多電機變頻控制系統在短纖維后紡設備中的應用

　　1 前言

　　短纖維產(chǎn)品如滌綸中空纖維、三葉纖維、七孔中空纖維、十孔中空纖維本、以及各類(lèi)阻燃纖維、抗菌纖維、加硅纖維（PP棉）等，它具有手感好、彈性、蓬松度高的特點(diǎn)，產(chǎn)品適用于生產(chǎn)噴膠棉、無(wú)紡布、針刺布、服裝、玩具、枕芯填充料、踏花被、人造毛皮等等。由于該產(chǎn)品暢銷(xiāo)國內國際市場(chǎng)，很多企業(yè)都在對老線(xiàn)進(jìn)行技術(shù)改造或是引進(jìn)新的生產(chǎn)設備。本文就是針對該系列設備推出的成熟的變頻技術(shù)方案。

　　短纖維設備包括前紡處理和后紡處理兩大設備。其中后紡設備和工序包括：集束----牽伸浸油----卷曲-----熱定型----切斷----打包-----檢驗----成品----出廠(chǎng)。其中最為重要的是從牽伸到卷曲的工藝過(guò)程，該流程中共有4個(gè)傳動(dòng)機構（一道牽伸、二道牽伸、三道牽伸、卷曲），在傳統的工藝中采用一臺大電機通過(guò)機械齒輪來(lái)單軸控制4個(gè)傳動(dòng)。由于單軸傳動(dòng)的弱點(diǎn)逐漸凸顯出現，如齒輪箱損壞率高、牽伸比調節困難、單軸容易斷裂等。因此在目前進(jìn)口的化纖后紡設備中基本上都采用獨立變頻傳動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現。

　　在采用獨立變頻傳動(dòng)的同時(shí)，有二個(gè)最重要的問(wèn)題必須要加以解決：（1）發(fā)電及能量反饋的問(wèn)題；（2）同步牽伸的問(wèn)題。二者都是由于化纖后紡工藝的需要，后紡的一個(gè)重要任務(wù)就是要使纖維絲通過(guò)牽伸速度的不同來(lái)達到工藝要求，這就導致了一道和二道牽伸經(jīng)常處于發(fā)電狀態(tài)；同時(shí)必須保證4個(gè)獨立傳動(dòng)在加減速和恒速中同比例升速，這就引出了同步牽伸的問(wèn)題。

　　2 多電機傳動(dòng)系統的建構

　　在化纖后紡的4個(gè)獨立傳動(dòng)輥中，為保持一定的牽伸比，通常一道牽伸和二道牽伸處于發(fā)電狀態(tài)，三道牽伸和卷曲則處于電動(dòng)狀態(tài)。

　　2.1 電動(dòng)和發(fā)電

　　通常從變頻器調速系統的二種運行狀態(tài)，即電動(dòng)和發(fā)電。在變頻調速系統中，電機的降速和停機是通過(guò)逐漸減小頻率來(lái)實(shí)現的，在頻率減小的瞬間，電機的同步轉速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電機的轉子轉速未變。當同步轉速w1小于轉子轉速w時(shí)，轉子電流的相位幾乎改變了180度，電機從電動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)；與此同時(shí)，電機軸上的轉矩變成了制動(dòng)轉矩Te，使電機的轉速迅速下降，電機處于再生制動(dòng)狀態(tài)。電機再生的電能P經(jīng)續流二極管全波整流后反饋到直流電路。由于直流電路的電能無(wú)法通過(guò)整流橋回饋到電網(wǎng)，僅靠變頻器本身的電容吸收，雖然其他部分能消耗電能，但電容仍有短時(shí)間的電荷堆積，形成“泵升電壓”，使直流電壓Ud升高。過(guò)高的直流電壓將使各部分器件受到損害。

　　圖一 變頻器調速系統的二種運行狀態(tài)

　　如何處理再生電能呢？最簡(jiǎn)單的辦法就是能耗制動(dòng)，它采用的方法是在變頻器直流側加放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來(lái)實(shí)現制動(dòng)，但是由于一道和二道牽伸傳動(dòng)始終處于發(fā)電狀態(tài)，其發(fā)電功率是相當可觀(guān)的，在實(shí)際操作中，需要有龐大的制動(dòng)電阻群。因此如何將該電能利用起來(lái)，是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

