粘膠長絲紡絲機全自動靜變頻電源的研制

   粘膠長絲紡絲機全自動靜變頻電源的研制深圳市華能電子有限公司林東宇獨特的熱備份功能，同時對實際應(yīng)用中出現(xiàn)的現(xiàn)場問題提出了解決辦法。

　　1問題的提出在粘膠長絲纖維半連續(xù)紡生產(chǎn)中，紡絲機是生產(chǎn)工藝中最關(guān)鍵的設(shè)備。每臺紡絲機上裝有數(shù)十臺電錠，電錠拖動離心罐高速旋轉(zhuǎn)，將進入離心罐的絲束甩開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。長期以來，多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)一直采用電動機一中頻發(fā)電機組提供這種電源。由于電動機一中頻發(fā)電機組（俗稱動變頻）技術(shù)落后，給生產(chǎn)帶來的弊端十分明顯：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，噪聲嚴重超標。

　　可靠性和備用性差，不能保證機組故障時生產(chǎn)的連續(xù)性。紡絲機電徒停電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)成全自動靜止型變頻控制系統(tǒng)，取代原有的電動機一中頻發(fā)電機組已成為必然趨勢。

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

　　靜變頻電源系統(tǒng)線路圖根據(jù)粘膠長絲紡絲機的工作特點，整個控制系統(tǒng)的構(gòu)成應(yīng)考慮以下問題。

　　2.1變頻器的選型按照生產(chǎn)現(xiàn)場的習慣，紡絲機電錠的啟動通常都采用單臺直接啟動的方式；對于轉(zhuǎn)速高達80009000rpm的電錠，粘膠長絲落絲時需要進行反接制動快速停車，落絲是根據(jù)分區(qū)數(shù)臺紡絲機同時進行的，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較低的水平，變頻器應(yīng)該安裝電源測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。當然，這些條件對于目前的通用型變頻器是很容易實現(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，負責對變頻器的啟停、報警、熱切換和連鎖進行控制。PLC的控制有兩種方式：一是采用一臺中型PLC對所有變頻器進行總體控制，優(yōu)點是控制線路簡單，缺點是，盡管目前PLC產(chǎn)品己經(jīng)具有相當高的可靠性，但一旦PLC發(fā)生故障將帶來大面積的紡絲機癱瘓，這對于化纖生產(chǎn)來說幾乎是致命的，如果采用兩臺中型PLC進行互備，則控制線路非常復(fù)雜；第二種辦法是每臺變頻器都使用一臺小型PLC控制，然后各個PLC之間建立關(guān)聯(lián)和互鎖；每個PLC控制柜中增加應(yīng)急開關(guān)，當PLC發(fā)生故障時可以有效切除，并保證變頻器仍然能夠正常運行，在保證運行可靠性的同時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為變壓器的原邊與變頻器輸出相連接，其工作頻率（約150Hz）超過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，由于變頻器控制信號以及開關(guān)器件的誤差，變頻器輸出相電壓的正負半周總有微小的不對稱，因此，輸出電壓中包含了一定的直流分量，這對中頻變壓器的制造和運行提出了一定的要求。如果僅僅按照普通變壓器來制造，會導(dǎo)致變壓器很快處于磁路飽和狀態(tài)，空載電流很大，根本無法運行。在中頻變壓器的制造過程中需要采取一些相應(yīng)的措施來克服以上問題，如降低鐵心磁通密度的設(shè)計值，在鐵心中增加氣隙來削減直流磁勢的不良影響，同時，根據(jù)變頻器輸出的特點，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靜變頻電源系統(tǒng)的特色之一。可靠的靜變頻電源是粘膠紡絲機連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的最基本的保證，由于每臺變頻電源都直接驅(qū)動著十幾臺紡絲機，因此，一旦一臺靜變頻電源發(fā)生故障，將使生產(chǎn)受到大面積影響，電錠停電后粘膠長絲需要重新升頭，不但時間長，而且產(chǎn)生大量廢絲，經(jīng)濟損失很大。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無一失。

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

　　備份靜變頻裝置運行主要分為兩種方式：n臺靜變頻主機共用一個備機，其中任何一臺發(fā)生故障，則立即切換到備機。主機故障包括：過電流、過負載、過電壓、對地短路、熔斷器斷路、過熱、CPU異常及其它一些故障，同時，如果某一臺靜變頻主機輸入電源側(cè)發(fā)生異常（缺相、跳閘等等），系統(tǒng)也能夠自動將此臺主機驅(qū)動的負載切換到備機運行，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

