1，問題的提出
在粘膠長絲纖維半邊連續(xù)紡生產(chǎn)中，紡絲機是生產(chǎn)工藝中最關(guān)鍵的設(shè)備。每臺紡絲機上裝有數(shù)十臺電錠，電錠拖動離心罐高速旋轉(zhuǎn)，將進入離心罐的絲束甩開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。長期以來，多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)一直采用電動機—中頻發(fā)電機組提供這種電源。由于電動機—中頻發(fā)電機組(俗稱動變頻)技術(shù)落后，給生產(chǎn)帶來的弊端十分明顯:
(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，噪聲嚴重超標(biāo)。
(3) 可靠性和備用性差，不能保證機組故障時生產(chǎn)的連續(xù)性。紡絲機電綻停電3秒鐘以上就要重新升頭，每次升頭都要產(chǎn)生廢絲，浪費大量原料
(4) 耗能嚴重
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)成全自動靜止型變頻控制系統(tǒng)，取代原有的電動機-中頻發(fā)電機組已成為必然趨勢。
2，變頻系統(tǒng)構(gòu)成及性能特點
以某化纖廠第三紡絲車間為例，每臺紡絲機共有電錠72個(每個電錠為140W，額字電流0.65A，輸入電壓160V，頻率149Hz±1)，每12臺紡絲機采用一臺160kW變頻器驅(qū)動，變頻器輸出電壓(AC380V)通過中頻變壓器(380V/160V)變?yōu)殡婂V額定電壓。同時，每5臺變頻器共用一臺變頻器做為熱備份，通過可編程控制器PLC構(gòu)成一組全自動靜變頻系統(tǒng)，其線路圖如圖1所示。
根據(jù)粘膠長絲紡絲機的工作特點，整個控制系統(tǒng)的構(gòu)成應(yīng)考慮以下問題:
(1) 變頻器的選型
按照生產(chǎn)現(xiàn)場的習(xí)慣，紡絲機電錠的啟動通常都采用單臺直接啟動的方式;對于轉(zhuǎn)速高達8000～9000rpm的電錠，粘膠長絲落絲時需要進行反接制動快速停車，落絲是根據(jù)分區(qū)數(shù)臺紡絲機同時進行的，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較低的水平，變頻器應(yīng)該安裝電源測交流電抗器和直流側(cè)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，這些條件對于目前的通用型變頻器是很容易實現(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，負責(zé)對變頻器的啟停、報警、熱切換和連鎖進行控制。PLC的控制有兩種方式:一是采用一臺中型PLC對所有變頻器進行總體控制，優(yōu)點是控制線路簡單，缺點是，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)生故障將帶來大面積的紡絲機癱瘓，這對于化纖生產(chǎn)來說幾乎是致命的，如果采用兩臺中型PLC進行互備，則控制線路非常復(fù)雜;第二種辦法是每臺變頻器都使用一臺小型PLC控制，然后各個PLC之間建立關(guān)聯(lián)和互鎖;每個PLC控制柜中增加應(yīng)急開關(guān)，當(dāng)PLC發(fā)生故障時可以有效切除，并保證變頻器仍然能夠正常運行，在保證運行可靠性的同時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為變壓器的原邊與變頻器輸出相連接，其工作頻率(約150Hz)超過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，由于變頻器控制信號以及開關(guān)器件的誤差，變頻器輸出相電壓的正負半周總有微小的不對稱，因此，輸出電壓中包含了一定的直流分量，這對中頻變壓器的制造和運行提出了一定的要求。如果僅僅按照普通變壓器來制造，會導(dǎo)致變壓器很快處于磁路飽和狀態(tài)，空載電流很大，根本無法運行。在中頻變壓器的制造過程中需要采取一些相應(yīng)的措施來克服以上問題，如降低鐵心磁通密度的設(shè)計值，在鐵心中增加氣隙來削減直流磁勢的不良影響，同時，根據(jù)變頻器輸出的特點，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連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的最基本的保證，由于每臺變頻電源都直接驅(qū)動著十幾臺紡絲機，因此，一旦一臺靜變頻電源發(fā)生故障，將使生產(chǎn)受到大面積影響，電錠停電后粘膠長絲需要重新升頭，不但時間長，而且產(chǎn)生大量廢絲，經(jīng)濟損失很大。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無一失。
備份靜變頻裝置運行主要分為兩種方式:
a) 利用PLC構(gòu)成自動備份方式
n臺靜變頻主機共用一個備機，其中任何一臺發(fā)生故障，則立即切換到備機。主機故障包括:過電流、過負載、過電壓、對地短路、熔斷器斷路、過熱、CPU異常及其它一些故障，同時，如果某一臺靜變頻主機輸入電源側(cè)發(fā)生異常(缺相、跳閘等等)，系統(tǒng)也能夠自動將此臺主機驅(qū)動的負載切換到備機運行，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。
