粘胶长丝纺丝机全自动静止变频电源的研制,应用案例

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关键词:1,问题的提出在粘胶长丝纤维半边连续纺生产中,纺丝机是生产工艺中最关键的设备。每台纺丝机上装有数十台电锭,电锭拖动离心罐高速旋转,将进入离心罐的丝束甩开并卷绕成具有一定捻度的丝饼。电锭的转速一般为7500-8500r/min,需要160V/150Hz的特殊中频电源。长期以来,多数生产企业一直采用电动机—中频发组提供这种电源。由于电动机—中频发电机组(...
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1 ,问题的提出
在粘胶长丝纤维半边连续纺生产中,纺丝机是生产工艺中最关键的设备。每台纺丝机上装有数十台电锭,电锭拖动离心罐高速旋转 ,将进入离心罐的丝束甩开并卷绕成具有一定捻度的丝饼 。电锭的转速一般为7500-8500r/min,需要160V/150Hz的特殊中频电源。长期以来,多数生产企业一直采用电动机—中频发组提供这种电源。由于电动机—中频发电机组(俗称动变频)技术落后 ,给生产带来的弊端十分明显:
(1) 电源频率固定不易调整,且精度差,稳定性也不够好 ,丝饼的质量难以提高 。
(2) 占地面积大 ,噪声严重超标。
(3) 可靠性和备用性差,不能保证机组故障时生产的连续性。纺丝机电绽停电3秒钟以上就要重新升头,每次升头都要产生废丝 ,浪费大量原料
(4) 耗能严重
随着电力电子技术的飞速发展,变频装置的技术水平和性能不断提高,采用现有的变频装置配合可编程控制器()构成全自动静止型变频控制系统 ,取代原有的电动机-中频发电机组已成为必然趋势 。2,变频系统构成及性能特点
以某化纤厂第三纺丝车间为例,每台纺丝机共有电锭72个(每个电锭为140W ,额字电流0.65A,输入电压160V,频率149Hz±1) ,每12台纺丝机采用一台160kW变频器驱动,变频器输出电压(AC380V)通过中频变压器(380V/160V)变为电锭额定电压。同时,每5台变频器共用一台变频器做为热备份 ,通过可编程控制器PLC构成一组全自动静变频系统 ,其线路图如图1所示。
根据粘胶长丝纺丝机的工作特点,整个控制系统的构成应考虑以下问题:
(1) 变频器的选型
按照生产现场的习惯,纺丝机电锭的启动通常都采用单台直接启动的方式;对于转速高达8000~9000rpm的电锭 ,粘胶长丝落丝时需要进行反接制动快速停车,落丝是根据分区数台纺丝机同时进行的,因此 ,变频器的容量一定要留有裕量,一般地,变频器驱动的电锭总容量约为变频额定容量的75%左右为宜 。
另外 ,由于变频器输出直接与中频变压器连接,因此,变频器输出波形中的谐波含量和直流分量必须处于一个较低的水平 ,变频器应该安装电源测交流电抗器和直流侧改善功率因数电抗器,或者在输出侧安装滤波器 。当然,这些条件对于目前的通用型变频器是很容易实现的。

