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淺談化纖紡絲中同步電機(jī)的變頻控制系統(tǒng)

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淺談化纖紡絲中同步電機(jī)的變頻控制系統(tǒng)

發(fā)布時(shí)間: 2006/10/3 文章出處: 　

在合成纖維工業(yè)諸如滌綸、錦綸、丙綸的生產(chǎn)中，基本上都是采用熔體法紡絲，如一臺(tái)紡絲機(jī)有許多紡絲位(12部位、24部位，甚至更多部位)，同一功能的不同紡位的電動(dòng)機(jī)幾十臺(tái)，同一紡位不同功能的電動(dòng)機(jī)幾臺(tái)，它們對(duì)電氣傳動(dòng)的要求非常嚴(yán)格。
紡絲機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)的要求可以概括為："四高"和"一少"。"四高"：即高同步性(一臺(tái)紡絲機(jī)不同紡位的電機(jī)轉(zhuǎn)速要求橫向轉(zhuǎn)速一致，縱向比例同步)；高精確性(轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，精確度高達(dá)0.1％～0.01％)；高轉(zhuǎn)速(在沒(méi)有升速齒輪箱條件下，電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)8000～9000r／min，甚至12000 r／min)；高可靠性(至少保證一年安全連續(xù)運(yùn)行8000h)。一少：即少維修或免維修，毋需看顧。總之，化纖紡絲機(jī)是一個(gè)多電機(jī)、小功率的同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(含比例同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))。對(duì)于濕紡工藝的晴綸、維綸及人造纖維中的粘膠纖維，對(duì)電氣傳動(dòng)要求也類似。
由于同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速精度僅決定于供電頻率精度，與負(fù)荷變化無(wú)關(guān)。為此，在化纖設(shè)備中通常采用高精度的變頻調(diào)速器和永磁同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)，無(wú)需采用閉環(huán)控制，就可保證電機(jī)轉(zhuǎn)速精度達(dá)到0.1％～0.01％。另外對(duì)于滌綸高速紡POY和超高速紡工藝來(lái)講，轉(zhuǎn)速8000～12000 r／min，這樣高的電機(jī)速度也是非變頻調(diào)速莫屬。
為了保證纖維的纖度均勻，采用了高精度的變頻調(diào)速器和永磁式同步電動(dòng)機(jī)，無(wú)需采用閉環(huán)控制，就可以保證電機(jī)轉(zhuǎn)速精度達(dá)到0.1％~0.01％水平。在眾多的變頻器品牌中，艾默生EV2000變頻器具有優(yōu)化空間矢量PWM調(diào)制、高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)等一系列功能，并且該產(chǎn)品具有超出同類產(chǎn)品的防跳閘性能和適應(yīng)惡劣電網(wǎng)、溫度、濕度和粉塵能力，極大提高了產(chǎn)品的可靠性，已經(jīng)在很多機(jī)械制造業(yè)(包括化纖紡絲機(jī))都得到了廣泛的應(yīng)用。
本文論述的就是變頻器EV2000在化纖同步電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。
2 化纖紡絲的同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用和變頻控制
2．1 化纖紡絲的同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用
圖1所示為短纖維紡絲工作原理(其他化纖的應(yīng)用也類似)，原料經(jīng)高溫加熱熔解后從螺桿擠出機(jī)擠壓到管路中，再通過(guò)數(shù)個(gè)紡絲計(jì)量泵進(jìn)行紡絲后經(jīng)油輪下?tīng)康酵唤z束中，然后通過(guò)六輥牽伸機(jī)同步牽伸，最后通過(guò)喂入輪進(jìn)入到盛絲筒中，這樣就完成了短纖的前紡過(guò)程。
在紡絲中，計(jì)量泵和六輥牽伸為了達(dá)到速度高度一致的要求，通常都采用變頻器控制的同步電動(dòng)機(jī)。主要是由于同步電動(dòng)機(jī)具有以下主要性能：
(1)調(diào)速精度高、調(diào)速度誤差在1／30000，提高了應(yīng)用行業(yè)產(chǎn)品的制造工藝水平；
(2)調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：80；
(3)體積小，重量輕，比同功率異步電機(jī)縮小1～2個(gè)機(jī)座號(hào)；
(4)控制簡(jiǎn)便、可靠性高，電機(jī)采用開(kāi)環(huán)控制，使得整個(gè)變頻控制系統(tǒng)可靠性提高、價(jià)格降低；
(5)節(jié)能效果明顯，與普通異步電機(jī)相比，提高效率、功率因數(shù)高達(dá)0．95以上；
(6)該系列電機(jī)與變頻控制、計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)組成全自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的其它類調(diào)速電機(jī)；
(7)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩輸出和轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載波動(dòng)的特性。通過(guò)變頻器有效控制，可使其輸出轉(zhuǎn)速保持恒定。
因此在實(shí)際的化纖設(shè)備制造中，對(duì)計(jì)量泵和六輥牽伸的驅(qū)動(dòng)，都采用幾個(gè)同步電動(dòng)機(jī)(比例同步)的變頻傳動(dòng)，非常容易實(shí)現(xiàn)共用變頻電源的多電機(jī)傳動(dòng)方案(它是最簡(jiǎn)單最理想的方案)。

