變頻器在化纖生產線中的應用分析

  該文介紹了在化纖生產線這一特殊環境下變頻器的運用，及變頻器基本原理、結構特點。論述了用西門子變頻器M440在粘膠生產線中的使用細節。特別是變頻器的具體表現。最后指出我廠對變頻器設備的日常維護。 
        引 言
        化纖生產線是粘膠紡絲類基礎行業，同時也是耗能大戶，其主要生產工藝都是通過各種泵、攪拌機、空氣壓縮機來完成。現在倡導節約型社會的今天，而能源的浪費卻相當的驚人。目前，這些粘膠泵、水泵和空氣壓縮機大都處于電動機驅動恒速運轉狀態，還有企業在運行系統設計時，容量選擇的較大，系統匹配不合理，往往是“大馬拉小車”，造成大量的資源浪費。如將占絕對多數的非調速型電機改成調速運行，使其耗電量實現隨負荷大小而變化，則可節約大量能源，將產生顯著的節能效果。現代電力電子技術、交流調速技術的發展使得交流電動機變頻調速在頻率范圍、動態響應、精度要求和使用效果等方面發生了巨大的發展。現在凡是可變轉速的拖動電動機都可以用變頻來調速從而達到節能降耗的目的，據我們對生產耗電能統計，每季度可節電量34%以上。因此,交流調速技術在化纖行業中的應用具有廣闊的發展空間。 
        一、變頻器調速運行的節能原理 
        實現變頻調速的裝置稱為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅動電路、保護電路以及控制器（MCU／DSP）等部分組成。首先將單相或三相交流電源通過整流器并經電容濾波后，形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里，通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時進行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調速對U/f協調控制的要求。PWM的優點是能消除或抑制低次諧波，使負載電機在近正弦波的交變電壓下運行，轉矩脈沖小，調速范圍寬。 
        采用PWM控制方式的電機轉速受到上限轉速的限制。如對壓縮機來講，一般不超過7000r/min。而采用PAM控制方式的壓縮機轉速可提高1.5倍左右，這樣大大提高了快速增速和減速能力。同時，由于PAM在調整電壓時具有對電流波形的整形作用，因而可以獲得比PWM更高的效率。此外，在抗干擾方面也有著PWM無法比擬的優越性，可抑制高次諧波的生成，減小對電網的污染。采用該控制方式的變頻調速技術后，電機定子電流下降64%，電源頻率降低30%，出膠壓力降低57%。
異步電機的轉速n可以表示為：

    
        公式中，n2為同步轉速，Δn1為轉差損失的轉速，p為磁極對數，s為轉差率，f為電源的頻率。可見，改變電源頻率就可以改變同步轉速和電機轉速。頻率的下降會導致磁通的增加，造成磁路飽和，勵磁電流增加，功率因數下降，鐵心和線圈過熱。顯然這是不允許的。為此，要在降頻的同時還要降壓。這就要求頻率與電壓協調控制。此外，在許多場合，為了保持在調速時，電動機產生最大轉矩不變，亦需要維持磁通不變，這亦由頻率和電壓協調控制來實現，故稱為可變頻率可變電壓調速VVVF（Variable Velocity Variable Frequency），簡稱變頻調速。采用變頻調速技術后，提高電機的功率因數，減少無功功率消耗。 
        由變頻調速原理可知，調節供膠流量，原則上有二種方法；一是節流調節，開大供膠閥，流量上升；關小供膠閥 ，流量下降。調節流量的第二種方法是調速調節，膠泵轉速升高，供膠流量增加；轉速下降，流量降低，對于用膠流量經常變化的場合，采用變頻調速調節流量。 
        二、變頻調速控制系統的設計 
        變頻調速器的控制可以是自動的，也可以是手動的。目前，我們在粘膠泵控制系統中使用的調速技術，大部分是在開環狀態下，即人為地根據工藝或外界條件的變化來改變變頻器的頻率值，已達到調速的目的。部分采用閉環調速控制。 
        異步電機調速有許多方法，如變極調速、變轉差率調速和變頻調速等。前兩種轉差損耗大，效率低，對電機特性來說都有一定的局限性。變頻調速是通過改變定子電源的頻率來改變同步頻率實現電機調速的。在調速的整個過程中，從高速到低速可以保持有限的轉差率，因而具有高效、調速范圍寬（10～100％）和精度高等性能，節電效果可達到30～40％。變頻調速有兩種方法：一是交－直－交變頻（如圖1），適用于高速小容量電機；二是交－交變頻。適用于低速大容量拖動系統。

