一、概述

我們知道，可控硅(SCR)作為電力電子器件因其較高的耐壓大電流特性及簡(jiǎn)易可靠的導(dǎo)通控制特點(diǎn)，直至今日仍廣泛應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)中。但可控硅的關(guān)斷必須通過高反壓才能實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)用于變頻調(diào)速器里其附加裝置較多，體積大，同時(shí)其開關(guān)頻率必然受到限制，載波頻率一般只有幾百HZ，對(duì)于大功率變頻器則更低，輸出波形很差，影響到電機(jī)的運(yùn)行。

鑒于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器的控制電路只能大量采用分離元件，各種調(diào)節(jié)器及信號(hào)發(fā)生器都是模擬電路，控制精度低，穩(wěn)定性差，濕漂大，可靠性也低。隨著使用時(shí)間的增加，設(shè)備逐漸老化，變頻器的故障逐年增多，因此造成燒毀電機(jī)的數(shù)量也越來(lái)越多。化纖設(shè)備采用的高速電機(jī)都是特殊電機(jī)，修理費(fèi)每臺(tái)需2萬(wàn)元人民幣，進(jìn)口一塊控制板需要數(shù)萬(wàn)元。可見現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用是很高的。

隨著現(xiàn)代微電子及電力電子技術(shù)的發(fā)展，全數(shù)字化、高開關(guān)頻率、矢量控制特點(diǎn)的變頻調(diào)速器已全面推向市場(chǎng)，變頻器的成本也大大下降。采用先進(jìn)變頻器改造原可控硅變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種高效、經(jīng)濟(jì)的選擇，1998年我們采用當(dāng)時(shí)國(guó)際上較先進(jìn)的日本三墾LF系列及IF系列變頻器改造了兩條德國(guó)巴馬格(Barmag)POY、FDY高速紡絲機(jī)，并取得了極好的效果。


二、原調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)及現(xiàn)狀

長(zhǎng)沙錦綸廠前紡POY、FDY紡絲生產(chǎn)線中有三條生產(chǎn)線，為德國(guó)巴馬格(Barmag)公司產(chǎn)品，其電氣調(diào)速系統(tǒng)采用西門子SIMOVET-V變頻器集中控制，每條生產(chǎn)線的傳動(dòng)由四臺(tái)變頻器完成，另兩臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)計(jì)量泵電機(jī)及油劑泵電機(jī)。每條生產(chǎn)線共有16個(gè)位(卷繞機(jī))，每個(gè)位含一個(gè)摩擦輥電機(jī)( 2.0KW)及一個(gè)槽輥電機(jī)( 0.9  KW),16個(gè)摩擦輥電機(jī)由一臺(tái)“運(yùn)行”變頻器驅(qū)動(dòng)，工作頻率為25-212HZ。16個(gè)槽輥電機(jī)由另一臺(tái)“運(yùn)行”變頻器驅(qū)動(dòng)，工作頻率為50-325HZ。每個(gè)卷繞機(jī)單獨(dú)起動(dòng)，由于摩擦輥及槽輥的機(jī)械慣性較大，各自需要一臺(tái)“起動(dòng)”變頻器起動(dòng)，當(dāng)“起動(dòng)”變頻器的輸出頻率等于“運(yùn)行”變頻器的輸出頻率時(shí)，該卷繞機(jī)的兩臺(tái)電機(jī)即切換到“運(yùn)行”變頻器驅(qū)動(dòng)。

三、改造方案的提出
高速紡絲機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)改造一般有兩套方案，一是由“集中”調(diào)速改為“分散”控制。即每個(gè)位(卷繞機(jī))采用兩臺(tái)變頻器分別驅(qū)動(dòng)摩擦輥及槽輥電機(jī)，這樣每個(gè)位都可單獨(dú)控制，相互之間沒有電控方面的聯(lián)系，避免原來(lái)四臺(tái)變頻器中任何一臺(tái)變頻器故障而造成全線停機(jī)，也便于新產(chǎn)品的開發(fā)研制及小批量多品種的生產(chǎn)，也可取代化纖實(shí)驗(yàn)機(jī)。德國(guó)巴馬格(Barmag)公司九十年代新出的紡絲機(jī)即采用這種方式，國(guó)內(nèi)一些廠家也有采用此方式的改造方案，但這種方案投資太大，全機(jī)需要三十二臺(tái)變頻器，加上計(jì)量泵電機(jī)和油劑泵電機(jī)，則需要六十四臺(tái)變頻器，據(jù)悉北方一家長(zhǎng)絲廠采用此方案僅變頻器就投資了一百多萬(wàn)元。
考慮到每個(gè)位不必完全以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，且同一時(shí)期不可能同時(shí)試制16個(gè)品種，本著“高效、經(jīng)濟(jì)”的原則，我們采用了另一種方案，其特點(diǎn)如下：

保留原有系統(tǒng)，增加切換電路，使新增的三墾高性能變頻器可以控制原有的16個(gè)位，也可以控制7個(gè)位或8個(gè)位或1個(gè)位，這樣可以用一個(gè)位試制新產(chǎn)品，也可以用三墾變頻器控制7個(gè)或8個(gè)位生產(chǎn)小批訂單，另9個(gè)位或8個(gè)位采用原SCR變頻器生產(chǎn)另一個(gè)品種，實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩品種，以滿足銷售部門和用戶的要求。改造后的每個(gè)卷繞機(jī)單元的電氣傳動(dòng)電路如圖二。其中，當(dāng)起動(dòng)變頻器的輸出頻率等于原運(yùn)行變頻器的輸出頻率時(shí)，如將電機(jī)通過K22和K24切換到原運(yùn)行變頻器，該卷繞機(jī)可生產(chǎn)原產(chǎn)品；如將電機(jī)通過KXM和KXC切換到新運(yùn)行變頻器，該卷繞機(jī)可生產(chǎn)新產(chǎn)品。通過這兩組接觸器的不同組合，即可調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