2．2 同步電動(dòng)機(jī)的基本控制原理
交流同步電動(dòng)機(jī)，它的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率完全成正比。
Ns=60?／p (r／min)
式中 ?-電源頻率；
p-極對(duì)數(shù)；
Ns-同步轉(zhuǎn)速。
而交流異步電動(dòng)機(jī)，它與同步電動(dòng)機(jī)的區(qū)別在于：轉(zhuǎn)速與電源頻率不成正比，其轉(zhuǎn)速始終比同步電動(dòng)機(jī)還要低，其轉(zhuǎn)差率S為：
N=(1-s)Ns (r／min)
S=(Ns-N)／Ns·100％
但是變頻器對(duì)同步電機(jī)的控制要比普通電機(jī)復(fù)雜的多，因此國(guó)外不少變頻器供應(yīng)商已和同步電機(jī)供應(yīng)商合作，根據(jù)電機(jī)的壓頻比曲線，生產(chǎn)操作簡(jiǎn)易的專用變頻器。而本文在第3章將介紹如何利用通用的EV2000來(lái)實(shí)現(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)的控制。
在化纖紡絲工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的是稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)由于應(yīng)用了高磁能積的永磁材料，其電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程將比異步電動(dòng)機(jī)具有不定的特性，該電動(dòng)機(jī)一般也制成與異步電動(dòng)機(jī)相似的電動(dòng)機(jī)，即電動(dòng)機(jī)的定子與異步電動(dòng)機(jī)一樣，轉(zhuǎn)子為高磁能的永磁材料。電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)電流將比異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)更大。原因是在起動(dòng)過(guò)程中永磁體將發(fā)出電機(jī)的能量，電機(jī)起動(dòng)時(shí)，不但消耗異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)的能量(產(chǎn)生空載起動(dòng)電流)，還將克服發(fā)電機(jī)的能量，因此它的起動(dòng)電流是很大的。永磁磁能級(jí)越高，轉(zhuǎn)子用的永磁材料體積越大，電流也更大。因此對(duì)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中必須要有足夠大的電流(一般比同容量異步電動(dòng)機(jī)大2～3倍)，但一旦達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)(異步電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子將從定子中取得一定的電能來(lái)維持正常工作一鼠籠有短路電流)，其永磁轉(zhuǎn)子不從定子取得電能，而是依靠永磁磁場(chǎng)，緊跟定自旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。
永磁同步電動(dòng)機(jī)與變頻器的配合中，關(guān)鍵是個(gè)壓頻比的問(wèn)題。通用變頻器根據(jù)不同的電機(jī)特性可以設(shè)置不同的壓頻比。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)不在自己的運(yùn)行曲線下，電機(jī)將發(fā)生下列現(xiàn)象(1)不能啟動(dòng)；(2)電流增大；(3)噪音；(4)振動(dòng)；(5)溫升過(guò)高。
2．3 化纖紡絲機(jī)變頻調(diào)速控制方案的選擇
通常情況下，如采用變頻調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)雖可達(dá)0.5％～0.01％指標(biāo)，但是幾十個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)整到相同的轉(zhuǎn)速精度十分艱難麻煩。另外，每個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)都有速度傳感器，故障率會(huì)高些，變頻工作的可靠性這個(gè)指標(biāo)往往不能滿足實(shí)際化纖工業(yè)的需求，故此方案不宜被采用。
由于同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速精度決定于供電頻率精度，與負(fù)荷變化無(wú)關(guān)。為此，通常采用高精度的變頻調(diào)速器和永磁同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)，無(wú)需采用閉環(huán)控制，就可保證電機(jī)轉(zhuǎn)速精度達(dá)到0．1％～0．01％，以最終保證纖維的纖度均勻，系統(tǒng)的簡(jiǎn)單可靠高效。
在變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路方案中，同步電動(dòng)機(jī)的控制基本都采用大變頻調(diào)速器驅(qū)動(dòng)，即由一臺(tái)大功率變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)，多臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)接在公共的變頻器上，由統(tǒng)一的轉(zhuǎn)速給定信號(hào)同時(shí)調(diào)節(jié)各電機(jī)的轉(zhuǎn)速，帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮瘮?shù)發(fā)生器保證了變頻裝置的恒壓頻比控制。
3 通用變頻器EV2000在同步電動(dòng)機(jī)中的調(diào)試
3．1 變頻器的功率選擇
一般來(lái)說(shuō)，我們使用多大功率的電機(jī)，就得配上多大功率的變頻電源，這是無(wú)可置疑的。但是同步電動(dòng)機(jī)(如稀土永磁同步電機(jī))的起動(dòng)特性是很復(fù)雜的，至今尚無(wú)比較權(quán)威的計(jì)算理論資料。從特性分析：首先由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子表面具鼠籠裝置，要依靠轉(zhuǎn)子的鼠籠對(duì)電機(jī)進(jìn)行通電后的自啟動(dòng)。因此，在啟動(dòng)過(guò)程中具有典型的異步電動(dòng)機(jī)的特性。第二，由于轉(zhuǎn)子內(nèi)放置有相對(duì)的永磁體，如果我們將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)，電機(jī)的定子發(fā)出電來(lái)，即成為發(fā)電機(jī)。而永磁同步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中存在發(fā)電機(jī)的效應(yīng)，因此，為了讓永磁同步電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，必須要克服發(fā)電效應(yīng)的阻力矩，電動(dòng)機(jī)才能啟動(dòng)，也就是說(shuō)要消耗更多的空載功率才能達(dá)到。因此說(shuō)永磁同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)要困難得多，消耗的電功率大的永磁體越多，消耗的電功率也越大，所以永磁同步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中必須要有比較大的電流才行。據(jù)測(cè)算，同步電機(jī)的啟動(dòng)電流一般是異步電機(jī)的1～4倍左右。
EV2000變頻器獨(dú)有免跳閘功能設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)負(fù)載電流的實(shí)時(shí)控制，自動(dòng)限定其不超過(guò)一定的限流水平，因此對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)非常有意義。同時(shí)，該系列變頻器具有200％的過(guò)載能力和0．5Hzl80％的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以得到更好的工作特性。
在功率的選擇中，如果一拖一，則變頻器的功率依據(jù)同步電動(dòng)機(jī)的電流而定；如果一拖多，則變頻器的功率依據(jù)多個(gè)同步電動(dòng)機(jī)的電流之和乘以1．1系數(shù)即可。
3．2 變頻器y／F曲線
電機(jī)的壓頻比即V／F曲線必須根據(jù)電機(jī)的參數(shù)輸入，通常在電機(jī)的銘牌中都有，如工作電壓113V-283V-340V和工作頻率20 Hz-50Hz-60Hz的參數(shù)，這就是電機(jī)的基本V／F曲線。
EV2000可以通過(guò)參數(shù)F0.15-F0.20靈活地白定義各種V／F曲線，以滿足不同的負(fù)載要求。如圖2(A)所示，在通常的基礎(chǔ)上，EV2000采用增加(V1，F(xiàn)1)、(V2，F(xiàn)2)、(V3，F(xiàn)3)三點(diǎn)折線方式定義V／F曲線，F(xiàn)e為額定頻率，Vb為補(bǔ)償?shù)皖l轉(zhuǎn)矩特性的轉(zhuǎn)矩提升。