全部切換過程通過PLC系統(tǒng)完成，主要是對變頻器切換時間、切換頻率等參數(shù)進行控制，保證相應(yīng)的連鎖關(guān)系，并對操作人員給予信號指示。
b) 手動切換及應(yīng)急方式
在設(shè)備調(diào)試和檢修期間，可以采用手動方式將主機負載切換到備機運行。手動切換方式仍然通過PLC進行。為了保證系統(tǒng)可靠性，每臺靜變頻裝置均設(shè)置了應(yīng)急切換開關(guān)，一旦某臺PLC發(fā)生了故障，無論是自動還是手動方式下，操作人員都可以通過應(yīng)急切換開關(guān)將該靜變頻主機切換到備機運行。
3，現(xiàn)場問題及對策
作為粘膠長絲紡絲機中頻電源，變頻器的現(xiàn)場使用中有許多獨特之處，其參數(shù)設(shè)置與普通負載不盡相同，主要有以下幾方面:
(1) 由于電錠工作時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，而在這個范圍內(nèi)自動電壓調(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)，這對變頻器的選擇提出了一定要求。
(2) 靜變頻裝置作為一種中頻電源，只運行在電錠需要的工作點上，因此，像轉(zhuǎn)矩提升、直流制動等一些對動態(tài)負載運行相當(dāng)關(guān)鍵的功能參數(shù)反而顯得不甚重要;另外，由于單個電錠功率較小，通常是變頻器先運行在工作頻率后，電錠再逐個直接啟動，不需要變頻器拖動整個負載進行軟啟動，那樣的話效率反而很低。所以，變頻器的加速時間和減速時間可以設(shè)置得盡可能短，使變頻器接到運行命令后迅速到達額定工作點，這也符合熱備份切換的要求。
(3) 靜變裝置在進行熱備份切換時，設(shè)定合理的切換時間和切換頻率至關(guān)重要。熱備份切換時，主機輸出側(cè)的接觸器斷開后，電錠在慣性作用下仍然保持一定的轉(zhuǎn)速，直到備機輸出側(cè)接觸器吸合后重新進行變頻運行。因此，對于備機變頻器而言，相當(dāng)于要在線啟動正在運轉(zhuǎn)的電機。要無沖擊地完成這個在線啟動過程，并力爭切換時間盡可能短，需要采取幾個措施:
a) 為了保證切換的安全可靠性，兩個接觸器的斷開和吸合動作之間需要一定的時間間隔，同時，瞬時切換時，備機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，容易引起電氣或機械故障，反以需要足夠的衰減時間使斷電后電錠的殘留電壓基本消失;但是，切換的間隔時間越長，電錠速度下降越多，滑差增大，切換時產(chǎn)生的波動越大，對生產(chǎn)工藝有影響，根據(jù)多次的現(xiàn)場實踐，這個間隔時間通常選定在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，變頻器啟動正在自由旋轉(zhuǎn)的電機，需要搜索和檢測電機的速度，輸出和電機速度相當(dāng)?shù)念l率，使電機不發(fā)生沖擊地平穩(wěn)啟動。(如圖2所示)
為了縮短時間t1和t2，盡可能減少電流沖擊，在熱切換過程瞬時，備機變頻器運行的頻率應(yīng)該盡量接近電錠實際轉(zhuǎn)速，這個頻率值(第二頻率)可以通過測算電錠在斷電的時間內(nèi)(1-2秒)下降的速度，然后折算到變頻器輸出頻率來完成。實際上由于電錠驅(qū)動的負載是圓筒型絲罐，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，慣性大，因此短時間下降的速度并不多，大約為1-2Hz。
這樣備機變頻器可以在最短的時間內(nèi)輸出一個與電錠轉(zhuǎn)速相同的頻率，迅速完成切換過程。隨后，PLC繼續(xù)給出指令，使備機變頻器輸出頻率上升到原來的工作頻率。
4，使用效果及結(jié)論
粘膠長絲紡絲機全自動靜變頻電源自1992年研制成功以來，經(jīng)過大量的現(xiàn)場實踐和不斷完善，已經(jīng)成為一類成熟的工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品。相比原來的電動機-中頻發(fā)電機組，主要有以下幾個優(yōu)點:
(1) 供電穩(wěn)定，頻率精度高，使粘膠長絲產(chǎn)品質(zhì)量提高，等級率明顯上升。
(2) 運行可靠，在線熱備份的設(shè)計基本消除了熱停工時間，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性，使廢絲量大大減少，產(chǎn)品產(chǎn)量顯著提高。
(3) 裝置維護量小，降低了電錠燒包率，大大節(jié)省維修費用。
(4) 裝置占地面積小，相比動變頻機組，噪聲大大降低，極大地改善了生產(chǎn)環(huán)境，受到工人歡迎。
(5) 降低能耗。
(6) 投資回報快
基于以上幾個優(yōu)點，目前國內(nèi)大部分粘膠長絲生產(chǎn)廠都選用了全自動靜變頻電源產(chǎn)品，如吉林化纖股份公司、丹東化纖廠、湖北化纖股份公司、宜賓化纖廠、濰坊巨龍化纖股份公司、邵陽化纖廠、九江化纖廠等，不但極大地提高了企業(yè)生產(chǎn)裝置的整體技術(shù)水平，而且取得了顯著的經(jīng)濟效益。
參考文獻
[1] 王占奎. 變頻調(diào)速應(yīng)用百例[M]. 北京:科學(xué)出版社，1999.
[2] 丁永汀. PWN電壓型逆變器輸出側(cè)變壓器技術(shù)要求初探[A]. 中國交流電機調(diào)速傳動學(xué)術(shù)會議論文集[C]. ?？冢?999.
[3] 富士電機株式會社. 富士變頻器FRENIC5000G11S/P11S說明手冊.
