使得細紗在大、中、小紗時的轉速在變化，大大減少了細紗的斷頭率，使成紗質量得到了可靠保證。

3 充分利用變頻的“節能”功能，可最大限度的降低產品成本

    (1) 由于變頻器具有優越的軟啟動及恒扭矩功能，它可以在100%-150%扭矩下將異步電動機的啟動電流限制在額定電流附近。啟動沖擊對電機容量及電網的限制條件已不存在。采用變頻后可徹底消除以前的大馬拉小車及電動機功率過剩問題。

    以前由于不使用變頻器，為保證啟動時有足夠的扭矩和減少對電網的沖擊，送風及大慣量負載裝機功率往往高出所需功率的40%~50%，變壓器容量也高出實際很多。這樣非但設備投資有很大一塊浪費，而且電動機、變壓器空載損耗(銅耗、鐵耗)的一塊電費也相當驚人。

    (2) 風機、空調變頻調速節能相當可觀
由流體力學可知，風量q與轉速一次方成正比，壓力h與轉速的平方成正比;
q/qe=n/ne
h/he=(n/ne)2
p/pe =(n/ne)3
式中:qe—風機的額定風(流)量;
    he—風機的額定壓力;
    pe—風機的額定功率;
    ne—風機的額定轉速;
    由式中可知，若風機效率一定，當要求調節風量下降時，轉速可成比例下降，此時風機的輸出功率是成立方關系下降。

    風機在棉紡設備中應用量大、面廣，其傳動絕大部分為大功率交流電機，耗電量在棉紡設備中是大戶。以前風機都采用電機恒速傳動，調節風門的辦法調節風量。這種調節方式雖然簡單，但它是以增加管網損失，耗費大量能源為代價的。如采用“風機專用變頻”來自動調速，就可以從根本上防止電能浪費，單從公式p/pe=(n/ne)3來算，其節約的電費就可想而知了。空調是棉紡廠離不開的首選設備，據某大公司提供的數據，今年12臺空調使用變頻后節電24余萬元，空調用電年耗平均下降了7個百分點。

    (3) 變頻器的使用，使原有的傳動機構發生了一個質的飛躍，它變得既簡單，又可靠。拿梳棉機道夫傳動來講，使用變頻取消了減速箱，慣性飛輪，帶電刷的電磁離合器及雙速電機后，以前維修工最頭痛、最繁忙的變速箱漏油問題、齒輪磨損調換問題、離合器失靈損壞問題，工藝變化調換“變產”齒輪問題已全不存在。變頻器的使用，使維修工工作量急劇下降;維修備件倉庫急劇萎縮;梳棉機的停臺率直線下降;而產量、質量卻直線上升。反之，產品的成本亦將成倍下降！

4 變頻器的通訊方式

變頻器強大的通訊及軟件功能幾乎可與所有品牌的plc、工業式觸摸屏及工控機組成、靈活多變的數控系統(見圖1)。

圖1 變頻與plc通訊框圖

通過觸摸屏或鍵盤對軟件中的某些數據稍加改動就可適應新的棉紡工藝。例如在梳棉機上只要改變其“總牽伸比”，“刺棍速度”、“蓋板速度”、“棉條重量”等參數，就可進行新產品試制。使用這種模式后，產品更新快，批量形成早，產品在國際市場上的高速反應能力大大提高，形成你有我有，你無我有的大好局面。

5 交流變頻調速方案的選擇
設備的不同，電動機種類的不同，會出現多種不同的變頻調速方案。這里只討論三相鼠籠異步電動機的調速方案。
(1) 開環控制的通用變頻器調速系統控制框圖見圖2。圖2中vvvf—通用變頻器;m—異步電動機。

圖2 開環異步電動變頻調速

該方案結構簡單，調速范圍較寬，可靠性高，價格低廉。它基本能滿足一般調速精度不十分高的場合。是目前棉紡行業較普遍使用的經濟實惠型品種。其缺點是調速精度較低，一般為2%左右，且低速性能不夠理想，轉速會隨負荷力矩而變動。目前廣泛應用在風機、水泵、空調等一般要求不高的紡機上。

圖3 矢量控制變頻調速

(2) 無速度傳感器的矢量控制變頻調速系統控制框圖如圖3所示，圖3中vvvf—矢量變頻器。

由于矢量變頻器可以分別對電動機的磁通和轉距電流進行檢測、控制，自動改變電壓和頻率，使指令值和檢測實際值達到一致，從而實現了矢量控制。雖然它是開環控制系統，但是大大提升了靜態精度和動態品質，轉速精度可達5%。轉速響應也較快。

在設備要求不是十分高的情況下，采用該方案是非常合適的，它可達到控制結構簡單，可靠性又高的實效，該方案目前已在fa系列梳棉機上開始使用并獲得比較理想的效果。

(3) 帶速度傳感器矢量控制變頻調速系統控制框圖如圖4所示。

圖4 矢量閉環控制變頻調速

矢量閉環變頻調速是一種最為理想的控制方式，他類同于伺服、直流閉環調速，但性價比又大大優于兩者。我廠已在fa218c梳棉機前后比例跟蹤上成功使用該方案，效果非常理想。該方案具有以下優點:

(a) 可以從零轉速起進行速度控制，即甚低速亦能運行，調速范圍可達100:1或1000:1。
(b) 動態響應快，轉速精度高。
(c) 加速度特性好，抗負載突變能力強。
其缺點是:價格較貴，按裝速度傳感器必須與電機同軸，且增加了反饋環節，這些都給安裝維護增加了一定技術難度。
因此對于轉速精度要求不是特別高，負載變化不是十分劇烈的場合，建議選用開環矢量變頻調速系統為好。

6 對付變頻干擾的對策
變頻器內部由于存在igbt等高速工作開關，故在電路中會出現分布電感和分布電容，他們之間的能量轉換產生振蕩現象，形成發射電磁波，從而產生高頻(1ghz左右)電磁噪聲或電磁干擾，干擾嚴重時將會導致弱電設備如plc、電子計數器、工控機等無法正常工作。為此必須采用相應措施:

(1) 布線時，變頻器主回路必須與信號回路垂直或離開20-30公分。
(2) 信號線采用屏蔽線或者塑料絞合線，導線絞合后噪聲信號的大部分會相互抵消。
(3) 變頻必須使用單獨接地極，不能與其它動力設備接地相連。且兩者相距最小為5米，更不能將變頻接地連在零線上。
(4) 頻率參數設置應盡量小于5khz。
(5) 時在變頻器的輸入、輸出端安裝變頻專用濾波器。

7 結論
隨著變頻技術的不斷發展和價格的大幅跳水，其性價比和使用的方便性已在各種電機調速方案中獨占鰲頭�，F在它已成為棉紡設備改造和新機設計的首選產品，其廣闊前景將與日俱增。

參考文獻
[1] 變頻器調速手冊. 兵器工業出版社
[2] 變頻器世界. 京紡國際有限公司
[3] vfd-b臺達變頻使用手冊
[4] 制造業自動化. 《制造業自動化》雜志社

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