变频器在纺织工业中的应用.docx

变频器在纺织工业中的应用
前言
我国是一个纺织大国，也是一个纺机生产大国，每年生产的纺机品种数百种，生产的纺机产品数十万台。纺机自动化水平逐年提高，从五十年代的直流发电机——电动机组的直流调速，经历五十年的发展，如今，变频器等电力电子技术，计算机技术、网络通讯技术以及现代控制理论应用技术，已在纺织工业的推广普及，大大提升了我国纺机自动化水平和整个纺机的档次，增强了我国纺机和纺织品在世界上的竞争力。
变频器在纺织工业中的应用数量最大，应用的方式随生产工艺要求的不同而不同，最简单的是单机台简单变频调速，如风机、水泵调速，此种应用例本文仅略举一、二。变频器更多的应用是与PLC可编程控制器，TP触摸屏等人机界面和现场总线结合，组成各种速度控制系统，变频器的功能也就得到充分发挥，因此变频器的应用离不开电子技术、计算机技术和通讯技术。
本文中所介绍的各种纺织机械的技术特征，传动与控制代表了我国纺机的最新最高水平，但由于技术发展快，信息掌握不够及时，也可能还有最新最高水平的技术未列入本文，请谅解。
本文重点介绍我国八大类近百种纺织机械技术特征，变频调速和控制系统，可供从事电力电子技术，纺织机械自动化的工程技术人员，有关大专院校师生，和有关营销人员，维护人员参考。

变频器在纺织机械中的应用
目 录

第1章 综述
1．变频器调速技术
2．运动控制
3．可编程控制器
4．网络技术
5．人机界面
6．纺机传动电动机

第2章 变频器在化纤机械中的应用
1． 涤纶短丝切片纺纺丝机
2． 涤纶短纤维后处理联合机
3． 大型涤纶短纤维纺丝联合机
4． 大型涤纶短纤维后处理联合机
5． 粘胶短纤维纺丝精练联合机
6． 绵纶短纤维后处理联合机
7． 长丝纺丝设备中的卷绕头
8． 高速弹力丝机
9． 弹力丝机
10．帘子线直捻机
第3章 变频器在棉纺机械中的应用
1． 开清棉和开清梳棉联合机
2． 并条机
3． 悬锭粗纱机
4． 环锭细纱机
5． 转杯纺纱机
第4章 变频器在织造机械中的应用
1． 槽筒式络筒机
2． 并纱机
3． 短纤维倍捻机
4． 花色纱线纺捻机
5． 分条整经机
6．分纱整经机
7．分段整经机
8．短纤维浆纱机
9．浆染联合机
10．织机
第5章 变频器在毛纺机械中的应用
1．羊绒针梳机
2．毛纺粗纱机
3．立锭粗纺细纱机
4．剪毛机
第6章 变频器在针织机械中的应用
1．单、双面针织园纬机
2．电脑横机
3．电脑手套编织机
第7章 变频器在非织造布机械中的应用
1．非织造布梳理机
2．高速铺网机
3．预针刺机
4．无纺喷胶棉生产线
第8章 变频器在染整机械中的应用
1．卷轧染机
2．平网印花机
3．园网印花机
4．长环蒸化机
5．拉幅定型机
6．预缩整理联合机
7．磨毛机
第9章 变频器在服装机械中的应用
1．自动剪线平缝机
2．电脑刺绣机
3．电脑金片刺绣机
4．数控多针绗缝机
5．验布机
关 键 词

交频调速 多段速度 三角波调速 恒张力线速卷绕 共直流母线 现场总线
运动控制 闭环控制 网络技术 张力控制 同步速度 调速精度
触摸屏 控制系统 单片微机 逆变器 工艺参数 自调匀整
牵伸比 往复运动 自动换筒 工艺流程 捻度 牵伸倍数
纤维 程序控制 调速范围 监控 纺纱 投纬