　　2.2 多電機傳動(dòng)控制的建構

　　對于頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，或是四象限運行的電機而言，如何處理制動(dòng)過(guò)程不僅影響系統的動(dòng)態(tài)響應，而且還有經(jīng)濟效益的問(wèn)題。于是，回饋制動(dòng)成為人們討論的焦點(diǎn)，然而目前大部分的通用變頻器還不能通過(guò)單獨的一臺變頻器來(lái)實(shí)現再生能量。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文介紹了一種共用直流母線(xiàn)方式的再生能量回饋系統，通過(guò)這種方式，它可以將制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量進(jìn)行充分利用，從而起到既節約電能又處理再生電能的功效。

　　多傳動(dòng)控制回路包括直流輸入回路、直流母線(xiàn)供電回路、若干個(gè)逆變器（或是具有輸入缺相保護的通用變頻器），其中電機需要的能量是以直流方式通過(guò)PWM逆變器輸出。在多傳動(dòng)方式下，制動(dòng)時(shí)感生能量就反饋到直流回路。通過(guò)直流回路，這部分反饋能量就可以消耗在其他處在電動(dòng)狀態(tài)的電機上，制動(dòng)要求特別高時(shí)，只需要在共用母線(xiàn)上并上一個(gè)共用制動(dòng)單元即可。

　　圖二接線(xiàn)是典型的共用直流母線(xiàn)的制動(dòng)方式，根據化纖后紡設備的特點(diǎn)，一道牽伸M1和二道牽伸M2在正常工作時(shí)處于發(fā)電狀態(tài)，三道牽伸M3和卷曲M4則處于電動(dòng)狀態(tài)。由于M1和M2發(fā)電是由于3道牽伸的電動(dòng)所引起的，該2臺電機所產(chǎn)生的回饋能量足以消耗到處于電動(dòng)狀態(tài)下的M3和M4中，而不會(huì )引起直流回路母線(xiàn)電壓的升高，這樣就完全解決了再生能量的制動(dòng)問(wèn)題，從而使系統始終處于比較穩定的狀態(tài)。

　　圖二 共用直流母線(xiàn)的多電機傳動(dòng)方式

　　2.3 直流輸入回路

　　直流輸入回路負責提供多電機傳動(dòng)系統的直流電源，其主要部件為整流器。但是我們知道，當AC/DC電源啟動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)高達系統標稱(chēng)電流50倍的啟動(dòng)電流對輸入電容（本文主要是指VF1-VF4變頻器的電解電容）充電。該啟動(dòng)電流會(huì )導致主電源上電壓降的產(chǎn)生，從而影響連接到同一個(gè)電源網(wǎng)絡(luò )上的其它設備的正常工作，甚至熔斷輸入線(xiàn)路熔絲。通常情況下離線(xiàn)電源的前端由一個(gè)橋式整流器和一個(gè)大容量濾波電容組成，啟動(dòng)時(shí)對大容量濾波電容的充電會(huì )在輸入端產(chǎn)生一個(gè)稱(chēng)之為啟動(dòng)電流的浪涌電流。如果不限制這一啟動(dòng)電流，那么輸入熔絲就可能熔斷或者可能觸發(fā)電路保護斷路器。因此直流輸入回路的核心問(wèn)題是控制啟動(dòng)電流。解決該問(wèn)題的一種方案是將阻抗與一個(gè)硅通路元件或者機電繼電器并聯(lián)，再與整流器串連，這樣就可以大大降低沖擊電流，以保證直流輸入回路的可靠性。

　　2.4 多電機傳動(dòng)的特點(diǎn)

