变频调速系统在涤纶短丝线中的应用
李潇玮
洛阳实华合纤有限责任公司
2011年6月
变频调速系统在涤纶短丝线中的应用
摘要：
本文介绍五万吨直纺涤纶短纤维生产设备工艺流程，自动化控制系统。
重点阐述共用直流母线变频调速系统在涤纶短纤维后处理联和机中的系统控制组成和应用方案。
关键词：直流母线；变频调速；涤纶短纤维
1引言
随着聚酯纤维工业的快速发展，涤纶短纤维逐渐向大规模、低成本、国产化、多品种方向发展。
我国聚酯纤维工业，从50年代开始研究短纤维到70年代末开始从国外引进成套生产技术设备，仅用二十年的时间，在促进工业发展的快速化方面取得了举世瞩目的成绩。
为满足现代化纺织工业高自动化、高效率、高可靠性和高精度要求，可编程控制器、人机界面和变频器传动控制在纺织工业上取得了广泛应用。
2直纺涤纶短纤维生产工艺
涤纶生产线，整个生产系统是由前纺部分和后纺部分组成。
生产工艺流程：熔体自聚合釜出口——增压泵——过滤器——聚合物热交换器——熔体分配器——静态混合器——冷冻阀——纺丝箱体——纺丝计量泵——纺丝组件——中心吹风筒——纺丝上油——卷绕集束——卷绕牵引机——喂入轮——盛丝桶——
后纺集束装置——导丝机——一水浴牵伸槽——道牵伸机——二道牵伸机——蒸汽加
热箱——紧张热定型Ⅰ——紧张热定型Ⅱ——紧张热定型Ⅲ——张热定型Ⅳ——油剂
喷淋——三道牵伸机——叠丝机——三棍牵引机——张力架——蒸汽预热箱——卷曲机——铺丝机——松弛干燥机——张力机——切断机——打包机
后纺中最为重要的是从牵伸到卷曲的工艺过程，该流程中共有4个传动机构（一道牵伸、二道牵伸、三道牵伸、卷曲），在传统的工艺中采用一台大电机通过机械齿轮来单轴控制4个传动。
由于单轴传动的弱点逐渐凸显出现，如齿轮箱损坏率高、牵伸比调节困难、单轴容易断裂等。
因此在目前进口的化纤后纺设备中基本上都采用独立变频传动的方式来实现。
2.1前纺纺丝机生产工艺流程
前纺纺丝机生产工艺流程图如下：
图1 前纺纺丝机生产工艺流程图
（1）纺丝：聚脂材料挤压后，变成溶体，并溶体管道连续输送到纺丝箱体。
纺丝箱体上装有纺丝计量泵，溶体从纺丝计量泵上以均匀流速传至纺丝组件，过滤后从喷丝板上小孔中挤压成束，一个喷丝板喷出丝约有4800条，喷出后丝束一个快速冷却风管，然后将众多聚脂纤维集结一起，并上油后，传至卷绕机上面。
（2）卷绕机：将上油后落下36股丝束合并成一股丝束，牵引，经喂入轮落入到盛丝桶中，做为后纺部分原材料。
2.2后纺纺丝机生产工艺流程
前纺纺丝部分，生产完成后，所形成丝束叠放盛丝桶中，这种丝是未牵伸丝，无法直接使用，尚需要进行进一步处理。
后纺部分牵伸就是对放盛丝桶中未牵伸丝进行再度牵伸，后纺部分，需要热牵伸（牵伸比例3.2～3.6倍）、卷曲、热定型、切断、打包等工艺，做为涤纶短纤维成品出厂。
后纺部分，原丝主要三道牵伸，将丝长度均匀拉伸到原来3.2～3.6倍，并可以对产品要求，这三道牵伸里面对拉伸比例作一定调整。
原丝拉伸后，进入到卷曲工艺，主增加丝弹性以及可纺性，然后烘干，切断成一定长度短纤维，即可出厂。
3短纤维装置变频调速系统
纺丝机对电气传动的要求为“四高”和“一少”。
●四高:即高同步性(一台纺丝机不同纺位的电机转速要求横向转速一致，纵向比例同步);高精确性(转速稳定，精确度高达0.1%～0.01%);高转速或甚高转速(在没有升速齿轮箱条件下，电机转速高达8000～9000r/min);高可靠性(至少保证一年安全连续运行8000小时)。
●一少:即少维修或免维修，无须照看。
在采用了高精度的变频调速器和永磁同步电动机组成的调速系统后，高同步、高精度、高转速和少维修可以实现，但高可靠性还做不到，影响了纺丝装置安稳长满优生产。
以3万吨/年短丝生产线为例，其日产量为100吨短纤维，若外来电网瞬时低电压(或瞬时失电)，引起计量泵变频器停役电机停转，会造成聚酯熔体压力增大，迫使聚酯装置熔体增压泵停止，从而影响聚酯装置正常生产。
3.1前纺变频调速系统特点分析(由ups供电、小逆变器永磁同步电动机开环同步拖动系统）
图2前纺装置变频调速系统