第1章 综述
中国纺织机械工业经过上世纪末深化改革，结构调整、促进了纺机生产的发展。近年来，每年新增近1000万锭纺纱生产能力，现已具备6000多万锭短纤维纺纱能力和400多万锭长纤纺纱能力、拥有10多万家纺织服装生产企业，是世界最大的纺织大国。现每年生产约2万台细纱机，5000台粗纱机，10万台织布机以及与之相应的各种配套设备。此外，还有各种针织设备、化纤设备、毛纺设备、非织造布设备、服装设备和染整设备等数百种，年产几十万台纺机产品，可见，中国也是一个纺织机械生产大国。在新世纪中，中国将要从纺织大国发展为纺织强国。作为纺织工业技术装备基础的纺织机械将呈现质的变化，必将从纺机大国发展为纺机强国、大力开发高效、节能、环保的、自动化技术水平高的纺织机械产品、这是一项较长期而艰巨的任务、为实现这一宏伟目标、提升纺织机械自动化技术水平是最主要的关键技术之一。
随着中国加入WTO、其经济更加融入国际经济的大环境中、欧洲纺织机械厂商已经在全力打入亚洲市场包括中国市场。中国纺机生产面临着更加激烈的竞争，促使纺机和纺机自动化技术发展呈现新的特点，例如变频调速技术、运动控制技术、可编程控制器技术、网络技术等，已在纺机中推广应用、并取得较好效果。
变频调速技术随着电力电子技术、变流技术、现代控制理论和计算机技术的发展而得到快速发展。高档变频器均采用矢量控制或直接转矩控制，参数自调试，自识别和智能化控制，国产变频器多数尚属一般V/F开环控制，运转稳定性、可靠性和变频器整体技术水平还不理想，因此高档纺织机械大多采用欧洲、日本等进口变频器、中国纺织工业每年需用拾余万台变频器，容量从0.1kW以下至315kW以上，其中1.5kW至30kW应用最为普遍。
1.1对变频器的特殊要求
纺织机械变频调速大多为一般交流异步电机变频调速，开环控制，调速范围10:1以内，但也有不少纺织机械对变频器调速有较高的特殊要求：
（1）多段速度调速
例如：细纱机锭子速度分段变速，一落纱从起动→分段升速→稳定运行→分段降速→停止。一般分为8～10段速度运行、升速为4～6段、降速为3～5段，这样有利于提高纺纱速度，减少断（纱）头率，提高纺纱质量，详见图3-4。
（2）三角波调速
为了满足纱线卷绕成型好、无叠线和塌边等的要求，纺丝卷绕头由摩擦辊、槽筒横动装置和筒管夹头等组成、而槽筒横动装置电机调速必须按三角波规律进行调节，此种调速规律通常是由摆频发生器控制变频器输出频率来实现的，即在基频的基础上叠加一个三角波如图2-14。
（3）恒张力恒线速卷绕调速
例如：浆纱机织轴卷绕、卷染或卷轧染机卷布辊等均要求随着纱线或布在轴上卷绕的直径逐步增大，（即卷径增大）轴的转速相应的逐步降低，以保证纱线或布张力的稳定。即要求变频器内置卷径计算功能。
（4）高精度同步调速和共直流母线调速。
例如：平网印花机各印花单元同步调速，园网印花机导带和烘燥等同步调速，粘胶短纤维设备中的大网辊和托压辊，高压轧车上、下辊的同步调速、采用高速光电编码器检测速度，输出的脉冲数与给定速度比较的闭环控制，实现高精度同步调速。
多电机同步协调运转在纺机中应用较多，特别是染整联合机，目前均为1台电机用1台变频器单独供电，这样不经济，采用共直流母线分组供电更合理，例如一组可供3～5台逆变器，并制成一个整体，分别供3～5台电机调速，既可缩小体积，又可节省成本，染整联合机中电机容量大多为1.5kW～2.2kW.
（5）通讯功能
变频器与开放式总线相连，设有RS485通讯口。当现场使用变频器台数多（例如10台以上）、距离远、变频器与PLC的I/O接口多、配线数量大，安装维护工作量大，费用高，采用现场总线控制系统是合理的，例如大型涤纶纺丝及后处理联合机等均采用此方案，为此，变频器必须挂接在开放式的现场总线上运行，变频器作为总线的从站、借助于总线可实现变频器的运行、停止、调频和修改参数等功能。变频器的频率、电流、电压等状态信号和过流、超频、欠压等故障信号均能实现中央监控。变频器的网络控制主要是将多台变频器通过串行口与上位机相连，采用人机界面实现对变频器的操作，运行状况监视以及故障报警，这是技术发展趋势。
（6）计长、定长功能
并条机，短纤盛丝捅装置，整经机等均要求棉条、丝、纱线应有计长、定长控制，即运行到设定长度时，自动报警，停车。
（7）电机零速伺服控制功能
例如：涤线、锦纶、粘胶等短纤维后处理联合机中各牵伸机分单元传动时，为保证在起动、升速，运转和降速时，丝束牵伸倍数恒定，当停车过程速度降至零速以下时，变频器应自动由速度控制模式切换到位置控制模式，即要求在零速时保持转矩输出，否则丝束将回缩、牵伸比随之变化。