(2) PLC控制方式
可编程控制器PLC是静变频电源的控制中枢 ,负责对变频器的启停 、报警、热切换和连锁进行控制。PLC的控制有两种方式:一是采用一台中型PLC对所有变频器进行总体控制 ,优点是控制线路简单,缺点是,尽管目前PLC产品已经具有相当高的可靠性 ,但一旦PLC发生故障将带来大面积的纺丝机瘫痪,这对于化纤生产来说几乎是致命的,如果采用两台中型PLC进行互备 ,则控制线路非常复杂;第二种办法是每台变频器都使用一台小型PLC控制,然后各个PLC之间建立关联和互锁;每个PLC控制柜中增加应急开关,当PLC发生故障时可以有效切除 ,并保证变频器仍然能够正常运行,在保证运行可靠性的同时把事故可能造成的影响降到最小 。
(3)中频变压器的制造
中频变压器的提法是因为变压器的原边与变频器输出相连接,其工作频率(约150Hz)超过通常的电力变压器额定频率(50Hz)。电压型变频器输出电压中带有一定含量的高次谐波 ,使变压器损耗增加;同时,由于变频器控制信号以及开关器件的误差,变频器输出相电压的正负半周总有微小的不对称 ,因此 ,输出电压中包含了一定的直流分量,这对中频变压器的制造和运行提出了一定的要求。如果仅仅按照普通变压器来制造,会导致变压器很快处于磁路饱和状态 ,空载电流很大,根本无法运行 。在中频变压器的制造过程中需要采取一些相应的措施来克服以上问题,如降低铁心磁通密度的设计值 ,在铁心中增加气隙来削减直流磁势的不良影响,同时,根据变频器输出的特点 ,需要增加变压器的绝缘能力减少漏抗,提高散热性等等。
(4) 热备份方式
热备份方式是全自动静变频电源系统的特色之一。可靠的静变频电源是粘胶纺丝机连续稳定生产的最基本的保证,由于每台变频电源都直接驱动着十几台纺丝机 ,因此,一旦一台静变频电源发生故障,将使生产受到大面积影响 ,电锭停电后粘胶长丝需要重新升头 ,不但时间长,而且产生大量废丝,经济损失很大 。因此 ,尽管目前的变频器装置和其他元器件可以保证很高的可靠性,仍然需要在系统上采用变频器热备份方式以确保万无一失。
备份静变频装置运行主要分为两种方式:
a) 利用PLC构成自动备份方式
n台静变频主机共用一个备机,其中任何一台发生故障 ,则立即切换到备机。主机故障包括:过电流、过负载 、过电压、对地短路、熔断器断路 、过热、CPU异常及其它一些故障,同时,如果某一台静变频主机输入电源侧发生异常(缺相、跳闸等等) ,系统也能够自动将此台主机驱动的负载切换到备机运行,保证生产的连续性 。
全部切换过程通过PLC系统完成,主要是对变频器切换时间 、切换频率等参数进行控制 ,保证相应的连锁关系,并对操作人员给予信号指示。
b) 手动切换及应急方式
在设备调试和检修期间,可以采用手动方式将主机负载切换到备机运行。手动切换方式仍然通过PLC进行 。为了保证系统可靠性 ,每台静变频装置均设置了应急切换开关 ,一旦某台PLC发生了故障,无论是自动还是手动方式下,操作人员都可以通过应急切换开关将该静变频主机切换到备机运行 。3 ,现场问题及对策
作为粘胶长丝纺丝机中频电源,变频器的现场使用中有许多独特之处,其参数设置与普通负载不尽相同 ,主要有以下几方面:
(1) 由于电锭工作时电压往往不需要高至少160V(某些新型节能电锭额定电压更低),因此,变频器输出的电压往往要低至320-350VAC ,而在这个范围内自动电压调整功能(A)不能失效(否则变频器输出电压将正比于输入电压),这对变频器的选择提出了一定要求。
(2) 静变频装置作为一种中频电源,只运行在电锭需要的工作点上 ,因此,像转矩提升 、直流制动等一些对动态负载运行相当关键的功能参数反而显得不甚重要;另外,由于单个电锭功率较小 ,通常是变频器先运行在工作频率后 ,电锭再逐个直接启动,不需要变频器拖动整个负载进行软启动,那样的话效率反而很低。所以 ,变频器的加速时间和减速时间可以设置得尽可能短,使变频器接到运行命令后迅速到达额定工作点,这也符合热备份切换的要求 。
(3) 静变装置在进行热备份切换时 ,设定合理的切换时间和切换频率至关重要。热备份切换时,主机输出侧的接触器断开后,电锭在惯性作用下仍然保持一定的转速 ,直到备机输出侧接触器吸合后重新进行变频运行。因此,对于备机变频器而言,相当于要在线启动正在运转的电机 。要无冲击地完成这个在线启动过程 ,并力争切换时间尽可能短,需要采取几个措施:
a) 为了保证切换的安全可靠性,两个接触器的断开和吸合动作之间需要一定的时间间隔 ,同时 ,瞬时切换时,备机变频器输出的电压和电锭残留的电压在相位上有很大区别,容易引起电气或机械故障 ,反以需要足够的衰减时间使断电后电锭的残留电压基本消失;但是,切换的间隔时间越长,电锭速度下降越多 ,滑差增大,切换时产生的波动越大,对生产工艺有影响 ,根据多次的现场实践,这个间隔时间通常选定在1-2秒内较为合适。
b) 按照目前大部分通用型变频器的功能,变频器启动正在自由旋转的电机 ,需要搜索和检测电机的速度,输出和电机速度相当的频率,使电机不发生冲击地平稳启动。(如图2所示)为了缩短时间t1和t2 ,尽可能减少电流冲击 ,在热切换过程瞬时,备机变频器运行的频率应该尽量接近电锭实际转速,这个频率值(第二频率)可以通过测算电锭在断电的时间内(1-2秒)下降的速度 ,然后折算到变频器输出频率来完成 。实际上由于电锭驱动的负载是圆筒型丝罐,旋转平稳,惯性大 ,因此短时间下降的速度并不多,大约为1-2Hz。
这样备机变频器可以在最短的时间内输出一个与电锭转速相同的频率,迅速完成切换过程。随后 ,PLC继续给出指令,使备机变频器输出频率上升到原来的工作频率 。4,使用效果及结论
粘胶长丝纺丝机全自动静变频电源自1992年研制成功以来 ,经过大量的现场实践和不断完善,已经成为一类成熟的工业应用产品。相比原来的电动机-中频发电机组,主要有以下几个优点:
(1) 供电稳定 ,频率精度高 ,使粘胶长丝产品质量提高,等级率明显上升。
(2) 运行可靠,在线热备份的设计基本消除了热停工时间 ,保证了生产的连续性,使废丝量大大减少,产品产量显著提高 。
(3) 装置维护量小 ,降低了电锭烧包率,大大节省维修费用 。
(4) 装置占地面积小,相比动变频机组 ,噪声大大降低,极大地改善了生产环境,受到工人欢迎。
(5) 降低能耗。
(6) 投资回报快
基于以上几个优点 ,目前国内大部分粘胶长丝生产厂都选用了全自动静变频电源产品,如吉林化纤股份公司、丹东化纤厂、湖北化纤股份公司 、宜宾化纤厂、潍坊巨龙化纤股份公司、邵阳化纤厂 、九江化纤厂等,不但极大地提高了企业生产装置的整体技术水平 ,而且取得了显著的经济效益 。

参考文献
[1] 王占奎. 变频调速应用百例[M]. 北京:科学出版社 ,1999.
[2] 丁永汀. PWN电压型逆变器输出侧变压器技术要求初探[A]. 中国交流电机调速传动学术会议论文集[C]. 海口,1999.
[3] 富士电机株式会社. 富士变频器FRENIC5000G11S/P11S说明手册.

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