四、系統(tǒng)調(diào)試
     本項(xiàng)技改的調(diào)試，除每單元卷繞機(jī)的兩個(gè)電機(jī)及其接觸器接線正確外，卷繞機(jī)的擺頻設(shè)定及起動(dòng)變頻器與新運(yùn)行變頻器的切換最為關(guān)鍵。
日本三墾LF及IF系列變頻器內(nèi)含有專為化纖高速紡絲機(jī)所設(shè)計(jì)的擾動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式,可以方便地完成卷繞機(jī)的擺頻設(shè)定。
由于摩擦輥及槽輥的機(jī)械慣性較大，當(dāng)起動(dòng)變頻器的輸出頻率等于運(yùn)行變頻器的輸出頻率時(shí)切換，不會(huì)產(chǎn)生電氣沖擊。改造后系統(tǒng)新增運(yùn)行變頻器的輸出頻率與原運(yùn)行變頻器不同，如較高，切換時(shí)將產(chǎn)生大電流。較低時(shí)切換，將產(chǎn)生過電壓（切換時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)）。所以新增運(yùn)行變頻器的容量選擇應(yīng)有一定余量，同時(shí)應(yīng)配備制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。工程上可按下式計(jì)算附加制動(dòng)電阻的阻值：
                      Uc2
                     R =      
                           1.047(TB-0.2Te)n
     式中    R—制動(dòng)電阻Ω
             Uc—直流回路電壓
          TB—制動(dòng)轉(zhuǎn)矩
          Te—電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩
      n—開始制動(dòng)時(shí)的速度
從式中可以得出，當(dāng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩TB >0.2Te時(shí)，即制動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩20%以下時(shí)，無(wú)需設(shè)置制動(dòng)電阻，也就是不需考慮制動(dòng)方案，由電機(jī)內(nèi)部的有功損耗作用下可以將中間直流回路電壓限制在過電壓保護(hù)動(dòng)作值以下。式中的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩TB 可按下式計(jì)算機(jī)：

  (GD2M+GD2L)(n1-n2)
   TB =                    TL
375ts
     式中  GD2M—電機(jī)的GD2，由電機(jī)特性查得N.m
        GD2L—負(fù)載拆算到電機(jī)軸上的GD2N.
        TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩N.m
        n1—減速開始時(shí)的速度r/min
        n2—減速完了時(shí)的速度r/min
        ts—減速時(shí)間s
   
由于任一時(shí)刻電機(jī)由起動(dòng)變頻器向運(yùn)行變頻器切換時(shí)，只有一個(gè)單元卷繞機(jī)投入，所產(chǎn)生的沖擊電流不會(huì)很大。經(jīng)過計(jì)算機(jī)，選擇37KW及22KW變頻器并配備兩套BU-430制動(dòng)單元及DB-430制動(dòng)電阻。實(shí)際運(yùn)行時(shí)并未出現(xiàn)過電流及過電壓跳閘。

五、結(jié)論
1．本項(xiàng)技改克服了原設(shè)備集中控制的弊端，改造后可對(duì)16個(gè)位進(jìn)行分組控制，必要時(shí)可互相轉(zhuǎn)換，互不干擾，便于試制新產(chǎn)品及小批量各品種生產(chǎn)。
2．可靠性高。原調(diào)速系統(tǒng)中變頻器發(fā)生故障，可將16個(gè)位全部切換到新調(diào)速系統(tǒng)中運(yùn)行，切換過程只需幾分鐘即可完成。

3．新調(diào)速系統(tǒng)采用日本三墾公司九十年代后期新產(chǎn)品LF及IF系列變頻器，分別采用準(zhǔn)32位及32位CPU，頻率設(shè)定分辨率為0.01HZ，精度高于原變頻器20倍。開關(guān)模塊分別采用IGBT及IPM模塊，最高載波頻率可達(dá)14KHZ，靜噪音，運(yùn)行電流小，有完善的各種保護(hù)功能。LF及IF變頻器具有擾動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式，此功能專為化纖高速紡設(shè)計(jì)，可將化纖紡絲的工藝參數(shù)直接在變頻器上以數(shù)字方式設(shè)定，其中LF系列變頻器還可在運(yùn)行時(shí)直接從面板顯示器中讀出或修改擾動(dòng)參數(shù)(擺頻參數(shù))，并顯示實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速，深得工藝人員的歡迎。
4．投資少。

5．改造工期短，安裝調(diào)試方便，僅停機(jī)一個(gè)小時(shí)即可完成調(diào)試并投入運(yùn)行，占地面積小。

6．當(dāng)月投資當(dāng)月見效。改造后的生產(chǎn)線上生產(chǎn)出原來(lái)不能生產(chǎn)的新產(chǎn)品，其市場(chǎng)售價(jià)高出老產(chǎn)品2000元/噸左右，僅此一項(xiàng)利潤(rùn)即可三月內(nèi)收回投資。

7．節(jié)能。電機(jī)運(yùn)行電流為原系統(tǒng)運(yùn)行電流的80%左右。

8．設(shè)備投運(yùn)以來(lái)，新變頻器未發(fā)現(xiàn)任何故障，沒有燒毀一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，綜合往年的統(tǒng)計(jì)，每年節(jié)省維修費(fèi)用約十五萬(wàn)元。

可見高速紡絲機(jī)的“分組”變頻調(diào)速技術(shù)改造是一種高效、經(jīng)濟(jì)的方案。