（8）防尘、防潮
纺织厂特别是清钢联，梳棉、并条、粗纱，细纱等机械设备使用环境中有较多的飞花（棉超短纤维），如飞花凝聚在变频器散热片上，将影响变频器的散热，可能使变频器出现不应有的热跳脱，甚至损坏变频器。而染整机械特别是前处理设备和部分染色机械的使用环境中有可能蒸汽较多，甚至凝聚成水滴，将影响变频器的绝缘，甚至损坏变频器。因此，用于该场合的变频器应有一定的防护措施，如提高变频器的防护等级，或变频器的散热片可安装在拒外通风道或者变频器控制拒采取必要的密封等措施。
此外，还有定位功能，简单PLC功能等要求，本文不评述。
1.2 运动控制
传统的纺织机械电气传动电动机基本上是三大类，一是直流电动机（含并激，他激和串激直流电动机）二是交流异步电动机（含笼式和绕线式异步电动机以及电磁调速异步电机），三是同步电动机（含永磁和激磁式同步电动机）采用各种控制方案对电动机速度按各种规律进行控制或恒速运转，以满足各种纺织机械对运转速度的不同要求。随着纺织机械技术水平的发展和生产工艺对纺机设备的要求的不断提高，对纺机运转速度的要求越来越高，越来越多样化，传统的电气传动已不能满足当今纺织机械的需要，例如：
（1）伺服电机的应用
自动络筒机打结循环要求准确定位；精密络筒机导丝机构要求快速往复运动；喷气和剑杆等无梭织机的电子送经，电子卷取等需准确控制经纱的送出量，卷取量；平网印花机导带前后传动辊要求保持严格同步运转；园网印花机的园网为保证园网与导带以及网与网之间严格同步运转，近年都采用了伺服电机驱动
此外，电脑横编织机机头往复横移运动，长环蒸化机，电脑刺绣机立车，衍缝机鞍架和罗拉以及短纤纺丝机丝捅往复装置的纵向，横向运动也采用了伺服电机驱动。
近期新推出的细纱机采用多台伺服电机分别驱动前、中、后罗拉，钢领板升降以及集体落纱，取代了传统的齿轮传动，降低了噪声，有利于提高成纱质量和纺纱工艺参数的改变。
（2）步进电机的应用
电脑刺绣机绣框X、Y方向的移动采用2台步进电机分别驱动以保证刺绣图案的精细；单轴流开棉机尘捧采用步进电机驱动，有利于尘棒位置或尘格角度的调节，此外帘子线直捻机横动导丝机构；分批整经机压辊加压；分条整经机的织轴，整经台的横移，前后移等均采用了步进电机驱动。
有些设备为达到精确控制位移量或定位等既可采用伺服电机驱动也可采用步进电机驱动，例如整径机的织轴，整径台的横移和前后移，有的厂家选用伺服电机驱动，有的厂家则选用了步进电机驱动，同样满足了工艺要求，一般地说，如步进电机能满足技术要求的，理应选用步进电机而不宜采用伺服电机，因后者价高。
（3）开关磁阻电机的应用
采用开关磁阻电机驱动剑杆织机主轴的样机已推出，经试用效果良好。
由上可看出，伺服电机，步进电机，开关磁阻电机等已广泛用于纺织机械，当今中国的纺织机械电气传动正在向运动控制发展，运动控制应将电网，整流器、逆变器、电动机、生产机械和控制系统作为一个整体来考虑，使控制更加优化。
1.3可编程控制器
1.3.1 PLC可编程控制器
PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑，顺序、计时、计数与运算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件控制各种机械的运动或工作顺序，又开发了模拟量闭环控制功能和通讯功能，PLC具有可靠性高，适应性强，编程方便，结构模块化等特点，是一种专门用于各行业生产的现场设备，也广泛用于各种纺织机械。
一般的PLC均具有多种功能模块能适合各种技术要求的产品的需要，例如供计数、测量、各种定位控制，凸轮控制和闭环控制功能模块，数字量和模拟量I/O模块和多种通讯模块。
PLC的通讯方式可有三种，一是点对点（PP1）方式，用于与本公司的PLC编程器或其它产品通讯，二是DP方式，即通过Profibus的DP通讯接口接入现场总线网络，三是自由口(Free,Port)通讯方式，由用户定义通讯协议，实现PLC与外设的通讯，此方式无需增加投资，灵活性较好，适于小规模控制系统，例如大多数纺机控制系统，它要求双方都使用RS485接口，通过标准的RS485串行通讯网络通讯，接入现场总线网络时，PLC可以作总线的从站，也可作总线的主站，例如大型涤纶纺丝联合机用1台PC机为主站，3台PLC为从站，又如，分条整径机用1台PLC（S7-300型）作总线的主站，用2台PLC（S7-200型）作总线的从站，构成PLC网络。