3．3變頻器啟動(dòng)
同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)費(fèi)事是眾所周知的，但是應(yīng)用了變頻器之后，既然頻率可以由低調(diào)到高，轉(zhuǎn)速也就可以提高。當(dāng)然另外一點(diǎn)，同步電動(dòng)機(jī)在和變頻器的配合中，必須考慮到失步問(wèn)題。由于變頻器控制的是定子的電壓，在剛啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子的速度必然會(huì)落后，一旦轉(zhuǎn)子落后的角度太大，便會(huì)造成失步。
在圖2(B)中，EV2000可以利用啟動(dòng)頻率(功能碼P2．01)和啟動(dòng)頻率保持時(shí)間(功能碼殿．02)的功能設(shè)置就能解決變頻器的啟動(dòng)問(wèn)題。其中啟動(dòng)頻率是指變頻器啟動(dòng)時(shí)的初始頻率，如圖中的Fs；啟動(dòng)頻率保持時(shí)間是指變頻器在啟動(dòng)過(guò)程中，在啟動(dòng)頻率下保持運(yùn)行的時(shí)間，如t1。
另外為了讓同步電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，必須要克服啟動(dòng)初期發(fā)電效應(yīng)的阻力矩，電動(dòng)機(jī)才能啟動(dòng)，也就是說(shuō)要消耗更多的空載功率才能達(dá)到，因此要求變頻器必須在啟動(dòng)頻率保持一定的時(shí)間，且能提供更高的過(guò)轉(zhuǎn)矩能力。
EV2000對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)不僅可以提供0.5Hz時(shí)180％的額定轉(zhuǎn)矩，還能提供200％轉(zhuǎn)矩過(guò)載0.5 s的盲掛力。
4結(jié)束語(yǔ)
艾默生EV2000系列變頻器在同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)控制方面已經(jīng)得到成功的市場(chǎng)應(yīng)用，其優(yōu)良的運(yùn)行性能和完善的保護(hù)措施進(jìn)一步提高了化纖紡絲設(shè)備的性能。

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