正常情况下由市电进行供电，若电网瞬时失电或低电压，由电子开关控制自动切换到蓄电池供电，确保逆变器不受影响。
为保证纺丝的精度，前纺没有采用1台逆变器带1台电动机的控制方式，而是由2台大逆变器分别向36台计量泵电机(永磁同步电动机)提供可变频交流电源。
装置控制采用集散式数字工艺控制系统(dcs)和微处理机网络系
统，在两台逆变器之间用plc加串行通信接口组成开环控制，确保两变频器的输出频率相同，即保证了36台计量泵电动机转速的绝对同步。
在前纺调速系统中，36台计量泵电动机、6辊导丝辊电动机及喂入轮电动机的所有逆变器均接在共用直流母线上。
3.2后纺变频调速系统特点分析
后纺部分变频器系统配置情况如下图所示：
图3 后纺变频器系统配置
后处理装置中牵伸、紧张热定型、叠丝、卷曲的拖动采用共用直流多逆变器变频调速系统，其逆变器接同一直流母线。
电动机则采用大功率的异步电动机。
共用直流母线由＃1、＃2整流装置供电。
两套整流器的叠加既可扩大容量，又可减少纹波和谐波，稳定直流电压。
(1)采用共用直流母线可以自适应调整不同牵伸比条件下被拖电动机的制动力矩。
比如对某一设定好的牵伸比，头道、二道、三道牵伸机的转速分别为n1、n2、n3，由于丝的张力作用，在没有制动功能时，头道牵伸辊会被后面牵伸辊拖着跑，而现在采用共用直流母线的变频调速后，一旦n1的数值超过设定值，电动机便进入了再生发电制动状态。
一方面被拖电机变成发电机，发出的电能经续流二极管整流变成直流回馈到直流母线，电动机不仅无须从电网吸收能量，还可将制动能量供给其他逆变器，既可稳定直流母线电压，又由于电动机容量较大(如第二牵伸机电动机为400kw)，电能节约也相当可观。
另一方面，被拖电动机处于制动状态，只要设置相应的频率比，就能控制转速比，确保了牵伸比控制精度。
(2)涤纶短丝后处理牵伸紧张热定型联合机组是涤纶短纤维生产中的一道关键工
序，主要承担着将原丝按一定牵伸倍率进行拉伸和定型。
直流电动机虽然在调速的范围、调速的精度及动态响应等方面性能较好，但直流拖动最致命的问题就是直流电动机的维护和保养很麻烦，并且对环境要求也较高。
采用交流变频调速，各道牵伸辊具有独立的变频传动，只需改变各变频器的频率就能方便调整工艺需要的牵伸倍率。
后纺部分牵伸段变频器线路图如下：
图4 牵伸部分线路图
共母线四台变频器都接触器和熔断器后，将自己母线接到共用母线上面去，接触器通断由变频器PA－PC输出READY信号控制，针对共母线方案，变频器功能码当中还增加了一个功能FA.16（READY延时输出），调试时变频器功率大小，设置不同延时输出时间，保证先把功率大变频器接到母线上面。
3.3生产线整线速度闭环系统
整个后纺生产中，各个牵伸速度大小，将直接影响到纤维丝质量好坏。
影响纤维丝质量好坏主要表现两个方面：
（1）单台变频器速度精度；
（2）各牵伸之间速度关系，也就是要保证张力恒定；
单台变频器上，我们选择了速度精度很高TD3000系列矢量型变频器，并采取了闭环矢量控制，每台牵伸变频器上，增加了旋转编码器，控制精度达到了0.05%。
考虑到各个牵伸之间关系，各个牵伸之间速度必须进行严格控制，任何时候，要保证各个牵伸之间速度比值是一个恒定值。
，我们单台闭环矢量基础上，增加了整条生产线速度闭环控制。
因后纺部分用到了PROFIBUS总线控制，这样，就上位机中，对整车速度进行实时监控并计算，并选择一个参考点，一旦计算出某个环节变频器实际速度不符合要求，上位机立即给出频率修改指令，调整这一台变频器速度，保证整线速度之间比例关系恒定。
4结束语
化纤后纺设备的变频技术应用应结合工艺本身的要求，选择具有共用直流母线方式的多电机传动控制结构能够很好地解决一道和二道的持续发电问题，同时采用同步控制来实现恒定的牵伸比。
参考文献
[1] 刘亮喜. 化纤纺丝机的变频调速系统[J]. 电世界， 1998,(8):10-11.
[2] 张仁飞. 涤纶二厂短丝前纺变频调速现状分析暨改造方案. 金山石油化纤，1993,(2):26-28.
[3] 范士强. system/UPS在3万吨/年短丝装置中的应用[C]. 技术论文,2002.。