交流电机变频调速技术已成为现代化纤行业必备的工艺技术.docx

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交流电机变频调速技术已成为现代化纤行业必备的工艺技术

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来源：

砸金花

许多负载第一次应用变频技术都有深圳华能公司的参与，如输油泵（87年大庆采油二厂集输站11套）、20吨桥式起重机（89年独山子石化公司炼油厂）、焦化桥式吊车（91年茂名石化公司）、20吨转炉倾动及氧枪升降（93年承德钢厂三套）、腈纶纺丝生产线（94年大庆化纤厂）、2.8m×44m回转窑（90年株州有色金属冶炼厂）、3.6m×30m煅烧炉（92年唐山碱厂）、大型辊道（93年鞍钢中型厂后送工序改造采用变频50多台）、海上平台电源（92年南海石油西部公司装备部）、150hz/160v200kw电源（89年邵阳化纤厂9套、吉林化纤厂28套、湖北化纤厂14套、九江化纤厂12套、宜宾化纤厂8套）、1250kw/6000v电场引风机（98大庆新华电厂二套）、高压氨泵（97年长岭炼油厂、辽河化肥厂）等。

在化纤行业，其业绩多多，下面逐一说明。

2腈纶生产线纺丝的工艺复杂，工位多，要求张力控制，有的要求位置控制。

大庆腈纶厂95年对其引进美国chemtex公司采用美国acc工艺技术的年产5万吨腈纶生产线进行了变频plc改造。

我们采用了“同步运行方式”，设置“无张力控制环节”、“松紧架同步装置”、“总线速度控制方式”、“转矩矢量控制”等技术，使整条生产线20个丝束处理单元同步运行，平稳可靠，牵伸倍率由1.04到1.4，年增产达382吨，故障降低、节省维修费57.5万元，年提高产品质量、提高等级合格率经济效益达325万元，年节电58万kw。

97年该工程通过中国石化总公司鉴定，专家结论达到90年代国际先进水平。

兰化化学纤维厂是我国1965年从英国考陶尔（courtaulds）引进的第一套8000t/a腈纶生产装置，生产工艺采用硫氰酸钠一步法。

腈纶生产过程是一种相当精细的生产过程，调速精度要求非常高。

除纤维的成型和后处理以及毛条加工直接依赖调速外，纺前准备和原液系统的液位、压力、流量控制以及生产的平稳性、丝束质量、能耗、物耗等都与调速性能有直接或间接的关系。

该纺丝生产线长达170m，各道工序丝束的运行速度都是根据工艺要求来设定的。

原设计速度控制系统全部采用滑差电机、直流电机及与其配套的电子系统来实现，但由于原英国装置已运行20多年，设备严重老化、故障率高，加上设备本身复杂，维修量大，生产上往往一处波动都会引起全线波动，甚至造成全线停车，生产稳定性差，非计划停车次数多，产品质量难以保证。

1995年对纺丝生产线的调速系统及主要调速设备进行了全面改造。

三条纺丝生产线共安装变频调速器113台，全部淘汰了滑差电机和直流电机，生产稳定性明显提高，非计划停车次数逐步减少，废丝、废胶量明显降低，产品质量有了显著的提高。

采用变频调速技术后，1995年产量达到16000t/a，把原设计能力翻了一番。

这一成绩的取得，除设备改造更新后，积极大胆广泛地采用变频调速技术也是关键因素，仅增加产量一项，每年即可创效益近500万元以上。

变频调速技术因其稳定性好，可靠性高，大大提高了设备的运行周期，使过去由于电气仪表原因造成的非计划停车次数大幅度下降，每年可增加产量近150吨，增加效益近百万元。

产品质量有了明显提高，废丝、废胶率逐年下降，nascn等原料的单耗亦下降，生产成本降低。

1995年与1993年相比，减少废丝294.004吨，废胶450.151吨，增加利润89.49万元。

节约nascn320.16吨，增加利润192.096万元，节约材料费近30万元。

合计增加效益311.50万元。

从表1可知，节电效果显著，经实测，当用变频调速器协调控制时，电机使用功率平均比原来下降50%以上。

该厂目前有200台电动机使用了变频调速器，其使用变频器前电动机功率总和为828.4kw，使用后功率总和为467.61kw。

每台电动机按设计一年运行8000小时，（实际上大于8000小时）则每年可节电288万kw.h，每度电按0.21元计，每年可节约60万元左右。

200台变频器投资约300万元，综合效益1000万元。

3涤纶前纺生产线仪征化纤联合公司涤纶一厂前纺变频控制系统是80年代引进西德aeg公司技术，由国内组装的scr逆变器，由于系统是分立器件，可靠性低，由于scr不能自关断、要是使其关断，增加强迫关断电路，使设备体积增大。