　　化纖后紡設備采用共用直流母線(xiàn)的多電機傳動(dòng)控制方式，具有以下顯著(zhù)的特點(diǎn)：

　　a. 共用直流母線(xiàn)和共用制動(dòng)單元，可以大大減少整流器和制動(dòng)單元的重復配置，結構簡(jiǎn)單合理，經(jīng)濟可靠。

　　b. 共用直流母線(xiàn)的中間直流電壓恒定，電容并聯(lián)儲能容量大；

　　c. 各電動(dòng)機工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補，優(yōu)化了系統的動(dòng)態(tài)特性；

　　d. 提高系統功率因數，降低電網(wǎng)諧波電流，提高系統用電效率。

　　3 多電機傳動(dòng)牽伸同步的控制

　　在化纖后紡設備的四道傳動(dòng)（三道牽伸加卷曲）中，其牽伸比的確定必須以四個(gè)傳動(dòng)電機的速度同步為基準。通常情況下，有一個(gè)主給定信號，同步控制的目標就是將這個(gè)信號按照牽伸比的要求均勻分配到M1、M2、M3、M4四個(gè)變頻器中去，保證四傳動(dòng)無(wú)論在加速、恒速或者減速過(guò)程中都能保持同步的比例性。

　　以下主要討論目前較為常用的三種同步控制方案。

　　圖三 化纖后紡傳動(dòng)的同步控制方案

　　3.1 模擬量同步控制

　　當一臺整機或一條生產(chǎn)線(xiàn)中各個(gè)傳動(dòng)單元分別由獨立的變頻器驅動(dòng)時(shí)，為了保證整機在一個(gè)主令轉速的設置下，各單元同步協(xié)調工作（這里為固定的牽伸比），需要配置同步控制器。該同步控制器可對各單元傳動(dòng)速度分別整定，以實(shí)現各單元以一定的比例速度同步工作，總的主令設定電壓（由電位器決定）通過(guò)給定積分器輸出，可實(shí)現軟起動(dòng)和軟停車(chē)。

　　該同步控制器能輸出多路模擬量信號給變頻器（這里為VF1-VF4）。模擬量輸入設定方法是一種控制精度較高的方法，一般情況下可達電壓“11bit+符號”或電流“10bit”級別的分辨率。

　　3.2 脈沖信號同步控制

　　在電子技術(shù)中，脈沖信號是一個(gè)按一定電壓幅度，一定時(shí)間間隔連續發(fā)出的脈沖信號。我們將第一個(gè)脈沖和第二個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔稱(chēng)為周期；而將在單位時(shí)間（如1秒）內所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數稱(chēng)為頻率。

　　通常情況下，最大輸入脈沖頻率可以在0.1KHz到50KHz之間選擇。VF1變頻器在主令電位器的控制下輸出同步脈沖數給VF2，VF2接受脈沖數進(jìn)行運轉并同時(shí)輸出同步脈沖數給VF3，直到VF4。由于脈沖信號的數字處理技術(shù)和抗干擾能力強，因此在同步控制中也被廣泛使用。

　　3.3 通訊總線(xiàn)同步控制

　　通過(guò)網(wǎng)絡(luò )設定頻率是一種高精度的頻率設定，其具有通訊速率高，穩定可靠，接線(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且在模擬量控制時(shí)，輸出端經(jīng)過(guò)一個(gè)數模轉換器，經(jīng)過(guò)導線(xiàn)，進(jìn)入輸入端（變頻器）又需要經(jīng)過(guò)一個(gè)模數轉換器才能參與控制。兩個(gè)轉換器位數不同和導線(xiàn)損耗都可能造成一定誤差，而通訊傳遞直接是數字量不需要轉換，沒(méi)有誤差，在傳輸過(guò)程中不會(huì )造成損耗，而且響應速度率也會(huì )很高。

　　通常情況下，同步控制可采用RS485總線(xiàn)的異步通訊控制方式，如圖（3）所示。選用變頻器標準內置的RS485可以方便實(shí)現與上位機的通訊，同時(shí)也可掛現場(chǎng)總線(xiàn)或局域網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信息交換，主要有PROFIBUS、Modbus、FF等對應不同的網(wǎng)絡(luò )及總線(xiàn)形式，但必須配用專(zhuān)用接口卡。

　　4 結束語(yǔ)

　　化纖后紡設備的變頻技術(shù)應用應結合工藝本身的要求，選擇具有共用直流母線(xiàn)方式的多電機傳動(dòng)控制結構能夠很好地解決一道和二道的持續發(fā)電問(wèn)題，同時(shí)采用同步控制來(lái)實(shí)現恒定的牽伸比。本方案已經(jīng)在多家短纖維后紡設備的技術(shù)改造中得到成功應用。