PLC的性能倚赖于专用的硬件，应用程序的执行依靠专用硬件芯片来实现，如需增加运动控制功能，通讯功能等，一般均需增加相应的功能模块，近年推出的PAC即可编程自动化控制器，它的软件和硬件采用标准的、通用的部件，PAC的性能是基于它的轻便控制引擎和标准的、通用的，开放的实时操作系统，嵌入式硬件系统设计和背板总线（通常采用标准的，开放的背板总线）等，这些特征越来越显得重要，因而PAC系统在不久的将来有可能部分取代PLC系统。
1.3.2 PCC可编程计算机控制器
PCC集成了可编程逻辑控制器（PLC）的标准控制功能和工业计算机（IPC）的分时多任务操作系统功能，即综合了PLC和IPC的功能，因此能方便地处理开关量、模拟量，进行回路调节，并能用高级语言编程，同时也具备大型机的分析运算能力。
主要特点：并行处理系统；符合IEC61131-3国际标准的编程语言；支持多任务，分时操作系统；集成CNC功能，运动组件提供对定位，凸轮和仿形应用的开发，配置和诊断，以及优化等的解决方案，最多可管理255个轴。
使用Automative NetTM作为和上位机通讯的统一通信平台，网络上每个通信节点都独立于目标系统，物理介质和协议以及多种操作平台。
开放的现场总线已集成到系统中，因此可连接CAN、CANopen Device Net、 Profibus-DP、Ethernet等，现已用于喷气织机，剑杆织机、悬定粗纱机和化纤后处理设备等。
1.4 网络技术
随着计算机网络技术的迅速发展，由全数字现场控制系统代替数字与模拟分散型控制系统已成为工业自动化控制系统结构发展的必然趋势，现场总线控制系统FCS （Fieldbus Control system）适应了工业控制系统向分散化、智能化和网络化发展的需要，是八十年代国际自动化控制领域出现的一项革命性技术，是集网络技术，通讯技术、计算机技术，智能现场仪表，控制装置等多种科技成果而成。现场总线（Fieldbus）是连接智能现场设备和自动化系统的开放式、全数字化，双向传输，多分支结构的通讯网络。是现场总线控制系统的核心，因此现场总线不仅仅是一种通信技术和用数字仪表代替模拟仪表，而是用FCS代替传统的DCS实现现场总线通讯网络与控制系统的集成。
现场总线技术发展迅速，到二十世纪末国际上有40多种现场总线，但应用于我国纺织工业的主要有Profibus、Device Net CAN-Bus、Modbus 等，其中以Profibus应用最广泛、最普及。
1.4.1 Profibus现场总线
Profibus是国际现场总线标准IEC61158的组成部分，2001年12月批准为中国的行业标准正式出版，并得到普遍认可，在全球市场占有率最高。Profibus通讯速度最快，通讯速率（波特率）最高达到12Mbps（通讯距离为100m时），其开放性好，不仅技术公开，而且应用广泛，通讯功能强大，通常采用主一从式通讯，一个系统最多可有126个节点，采用线形、星形、环形等多种拓补结构。
1.4.2 Device Net现场总线
Device Net是一种低价位的开放式现场总线，基于CAN芯片，通讯功能强大，支持除主一从方式以外的多种通讯方式。具有强大的抗电磁干扰能力、网络最多可有64个节点，采用线性拓补结构，但其通讯速率较低，最快为500kbps（通讯距离为100m时）不适于高速数据传输，Dvice Net现场总线2002年10月被批准为中国国家标准。
1.4.3 现场总线与传统控制方法的比较
现场总线技术就是设备层的工业控制网络技术，也就是连接现场智能设备（例如变频器，PLC等）和车间的通讯网络，更适合于中等量数据（100～500）的传输。它与传统的控制方法（如DCS系统）相比，具有以下主要特点：
（1）数据传输更可靠，数据响应更快，抗电磁干扰能力更强；
（2）现场连接导线和连接按附件可大量减少，系统设计、安装、调试、维护工作量和现场安装费用大幅度减少；
（3）主控器可获得更多的现场设备信息；
（4）可方便地实现自动诊断，并显示故障位置等。
近年来，现场总线技术在我国纺机设备中得到推广应用，尤其是在大型化纤设备上使用，更显其优越性。
现场总线虽具有许多优点，但现场总线控制系统价格还较昂贵，另外，现场中很多设备还不是智能仪表，不能直接与现场总线联网。因而，如现场控制设备多，且分散，设备对控制要求高，或用于有腐蚀性气体等使用环境恶劣，且整台设备造价较高的纺织机械比较适宜推广应用现场总线控制系统。如大型化纤设备等。
近年来，工业以太网发展迅速，通讯速率100M的工业以太网已应用到了工业现场。工业以太网技术在不久的将来可能替代现场总线技术。而将设备层，车间层和信息管理层融为一体。
1.5 人机界面