由计量泵和卷绕机构组成一条生产线，计量泵有24台、由1台变频器控制，卷绕由7辊、5辊和喂入轮组成。

7辊有7台电机，由1台变频器控制。

5辊有5台电机，由1台变频器控制，喂入轮1台电机由单台变频器控制。

为了保证精度，从计量泵到卷绕机构共计37台电机全部采用永磁或永磁反应式同步电机，卷绕7辊、5辊和喂入轮严格按工艺给定的比例运行，保证微张力牵伸。

并要求在低速伸头完成后，卷绕各辊按比例和固定的斜率升到高速生产。

原系统为4备1（或2备1）系统，即有4条常用生产线，1条线后备，主回路由电磁接触器联锁切换，控制信号的逻辑电路由中间继电器构成并完成切换，而模拟电路（如设定信号、比例信号）的切换，靠更换接插头电缆完成，切换很频繁，与中央控制的逻辑联系靠很多中间继电器来完成。

由于控制落后，严重影响了生产，已造成必然。

1993年深圳华能公司和涤纶一厂工同设计了由富士变频器和可编程控制器组成的前纺电气传动控制系统。

该系统频率设定电路采用数字设定方法，不仅达到工艺要求的高精度要求，设定分辨率达到0.01hz，而且从根本上解决了模拟设定电路的温度漂移问题。

在调试和生产运行中证明了这一点。

系统的所有操作，即变频器的启动、停止，包括现场的低速、高速信号和系统间的连锁信号与仪表系统的信号控制、主台与备台的切换逻辑连锁，全部用1台plc来实现，大大简化了外部接线，省去了所有的中间继电器，从而大大提高了系统的可靠性，因为plc的所有输入、输出均有指示，也为系统的维护带来很多便利条件。

以主台与备台的切换举例，原系统在主备台切换时，有专用的切换控制柜，在切换柜上完成主回路的切换，有一批中间继电器完成相应的逻辑连锁。

变频器的模拟设定等信号要靠接插件改变连接来实现，而现在的系统只要一只转换开关，就可将主回路的切换和控制回路、设定电路的所有信号的切换工作完成，中间逻辑、连锁逻辑完全由plc的软件来实现，从而大大简化了切换操作，提高了切换速度，降低了故障率。

4切断机仪征化纤工业联合公司涤纶四厂纺丝车间切断机为20世纪80年代引进德国产品，属双闭环直流调速控制，投产以来，逐渐暴露一点问题，不能适应“安、稳、长、满、优”的要求，其问题是:

（1）系统振荡。

控制系统属于双闭环直流调速，对速度环，电流环和反馈等参数的调整配合要求相当高。

稍有参数调整不当，反馈信号干扰，就会产生切断机刀盘振荡，造成切丝长度不等，机械齿轮磨损等，严重影响纺丝的正常运行。

（1）插卡故障高。

由于该系统由两组可控硅实现正、反转，现场操作正、反转频繁，系统经常在两个象限间变化，因而封锁逻辑功能负担很重。

在使用过程中，曾出现封锁逻辑损坏现象。

（3）制动抱闸卡死。

系统制动部分采用电磁抱闸原理。

实际运行中，启停车相当频繁，而制动单元摩擦片极易损坏并卡死，现场条件又使得换卸工作相当不便，这种类型故障往往需相当长时间才能修复，严重影响生产。

（4）电机碳刷磨损快、火花大。

直流电机及测速发电机碳刷磨损快，经常造成火花增大，从而使系统稳定性、可靠性降低，并增加了日常工作的维护量。

为此，1993年在深圳华能的配合下，对该设备进行了改造，设计方案的特点如下:

4.1新系统的特点

（1）在新系统中，核心环节变频单元，选择了具有90年代水平日本富士公司生产的frn5000g7s系列变频器，该变频器控制器采用了双16位cpu，并具有高速转矩限定，转差率补偿控制等特殊功能。

对中心环节-信号处理单元，选择了具有90年代先进水平的可编程控制器。

（2）新系统中采用了微处理机，增加了全工艺流程显示功能，一旦出现故障，马上能采取相应的处理手段，充分利用富士变频器的优点，对输出电流、输出频率（输出转速）都做了限定（并对其数据进行加权处理），从而提供了系统的可靠性。