　　全部切換過程通過PLC系統(tǒng)完成，主要是對變頻器切換時間、切換頻率等參數(shù)進行控制，保證相應(yīng)的連鎖關(guān)系，并對操作人員給予信號指示。

　　在設(shè)備調(diào)試和檢修期間，可以采用手動方式將主機負載切換到備機運行。手動切換方式仍然通過PLC進行。為了保證系統(tǒng)可靠性，每臺靜變頻裝置均設(shè)置了應(yīng)急切換開關(guān)，一旦某臺PLC發(fā)生了故障，無論是自動還是手動方式下，操作人員都可以通過應(yīng)急切換開關(guān)將該靜變頻主機切換到備機運行。

　　3現(xiàn)場問題及對策作為粘膠長絲紡絲機中頻電源，變頻器的現(xiàn)場使用中有許多獨特之處，其參數(shù)設(shè)置也與普通負載不盡相同，主要有以下幾方面：由于電錠工作時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，而在這個范圍內(nèi)自動電壓調(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，只運行在電錠需要的工作點上，因此，像轉(zhuǎn)矩提升、直流制動等一些對動態(tài)負載運行相當關(guān)鍵的功能參數(shù)反而顯得不甚重要；另外，由于單個電錠功率較小，通常是變頻器先運行在工作頻率后‘電錠再逐個直接啟動，不需要變頻器拖動整個負載進行軟啟動，那樣的話效率反而很低。所以，變頻器的加速時間和減速時間可以設(shè)置得盡可能短，使變頻器接到運行命令后迅速到達額定工作點，這也符合熱備份切換的要求。

　　靜變頻裝置在進行熱備份切換時，設(shè)定合理的切換時間和切換頻率至關(guān)重要。熱備份切換時，主機輸出側(cè)的接觸器斷開后，電錠在慣性作用下仍然保持一定的轉(zhuǎn)速，直到備機輸出側(cè)接觸器吸合后重新進行變頻運行。因此，對于備機變頻器而言，相當于要在線啟動正在運轉(zhuǎn)的電機。要無沖擊地完成這個在線啟動過程，并力爭切換時間盡可能短，需要采取幾個措施：為了保證切換的安全可靠性，兩個接觸器的斷開和吸合動作之間需要一定的時間間隔，同時，瞬時切換時，備機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，容易引起電氣或機械故障，所以需要足夠的衰減時間使斷電后電錠的殘留電壓基本消失；但是，切換的間隔時間越長，電錠速度下降越多，滑差增大，切換時產(chǎn)生的波動越大，對生產(chǎn)工藝有影響，根據(jù)多次的現(xiàn)場實踐，這個間隔時間通常選定在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，變頻器啟動正在自由旋轉(zhuǎn)的電機，需要搜索和檢測電機的速度，輸出和電機速度相當?shù)念l率，使電機不發(fā)生沖擊地平穩(wěn)啟動。（如所示）變頻器在線切換示意圖為了縮短時間tl和t2，盡可能減少電流沖擊，在熱切換過程瞬時，備機變頻器運行的頻率應(yīng)該盡量接近電錠實際轉(zhuǎn)速，這個頻率值（第二頻率）可以通過測算電錠在斷電的時間內(nèi)（1-2秒）下降的速度，然后折算到變頻器輸出頻率來完成。實際上由于電錠驅(qū)動的負載是圓筒型絲罐，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，慣性大，因此短時間下降的速度并不多，大約為l-2Hz.這樣備機變頻器可以在最短的時間內(nèi)輸出一個與電錠轉(zhuǎn)速相同的頻率，迅速完成切換過程。隨后，PLC繼續(xù)給出指令，使備機變頻器輸出頻率上升到原來的工作頻率。

　　4使用效果及結(jié)論粘膠長絲紡絲機全自動靜變頻電源自1992年研制成功以來，經(jīng)過大量的現(xiàn)場實踐和不斷完善，已經(jīng)成為一類成熟的工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品。

　　相比原來的電動機一中頻發(fā)電機組，主要有以下兒個優(yōu)點：供電穩(wěn)定，頻率精度高，使粘膠長絲產(chǎn)品質(zhì)量提高，等級率明顯上升。

　　運行可靠，在線熱備份的設(shè)計基本消除了熱停工時間，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。

　　裝置維護量小，降低了電錠燒包率，大大節(jié)省維修費用。

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

　　基于以上幾個優(yōu)點，目前國內(nèi)大部分粘膠長絲生產(chǎn)廠都選用了全自動靜變頻電源產(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)濟效益。