纺织机械使用的人机界面，可分为较低档的和较高档的两类，各有不同的应用对象。
较低档的人机界面，如文本操作面板等，屏幕尺寸较小，一般不大于115×86mm，显示效果一般，从黑折到64色，主要是以字符显示，采用复膜键盘操作，但也具有触摸屏的基本功能，内存一般在256K以下，价格较低，适用于大多数棉纺、毛纺、针织、服装、非织造布机械和部分印染机械。
较高档的人机界面，如图形和触摸屏操作面板，屏幕尺寸较大，一般大于115×86mm，显示屏为256色～65000色的高分辨率、高亮度的屏幕，除具有较大的数据储存和数据处理能力等基本功能外，还具有软件仿真功能，多种通讯连接方式等，采用复膜键盘操作或触摸屏操作，内存为1～2MB，适用于化纤机械、织造机械和印染机械等。
触摸屏作为人机界面用于纺织机械，主要用于：
（1）可方便灵活地实现生产工艺参数的输入和修改，如各种速度、纱支、捻度、牵伸倍数、张力、温度、压力、长度、卷经等等。
（2）对各种控制参数的监控，并实时监控系统运行状态，实时显示各生产工艺参数和变频器的启停状态，运行频率、电流、电压、报警信号等。
在实际使用中，触摸屏通常与PLC组成如MP1网，方便地实现各种工艺参数的设定，修改，实时监控，历史曲线，数据统计和报表打印等功能。
1.6 纺机传动电动机
纺织机械所用电动机种类较多，主要有交流异步电动机（含变频专用电机、力矩电机）、同步电动机（主要是永磁式转子同步电机）、伺服电机（主要是交流伺服电机）、步进电机（含直线电机）、开关磁阻电机、直流电动机、电磁调速异步电机和缝纫机专用电机等。
1.6.1同步电机
同步电机转子有永久磁极的转子和带励磁绕阻的转子，纺织机械基本上只用永磁转子的同步电机。同步转速No=60f/p式中f——电源频率，p——电机极对数。同步电机机械特性平直其转速不随负载变化，但同步电机也存在“失步”的危险，一旦功率角q >60˚～90˚时。即负载瞬时过大时，同步电机会失步而停转。因此，通常同步电机容量选择时，留有适当裕量（例如放大一档）永磁同步电机结构更简单，运转更可靠，因而，广泛用于化纤机械。在设计和选用时，还应特别注意，例如：电机容量适当放大、供电的变频器容量更应放大1～2个档次。同步电机的起动电流， 一般比异步电机起动电流大2～3倍。
同步电机变数调速，开环控制即可达到高精度调速，其调速精度仅取决于变频器的频率精度，一般为0.1～0.01%，特别适合于对静态调速精度要求高的多电机同步或比例同步传动，因而广泛用于纺丝机各纺丝泵（计量泵）和纺丝泵与牵伸辊的同步传动。
1.6.2 伺服电机及其驱动技术
早期的伺服电机是直流伺服电机，二十世纪七十年代开始推出，并得到迅速发展，八十年代，由于电力电子技术和计算机技术的发展，交流伺服电机及驱动技术发展起来了，此期间伺服驱动器属模拟式，到九十年代，数字式交流伺服电机系统得到快速发展，性价比快速提高。而直流伺服电机，由于容量、最高转速均受到限制，特别是直流伺服电机有碳刷，易摩损，易产生火花，低速运行时，碳刷和换向器易产生死角等，因而，直流伺服电机逐步被交流伺服电机所取代了。
交流伺服电机系统包括永磁同步（SM型）电动机伺服系统和感应式异步（IM型）电动机伺服系统，后者，由于感应式异步电机结构坚固、制造容易、价格低，具有较好的发展和推广应用前景。
九十年代，由于稀土永磁材料的采用，而且驱动器由模拟式过渡到全数字式，使得交流伺系统硬件结构简单，参数调整方便，产品生产的一致，可靠性大大提高，同时，还可集成多种复杂的电机控制算法、PID控制、前馈控制、速度实时监控等，智能化控制功能，因而性价比大大提高。如要求低速性能好，线性调速范围宽，速度波动和转矩波动小，交流伺服电机宜采用速度闭环控制。现代纺织机械为提高档次，提高竞争力，更好地实现加快提升我国纺织工业整体竞争力的要求。纺织机械应用伺服系统越来越广泛，现已有几十种纺织机械应用了交流伺服电机系统，例如喷气、剑杆等无梭织机的电子送经，电子卷取，自动络筒机、平网、园网印花机等，详见运动控制部分。所用伺服电机容量从几十W到十几kW。
调速系统和伺服系统没有本质区别。调速系统重点是按照各种技术要求调节电机运行速度，伺服系统重点是控制电机运行的位置或多电机（轴）的同步运转，包括位置同步和速度同步，对停止、启动要求更准确、更快时，一般也采用伺服系统。
近年国外已推出高精度的全闭环数字式伺服系统，该伺服驱动器直接接受驱动机台位置检测器（如光栅、旋转编码器等）的反馈信号构成位置环，而伺服电机轴上的旋转编码器的反馈信号也送至驱动器，构成速度环，如图（1-1）所示，该系统获得很高的定位精度。
驱动