（3）利用国产交流电机与系统配套，采用原系统中的产量显示功能，可靠并降低了成本。

（4）由于富士变频控制器、微处理机都具有计算机通讯接口，便于今后系统扩充，系统联网。

实践证明，新设计的系统是十分成功的。

4.2新系统的运行效果新系统于1993年3月制造完成，4月调试空运成功。

7月上机运行，经过5个月的运行，证明其性能优异，完全满足工艺生产要求。

运行稳定、可靠，无任何故障出现，具有很强的实用性，完全达到原系统的指标，经试用证明，新系统的运行效果如下:

（1）该系统控制性能，产品适应范围（调速范围）达到并超过了原德国设计系统，切断速度在原设计50~350m/min之内系统控制稳定，并根据工艺要求可调。

（2）新系统保护功能强（13种），并具有故障记忆、自诊断、显示功能。

对分析故障及解决问题提供了强有力的手段。

（3）调试简单。

新系统所有参数的设定及修改均由面板的主键盘来完成。

与以前的系统相比，大大缩短了时间，简化了调整方法，使其更易掌握。

（4）新系统中采用的变频器具有很多独特的、有实用价值的功能。

如高速转矩的计算、转矩的限定、电流限定等功能。

这些特性保证了新系统的性能优异。

（5）新系统功率因数高，谐波成分小。

因为系统中变频器整流侧采用的二极管桥，因此实测功率因数都很高，均在0.95以上，而原设计系统功率因数值仅在0.45~0.8之间。

（6）新系统有比较优越的价格性能比，而且体积小，重量轻，更换方便。

（7）系统可靠性高。

由于该系统采用交流电机，无滑环和炭刷、不可能打火和更换，提高了设备可靠性。

（8）提高生产效益。

原切断机投产以来，累计故障停产50次，每次平均1.5天。

（9）电控系统比较如表2所示。

5长丝高速纺天津石油化工厂高速纺螺杆挤压机调速系统是80年代由日本引进的。

经过几年来（特别是近年来）的运行，逐渐暴露出了问题。

（1）不适应符合品种大范围变化的需求，生产过程中时有跳闸现象出现（先天存在）。

据开车6年来统计，每年均在十次以上（90、91年多达40次/年以上），严重影响了纺机的正常运行。

（1）由于现场环境不良等原因，造成pg测速反馈环节故障而导致的螺杆挤压机停车现象也屡有发生（开车以来发生16起）。

（3）原装置功率因数低，谐波成分高，对电网污染大。

（4）原装置本身由于元器件等问题，近年来也偶有故障发生，然而备件供应困难、周期长（要2年左右），价格高（一套控制板要13万元人民币左右），因此这一环节也直接影响了生产的稳定。

5.1螺杆挤压机的变频改造由于上述问题的存在，从90年代开始，被迫在部分螺杆挤压机上采取了减位生产等措施。

仅此一项每年就使该厂损失利税数百万元以上。

据此原因，该厂会同深圳华能公司对poy螺杆挤压机调速系统进行改造。

（1）在新系统中，核心环节-变频单元，我们选择了90年代水平，日本富士公司生产的frn5000g7-4系列变频器。

该变频器控制回路采用双十六位cpu，控制采用磁通控制spwm模式，并具有高速转矩限定、转差频率补偿控制等特殊功能。

（2）新系统中压力调节部分仍采用了原装置中的智能化压力调节器（型号:

slcd-120*b〈日本yew公司产〉）。

（3）利用frnic5000g/p7系统变频器特有的转差补偿控制功能，去掉pg测速反馈环节，进一步简化了系统。

（4）该系统控制性能，产品适应范围（调速范围）达到并超过了原日方设计的系统。

该系统在生产250dtex（最大规格品种）poy丝时，喉部压力可保证在＋（－）0.5mpa之内。

这小于工艺允许压力偏差值，而调速范围可达原系统的数倍以上。

（5）新系统保护功能强（13种）并具有故障记忆及自诊断功能。

一旦变频器出现问题，这对分析故障及解决问题提供了强有力的手段。

（6）调试简单:

新系统所有参数的设定及修改均由面板上的键盘来完成。

较以前的系统，大大缩短了调整时间，简化了调整方法，使一般人更易掌握。

（7）新系统中采用的变频器具有很多独特的、有实用价值的功能。

如:

高速转矩计算、转矩限定、转差补偿控制、电流限定等功能。

这些特性，保证了新系统的优异性能。

（8）新系统功率因数高，谐波成分小。

因为系统中变频器整流侧采用的二极管桥，因此实测功率因数很高，均在0.97以上，而日方设计系统cosφ值在0.4-0.8之间。

表3是3台螺杆机实测值:

（9）新系统有比较优越的价格性能比，且体积小、重量轻、更换方便。

（10）系统可靠性高。

由于系统采用gtr元件只有一个功率控制级，因此可靠性能大大提高（原系统有整流、逆变两个功率控制级）。

新系统的主要技术指标比较如表4。

－）1mpa≤＋（－）0.5mpa5控制电路型式数-模混合双cpu全数字化6控制功能实现硬件编码设定（软件）7电流波形阶梯波接近正弦波8速度环有无9转矩限定功能无有10调整方式电位器键盘输入11保护功能5种13种（故障记忆）12通讯功能无rs232c串行接口13扩展不方便5种标准选择、方便14电流检测ct霍耳元件15显示led灯显示数显16容量44kva60kva17价格（万元）726.16卷绕机天津石化公司长丝厂1985年引进全套日本帝人公司poy纺丝设备，电气调速系统采用变频器集中控制，其中卷绕机使用frnic-1000可控硅电压型变频器。

6.1原系统的主要特点:

（1）主件开关速度慢

（2）输出波形不好（3）变频器设计复杂，故障率较高（4）用集中控制，一台变频器带几十台卷绕机，若某一台卷绕机出现故障或操作不当都可能使变频器跳闸，易使故障扩大，这种故障每年发生10次左右，并逐年增加。

（5）卷绕机使用的电动机是特殊电机，起动电流是运行电流的15倍左右，频繁起动容易烧毁电机。

（6）锯齿波发生器是模拟量控制，控制精度低、温漂大、抗干扰差。

基于以上原因，1996年初决定对原集中变频系统进行改造，双方工程技术人员经过实验分析，选用了在国际上较先进的日本明电舍vt210s具有卷绕机要求的摆频功能系列变频器。

6.2变频改造后的系统特点

（1）频率精度较高，数字设定±0.01%，适合纺丝生产要求。

（2）抗干扰能力较强，而对其他电气设备干扰小。

（3）故障诊断功能强:

23种代码分别代表过流、过压、欠压、过热、过载、i/o、接地、cpu等等。

对故障状态下的电流、频率都有记载，便于故障分析和处理。

（4）内部输入/输出信号，既有ry接点继电器输出，又有集电极开路输出。

（5）变频器具有往复运行方式功能，适合纺织机械要求横动速度反复变化的需要，不用另加锯齿波信号源:

改造后的变频器的负载运行测试数据如表5所示。

注:

fr为磨擦辊电机，tr为横动电动机。

以上数据看出采用明电舍210s型变频器做卷绕机单台控制后电动机起动电流明显减小，实现了所谓的“软”起动，与改造前起动电流50a比较，冲击电流见效80%。

设备投入运行以来，没有一台卷绕机电动机烧毁，过去平均每月要烧毁电动机1.5-2台。

改造后摆频部分的工艺参数可以用数字量精确控制，使产品质量和产量大幅度提高。

48台卷绕机变频系统由“集中”变频控制改造成“单台”变频控制后，稳定了工艺，不到一年即收回改造投资，改造非常成功，为该厂提高产品质量和增加产品产量打下基础。

7聚酯生产线聚酯生产是连续的过程，我国的聚酯生产装置最初是从国外成套引进，最近几年由于扩容，多数由国内设计并购国内设备来完成增容改造。

我公司参加并完成如辽化聚酯厂和浙化联聚酯装置的改造，由于均选用进口变频器，低压开关，接触器等。

既保证了设备可靠性，又降低了设备成本。

聚酯生产中，有调速要求的有浆料输送泵电机、预聚反应器搅拌器电机、预聚物输送泵电机、后缩聚反应器搅拌器入口电机、后缩聚反应器搅拌器出口电机、熔体输送泵电机、消光剂输送泵电机等。