        交－直－交電壓型變頻器主結線圖，見圖1：

圖1 交－直－交電壓型變頻器主結線圖

        對精度要求高的供膠泵采用閉環調速控制（如圖2）：

圖2 中小功率變頻器閉環控制框圖

        系統主要有四部分組成（1）控制對象：電機功率100KW,額定電流150A,流量720m/h,揚程32.3m。（2）變頻調速器：選用西門子MM440適配通用電機，功率110KW,額定電流160A。一般用于連續運轉的混合變頻器容量選擇的基本方法是：變頻器額定輸出電流大于1.1倍的電動機的額定電流。（3）壓力變送器（PT）:選用DLK100-OA/0-1Mpa,用于控制出口壓力，將壓力信號變換為4-20Ma的標準電信號。（4）調節器（PID）:選用WP-D905,輸入信號4～20mA。采用閉環控制系統，參數超調波動范圍小，偏差能及時進行控制。變頻器的加速和減速可根據生產工藝要求自動調節，這種高的控制精度能保證生產工藝穩定，提高產品的質量和產量。 
        變頻器具體參數設置必須和控制電機的電壓，電流，容量，頻率范圍相一致，比較重要的是啟動及停止斜率時間，和容忍輸入電壓波動范圍的設定。設置恰當可以減少電壓波動對變頻器影響。這些具體參數設定是經過長期反復實踐摸索出來的，對粘膠絲穩定生產起到至關重要的作用。 
        三、變頻具體注意事項 
        變頻器對線路及電氣設備的過載、欠電壓和短路斷路進行保護，并具有分級選擇保護；能直接啟動電動機，并保護電動機，發動機和整流裝置等免受過載、短路和欠電壓等不正常情況的危害。由于化纖生產線周圍整體環境惡劣、含有一定濃度的腐蝕性氣體，即使加上抽排風，各種外露的金屬還是氧化腐蝕、脫落嚴重，這對變頻器等各種電器設備是一種嚴重考驗。變頻器產生故障的原因是多方面的，即使是同一原因，也會出現不同的故障現象，故障產生后為了盡早恢復正常，必須根據故障的特征、錯誤代碼進行及時故障排除。在一次全廠秋季檢查停電中，供給紡絲車間一臺變頻器M440停電后再送電時，由于停電時間比較長，這些老舊設備在惡劣環境下自身損壞嚴重，停電后室溫變低，相對濕度變高在設備上電路表面產生凝露，啟動失靈。只好更換一個新備臺繼續使用，最后經過干燥，清掃處理后它又重新可以使用了。有必要對變頻器進行定期清理檢修維護。 
        為防止控制器和變頻器的控制信號線受空間電磁場的干擾，可在這些控制信號線的外層接屏蔽線，以提高系統的抗干擾能力。此種接線一定要注意，對屏蔽的接地點只能選取一點。不管是在控制器一邊，還是在變頻器的一邊。這樣，可保證提高系統的抗干擾能力。如果，屏蔽線在兩端都接地，會使屏蔽線上產生電勢差，不但不能提高系統的抗干擾的能力，反而加重外界對控制器的干擾。 
        變頻器屬于儲能設備，在變頻器、電動機底座或外殼，配電箱，電纜外皮和電纜盒的外殼，及穿線銅管等，需要有相應的接地或接零保護，為減少人員受傷。 
        總  結 
        變頻調速這一技術正越來越廣泛的深入到粘膠化纖行業中。它的節能、省力、易于構成自控系統的顯著優勢，同時極大的優化了粘較絲生產流程，提高了粘膠絲的生產率，必將成為粘較絲生產中電力拖動系統的中樞設備。應用變頻調速技術也是企業改造挖潛、增加企業效益的一條有效途徑。尤其是在高能耗、低產出的設備較多的企業，采用變頻調速裝置將使企業獲得巨大的經濟利益，同時這也是國民經濟可持續發展的需要。