驱动机台湾台
上 位
控制器

伺服电机
全闭环伺
服控制器
速度反馈

位置检测器
位置反馈

图1-1全闭环控制伺服系统方框图
伺服系统的发展趋势：
（1）高性能化——提高伺服电机本身性能、改进伺服控制器的性能，采用高速CPU、专用集成电路ASIC，智能功率模块IPM等。
（2）小型化——采用高性能永磁材料，优化绕线技术和冷却技术。
（3）软件化——在伺服驱动器中使用超大规模集成电路、将更多的硬件结构用软件实现。
（4）网络化——将驱动部分、运动控制、上位控制和计算机通过网络连接、进行高速数据通讯，实现一体化管理，使机械调整和故障诊断更加简便。
1.6.3步进电动机
步进电机是一种把脉冲变为角位移或直线位移的执行元件，每输入一个脉冲信号，步进电机的转子就前进一步，转过一定角度，由于输入的是脉冲信号，因而，输出的角位移是断续的、故又称脉冲电机。步进电机一步行走的角度位移大小，通过相位分配的改变来调节，步进电机一般为开环控制，因而，当步进电机驱不动时，可能出现“失步”，而影响控制精度，这是选用时应注意的问题。
可以直接输出线位移的，则称为直线电机，它由2个非接触元件组成，即磁板和线卷滑座，电磁力直接作用于移动的元件，而无需机械连接，没有机械滞后，精度完全取决于直线反馈系统和分级的支承，可由数字伺服驱动，可获得频率响应好、精度高、速度快、噪声低、效率高等特性。

第2章 变频器在化纤机械中的应用
2.1 涤纶短丝切片纺丝机
适用于涤纶短纤维纺丝
切片纺工艺流程为，经干燥过的切片，送螺杆挤压机内加温加压制成纺丝溶液，经连续过滤器过滤后由纺丝泵（计量泵）计量并压入纺丝组件，再由喷丝孔喷出的溶体细流经纺丝侧吹风窗冷却形成。纤维冷却成形后，进入纺丝通道之前需进行集束上油，最终形成丝束纤维。切片纺丝机主要由螺杆挤压机、纺丝箱、纺丝泵和油剂泵等组成。
2.1.1主要技术特征
纺丝位数：24位
纺丝速度：500～1300m/min
调速范围；3:1以上
频率精度：±0.5%～±0.2%。
2.1.2螺旋挤压机
螺杆挤压机主要用于合成纤维之切片熔融纺丝，将切片熔融均化、并使熔体在一定温度压力下定量连续剂出。根据纺丝部位的多少，速度的高低等，螺杆挤压机的螺杆直径和转速均不同，传动功率和加热功率亦不同，见表2.1。
螺杆传动电动机可以是直流电动机，也可以是交流电动机。九十年代后，基本都采用三相交流异步电机传动、变频调速。
表2-1 螺杆挤压机技术参数
螺杆转速r/min
20～100
20～100
20～80
20～90
20～80
20～80
20～80
20～88
20～70
螺杆直径mm
F45
F60
F80
F90
F105
F120
F130
F150
F160
电机功率kW
15
22
22～30
30～40
55～75
75～90
110～132
110～132
132
加热功率kW
10～15
15～20
25～30
30～40
55～70
60～75
70～85
80～95
90～105
螺杆挤压机的最终控制参数不是转速，而是螺杆出口压力，因此，该系统实质是压力闭环控制系统，系统方框图如图2-1所示。
速度设定
变频器
电机
螺杆菌
压力变送器
调节器
熔体压力设定