聚酯生产过程是一个连续的、自动化的过程，装置由dcs（集散控制系统）系统集中监控，各个传动部位接收来自dcs的控制指令并回馈相应的运行状态信号给dcs系统。

一般情况下不允许其中某个环节突然中断，一旦发生较长时间的中断可能导致巨额的经济损失。

因此，在有可能的部位，管道设计成两个通路，每个通路设有传动装置，可以互为备用，也可同时工作。

后缩聚反应器搅拌器出入口电机对连续工作的要求更高，由于该部位电机本身无法备份，对变频器的可靠性要求就大大提高，因此一般要求变频器设置二套互为备用，在运行变频器出现故障情况下备用变频器应能尽快投入运行，保证连续生产的需要。

由于聚酯生产装置对传动系统可靠性要求较高，满足电机的在线启动，重载启动功能及较强的通讯扩展功能，我们采用德国西门子变频器及日本富士变频器。

聚酯变频器调速系统的一次回路构成如图1所示。

图1一次线路（单台变频驱动）由于一套装置中采用了较多的变频器，因此变频器产生的谐波问题就比较突出。

为此在变频器输入侧和输出侧均安装了交流电抗器。

输入电抗器主要起抑制谐波对电网的污染并有效地改善功率因数的作用。

输出侧电抗器则主要起抑制高次谐波的作用。

变频器输出电压中包含的高次谐波有两个不利的影响:

一是干扰弱电控制系统，二是在较长的电缆中产生漏电流，这个漏电流有时足以使变频器和计算机无法工作。

在没有输出滤波电抗器情况下，电机与变频器之间的最大允许导线长度在100M左右，而使用输出滤波电抗器时这个长度可以达到600~800M。

由于聚酯生产装置往往比较庞大，电机与变频器之间的距离都比较远，所以为了保险起见需加装电抗器。

另外，输出电抗器对保护电机绝缘也有好处。

上述一次线路构成适用于浆料输送泵、预聚物输送泵、熔体输送泵、消光剂输送泵、预聚反应器搅拌器电机等的变频驱动。

对于后缩聚反应器搅拌器出/入口电机的变频驱动来说，由于电机无法备用设置，为了提高可靠性，采用两套变频器互为备用的方式，其一次线路图如图2。

图2一次线路（变频器互为备用）这样设计的调速系统，在辽化、浙化联运行的都很成功，达到了工艺要求和增容的目标。

同国外进口的聚酯装置相比，有如下的特点:

（1）可靠性、实用性高于原进口设备。

由于是国内设计，目的性明确，且设备均选用国外最先进的变频器和低压电器，因而在可靠性、实用性方面都要优于原进口设备。

（2）工艺连续性优于原进口设备。

原进口设备的不足之处，实用后做了改进，在我们改造中体现出来，更为实用。

（3）造价仅为原进口的1/3。

8粘胶长丝静变频电源粘胶长丝是以棉籽等做原料的非常受欢迎的化纤产品，出口很多。

粘胶纤维行业纺丝设备多数是高速电机，众多的纺锭电机为150hz/160v。

长期以来，国内粘胶行业一直使用电动-发电机组中频电源供电，称动变频。

由于这种方法弊病太多，而逐步采用交流变频电源供电，称静变频。

我公司首先为邵阳化纤厂提供8套150hz/160v160kw静变频电源。

接着为吉林化纤厂提供25套150hz/160v200kw。

湖北化纤厂14套。

九江化纤厂12套。

宜宾化纤厂7套。

维坊巨龙化纤厂16套静变频电源，均采用日本富士变频器。

邵阳化纤厂是我国粘胶行业最早自行应用静变频的厂家，8台160kw变频器分二组供电（每组一台备用）。

自1992年12月生产以来，比动变频有明显优势。

（1）可靠。

运行多年，未发生故障跳闸。

（2）运行稳定，电压、频率波动极小。

（3）调频方便，为工厂生产不同捻度的丝饼创造了条件。

（4）噪音小，改善了操作人员的环境（5）提高了产品质量。

该厂一期工程（采用动变频供电），粘胶长丝合格率仅55.1%，一等品合格率为零，二等品合格率20%。

而二期工程（采用静变频供电）平均合格率98.12%，一等品合格率为88.7%。

（6）增加了产量。

一期工程设计能力2000吨/年，试生产半年，产量仅365.53吨，而二期工程设计能力1000吨/年，试生产半年，生产长丝685.25吨，大大超过设计能力。

（7）节电13%。

由于静变频电源给企业带来颇丰的利益，优质、增产、节能、降耗、降噪声。

全国15家粘胶长丝生产厂，基本上淘汰了动变频设备，而选择了静变频电源。