粘膠長(zhǎng)絲紡絲機(jī)全自動(dòng)靜止變頻電源的研制

1、粘膠長(zhǎng)絲紡絲機(jī)全自動(dòng)靜止變頻電源的研制1、問(wèn)題的提出 在粘膠長(zhǎng)絲纖維半邊連續(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)中頻發(fā)電機(jī)組提供這種電源。由于電動(dòng)機(jī)中頻發(fā)電機(jī)組(俗稱(chēng)動(dòng)變頻)技術(shù)落后，給生產(chǎn)帶來(lái)的弊端十分明顯: (1)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。 (2)占地面積大，噪聲嚴(yán)重超標(biāo)。 (3)可靠性和備用性差，不能保證機(jī)組故障時(shí)生產(chǎn)的

2、連續(xù)性。紡絲機(jī)電綻停電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 (4)耗能?chē)?yán)重 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)-中頻發(fā)電機(jī)組已成為必然趨勢(shì)。 2、變頻系統(tǒng)構(gòu)成及性能特點(diǎn) 以某化纖廠第三紡絲車(chē)間為例，每臺(tái)紡絲機(jī)共有電錠72個(gè)(每個(gè)電錠為140W，額字電流0.65A，輸入電壓160V，頻率149Hz1)，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

3、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)，其線路圖如圖1所示。 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: (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(chē)，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)

4、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)PLC控制方式 可編程控制器PLC是靜變頻電源的控制中樞，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)品已經(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)P

5、LC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。 (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(chēng)，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

6、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。 （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高的可靠性，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

7、。 備份靜變頻裝置運(yùn)行主要分為兩種方式: a)利用PLC構(gòu)成自動(dòng)備份方式 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。 b)手動(dòng)切換及應(yīng)急方式 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

8、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)置與普通負(fù)載不盡相同，主要有以下幾方面: (1)由于電錠工作時(shí)電壓往往不需要高至少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。 (2)靜變頻裝置作為一種

9、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。 (3)靜變裝置在進(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

10、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: a)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，反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。 b)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)。(如圖2所示) 為了縮短時(shí)間t1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