图2-1螺杆挤压机压力控制系统方框图

2.1.3纺丝泵
纺丝泵用于将纺丝溶液定量定压地连续输入喷丝组件，1台纺丝机少则为2个部位，多则24个部位，1个纺丝部位用1台纺丝泵，24个纺丝部位用24台纺丝泵。
纺丝泵一般采用永磁同步电机传动，变频调速。多台同步电机供电方式一般有两种，一是全机多台纺丝泵电机共用一套大容量变频器供电、调速；二是每台电机均由1台对应容量的变频器供电，可单独变频调速，第一种采用一套变频器供电的优点是电路简单，造价较低，第二种供电的优点是一旦某一台电动机故障，只需相应变频器停止工作，其余各部位可照常工作，另外，每台变频器还可分别设定其运转频率，即1台纺丝机可同时生产多种规格的POY丝。
永磁同步电机转速完全取决于供电变频器的频率，当今变频器频率精度可达±0.01%，故纺丝泵采用开环变频控制即可。
2.1.4油剂泵
油剂泵用于对加工中的丝纤维施加一定量的合纤油剂，有利于后续加工，减少静电，使纤维具有一定的柔软性、平滑性和抗静电性等。
油剂泵也是一个部位1台，一般采用三相异步电机传动，变频器供电调速，开环控制，其速度的改变主要是按工艺要求调节纤维丝的上油率，保证丝的质量。
牵引装置，卷绕喂入装置等参见3.3、3.4。

2.2 涤纶短纤维后处理联合机
主要用于将涤纶初生纤维经过牵伸、定型、卷曲、切断和打包，制成具有所需强度、捻度等实用纤维。
2.2.1主要技术特征
生产能力50t/d
最高丝速 30～290m/min
总牵伸倍数 3.192～4.723
2.2.2联合机组成
集束架——导丝机——浸渍机——头道牵伸机——二道牵伸机——三道牵伸机——油浴槽——喷油水机——水浴牵伸机——蒸汽加热箱——紧张热定型机——卷曲预热箱——卷曲机——丝束输送——摆丝装置——松驰热定型机——上油机——电引机——切断机——纤维输送——纤维打包机。
浸渍机、油浴槽、水浴牵伸机、蒸汽加热箱、卷曲预热箱等无主传动，但设有温度控制。
（1）牵伸段主传动
从导丝机到四道牵伸机采用机械长边轴加齿轮变速箱传动其中7台单元机，由此解决头道，二道牵伸机在加工丝束运行中可能出现的倒拖，即处在发电运行状态，并保证各段牵伸比的基本稳定，牵伸比的调整靠齿轮变速箱，长边轴采用160kW直流电动机调压调速，或交流异步电动机变频调速。
（2）卷曲机2台，采用2台10kW直流电动机调压调速或交流异步电机变频调速。
（3）皮带输送机2台，采用2台3kW 直流电动机调压调速，或交流异步电机变频调速。
（4）松驰热定型机链板传动采用2.2kW交流异步电机加PIV机械调速，或采用交流异步电机变频调速。摆丝装置则采用1.5kW直流电机调压调速或交流异步电机变频调速。烘房温度135～150℃，采用温度自控。风机共8～10台，采用10kW交流异步电机传动。
（5）上油机2台，采用2台3kW 直流电机调压调速或交流异步电机变频调速。
（6）曵引机2台，采用2台3kW直流电机调压调速或交流异步电机变频调速。
（7）切断机2台，采用2台5.5kW 或7.5kW直流电机调压调速或交流异步电机变频调速。
（8）打包机2台，采用油压传动，主压油泵为三柱塞泵两台，30Mpa，25L/min，预压油泵为叶片泵2台，7Mpa，113L/min。纤维的压实、捆扎、成包、转向等动作程序采用PLC控制。
2.2 .4调速系统控制方案
（1）直流调压调速方案
每台直流电动机采用独立的电流——电压双闭环可控硅整流电源供电，全机共12套可控硅直流电源分别供12台直流电机调速。
牵伸段与2台卷曲机之间的同步运行，采用2台同步调节器，当牵伸与卷曲出现速度差时，同步调节器通过调节辊的位移检测出速度差，并将该位移转换成直流电压信号，分别调节卷曲机1、2的速度，使之与牵伸段同步运行，其同步调速原理框图2-2。
切断机与曵引机之间的同步运行原理与牵伸段一卷曲机之间的同步运行原理相同。
（2）交流变频调速方案
全机共采用12台变频器分别给12台交流异步电机供电，进行变频调速，变频同步调速原理框图如图2-3。
卷曲机
2
卷曲机
1
GT
ST
LT
KZ
M
F
SF
LF
GT
ST
LT
TB
KZ
M
SF
LF
E
GT
ST
LT
KZ
M
SF
LF
E
TB
Ug

图2-2牵伸段一卷曲机直流同步调速系统原理框图
Ug
牵伸段丝束
M
~
V1

M
~
V2
TB
卷曲机
1
卷曲机
2

M
~

V3
TB

图2-3牵伸段一卷曲机交流变频同步调速系统原理框图
图2-2中
GT—给定积分器 ST—速度调节器 LT—电流调节器 KZ—可控硅整流电源
M—直流电动机 F—直流测速发电机 HF—电流反馈 SF—速度反馈
TB—同步调节器 Ug—速度给定电压
图2-3中
M
~
V—变频器 —交流异步电机 TB—同步调节器 Ug—速度给定电压
2.3 大型涤纶短纤维纺丝联合机
大型涤纶短纤维纺丝系指年产3万吨以上涤纶短纤维直接纺丝联合机。
主要工艺流程为，熔体分配®纺丝®集合®牵引®喂入®装筒®丝桶输送。
设备组成：熔体配管，纺丝箱体，纺丝泵，喷丝板，丝束冷却装置，上油装置（泵），生头装置，牵引装置，卷绕喂入装置，盛丝装置。
2.3.1主要技术特征
日产量： 100t/d
纺丝位数： 32或36位
机械速度： 500～1500m/min
丝桶纵向速度：5～10m/min
丝桶横向速度：0.5～3.5m/min
全机总功率460kW(其中传动功率160kW，联苯加热300kW)
2.3.2纺丝泵
一位1台纺丝泵，全机32或36台纺丝泵，每台纺丝泵单独一台永磁同步电机或异步电机传动，每台电机由单独变频器供电，变频调速。
2.3.3上油装置
采用油盘园周溢流式上油，上油泵由交流异步电机传动，变频调速。
2.3.4牵引装置
主要由6根牵引辊交叉排列组成，每根牵引辊单独由交流异步电机或同步电机传动，6台传动电机采用共直流母线的单独逆变器供电的变频调速。6根牵引辊转速可完全一致，也可按工艺要求保持一定的比例关系。
2.3.5卷绕喂入装置。
卷绕喂入装置包括导丝辊和喂入轮，导丝辊由同步电机直接传动，变频调速，喂入轮由交流异步电机传动，变频调速。
2.3.6盛丝装置
盛丝装置的盛丝桶的纵向、横向运动均采用伺服电机驱动，或者变频电机传动，变频调速，丝桶进出辊道和台车均由单独交流异步电机传动。
盛丝装置设有定长装置，对每桶丝的长度进行精确定长，保证每桶丝的尾丝降至最低。
2.3.7联合机控制系统
纺丝联合机的控制可以分为纺丝，卷绕喂入和盛丝三套控制系统，目前已采用现场总线控制系统，PLC为主站，各变频器，伺服控制器，现场I/O等均为从站，其间的通讯采用Profibus-DP总线。可根据用户的需要，本系统可设置操作员站，工程师站，报表打印等。PLC也可与上位机通讯（总线或以太网）。涤纶短丝纺丝联合机控制可将为纺丝，卷绕喂入合并为一套系统，人机界面采用触摸屏，可方便地在触摸屏上设定纺丝工艺参数，运行控制，工况显示，故障报警，显示以及数据的纪录，查询等功能。
（1）纺丝控制系统方框图如图2-4。纺丝PLC（IPLC）对32台纺丝泵，1台上油泵的变频器调速，4台纺丝箱体温度，压力进行监控，系统设有4个现场I/O，通过人机界面实现工艺参数的设定、修改、各有关数据采集，并控制上述设备的运行。
测温铂电阻
电热丝加热
测温铂电阻
现
场
I/04
现
场
I/03
现
场
I/02
现
场
I/01
计量
泵33
计量
泵32
计量
泵2
计量
泵1
PROFIBUS-DP
IPLC
ITP
V1
V2
V32
V33
I/0
I/0
I/0
I/0
PLC1
PLC2
电热丝加热

图2-4纺丝控制系统方框图

（2）卷绕喂入控制系统方框图如图2-5，卷绕PLC（2PLC）除控制1～6牵引辊，导线辊，喂入轮，上油泵（轮）电机的调速外，还控制纺线吹风装置，设有5个现场I/O通过触摸屏完成工艺参数的设室，修改和数据采集等。

I/O
I/O
V3

V2

V1
LV6
Z
2TP

2PLC
电源
整流单元
DCBUS

共直流母线
I/O
LV2
LV1

上油泵
喂入轮

导线
辊

牵
引
辊1
牵
引
辊6

牵
引
辊2
现场I/O
现场I/O