1、交流电机变频调速技术已成为现代化纤行业必备的工艺技术1 引言深圳华能公司是我国从事变频技术最早的企业之一。许多负载第一次应用变频技术都有深圳华能公司的参与，如输油泵(87 年大庆采油二厂集输站 11 套)、20 吨桥式起重机(89 年独山子石化公司炼油厂)、焦化桥式吊车(91 年茂名石化公司)、20 吨转炉倾动及氧枪升降(93 年承德钢厂三套)、腈纶纺丝生产线(94 年大庆化纤厂)、2.8m44m 回转窑(90 年株州有色金属冶炼厂)、3.6m30m 煅烧炉(92 年唐山碱厂)、大型辊道(93年鞍钢中型厂后送工序改造采用变频 50 多台)、海上平台电源(92 年南海石油西部公司装备部)、150
2、HZ/160V 200KW 电源(89 年邵阳化纤厂 9 套、吉林化纤厂 28 套、湖北化纤厂 14 套、九江化纤厂 12 套、宜宾化纤厂 8套)、1250KW/6000V 电场引风机(98 大庆新华电厂二套)、高压氨泵(97 年长岭炼油厂、辽河化肥厂)等。在化纤行业，其业绩多多，下面逐一说明。2 腈纶生产线纺丝的工艺复杂，工位多，要求张力控制，有的要求位置控制。大庆腈纶厂 95 年对其引进美国 CHEMTEX 公司采用美国 ACC 工艺技术的年产5 万吨腈纶生产线进行了变频 PLC 改造。我们采用了“同步运行方式” ，设置“无张力控制环节” 、 “松紧架同步装置” 、 “总线速度控制方式”
3、、“转矩矢量控制”等技术，使整条生产线 20 个丝束处理单元同步运行，平稳可靠，牵伸倍率由 1.04 到 1.4，年增产达 382 吨，故障降低、节省维修费 57.5 万元，年提高产品质量、提高等级合格率经济效益达 325 万元，年节电 58 万 kW。97 年该项目通过中国石化总公司鉴定，专家结论达到 90 年代国际先进水平。兰化化学纤维厂是我国 1965 年从英国考陶尔茨(Courtaulds)引进的第一套 8000t/a 腈纶生产装置，生产工艺采用硫氰酸钠一步法。腈纶生产过程是一种相当精细的生产过程，调速精度要求非常高。除纤维的成型和后处理以及毛条加工直接依赖调速外，纺前准备和原液系统的
4、液位、压力、流量控制以及生产的平稳性、丝束质量、能耗、物耗等都与调速性能有直接或间接的关系。该纺丝生产线长达 170m，各道工序丝束的运行速度都是根据工艺要求来设定的。原设计速度控制系统全部采用滑差电机、直流电机及与其配套的电子系统来实现，但由于原英国装置已运行 20 多年，设备严重老化、故障率高，加上设备本身复杂，维修量大，生产上往往一处波动都会引起全线波动，甚至造成全线停车，生产稳定性差，非计划停车次数多，产品质量难以保证。1995 年对纺丝生产线的调速系统及主要调速设备进行了全面改造。三条纺丝生产线共安装变频调速器 113 台，全部淘汰了滑差电机和直流电机，生产稳定性明显提高，非计划停车
5、次数逐步减少，废丝、废胶量明显降低，产品质量有了显著的提高。采用变频调速技术后，1995 年产量达到 16000t/a，把原设计能力翻了一番。这一成绩的取得，除设备改造更新后，积极大胆广泛地采用变频调速技术也是关键因素，仅增加产量一项，每年即可创效益近 500 万元以上。变频调速技术因其稳定性好，可靠性高，大大提高了设备的运行周期，使过去由于电气仪表原因造成的非计划停车次数大幅度下降，每年可增加产量近 150 吨，增加效益近百万元。产品质量有了明显提高，废丝、废胶率逐年下降，NaSCN 等原料的单耗亦下降，生产成本降低。1995 年与 1993 年相比，减少废丝 294.004 吨，废胶 45
6、0.151 吨，增加利润 89.49 万元;节约 NaSCN320.16 吨，增加利润 192.096 万元，节约材料费近 30 万元。合计增加效益 311.50 万元。从表 1 可知，节电效果显著，经实测，当用变频调速器协调控制时，电机使用功率平均比原来下降 50%以上。该厂目前有 200 台电动机使用了变频调速器，其使用变频器前电动机功率总和为 828.4kW，使用后功率总和为 467.61kW。每台电动机按设计一年运行 8000 小时，(实际上大于 8000 小时)则每年可节电 288 万 kW.h，每度电按 0.21 元计，每年可节约 60 万元左右。200 台变频器投资约 300万元
7、，综合效益 1000 万元。3 涤纶前纺生产线仪征化纤联合公司涤纶一厂前纺变频控制系统是 80 年代引进西德AEG 公司技术，由国内组装的 SCR 逆变器，由于系统是分立器件，可靠性低，由于 SCR 不能自关断、要是使其关断，增加强迫关断电路，使设备体积增大。由计量泵和卷绕机构组成一条生产线，计量泵有 24 台、由 1台变频器控制，卷绕由 7 辊、5 辊和喂入轮组成。7 辊有 7 台电机，由 1台变频器控制;5 辊有 5 台电机，由 1 台变频器控制，喂入轮 1 台电机由单台变频器控制。为了保证精度，从计量泵到卷绕机构共计 37 台电机全部采用永磁或永磁反应式同步电机，卷绕 7 辊、5 辊和喂
8、入轮严格按工艺给定的比例运行，保证微张力牵伸。并要求在低速伸头完成后，卷绕各辊按比例和固定的斜率升到高速生产。原系统为 4 备 1(或 2 备 1)系统，即有 4 条常用生产线，1 条线后备，主回路由电磁接触器联锁切换，控制信号的逻辑电路由中间继电器构成并完成切换，而模拟电路(如设定信号、比例信号)的切换，靠更换接插头电缆完成，切换很频繁，与中央控制的逻辑联系靠很多中间继电器来完成。由于控制落后，严重影响了生产，已造成必然。1993 年深圳华能公司和涤纶一厂工同设计了由富士变频器和可编程控制器组成的前纺电气传动控制系统。该系统频率设定电路采用数字设定方法，不仅达到工艺要求的高精度要求，设定分辨
9、率达到0.01Hz，而且从根本上解决了模拟设定电路的温度漂移问题。在调试和生产运行中证明了这一点。系统的所有操作，即变频器的启动、停止，包括现场的低速、高速信号和系统间的连锁信号与仪表系统的信号控制、主台与备台的切换逻辑连锁，全部用 1 台 PLC 来实现，大大简化了外部接线，省去了所有的中间继电器，从而大大提高了系统的可靠性，因为 PLC 的所有输入、输出均有指示，也为系统的维护带来很多便利条件。以主台与备台的切换举例，原系统在主备台切换时，有专用的切换控制柜，在切换柜上完成主回路的切换，有一批中间继电器完成相应的逻辑连锁。变频器的模拟设定等信号要靠接插件改变连接来实现，而现在的系统只要一只
10、转换开关，就可将主回路的切换和控制回路、设定电路的所有信号的切换工作完成，中间逻辑、连锁逻辑完全由 PLC 的软件来实现，从而大大简化了切换操作，提高了切换速度，降低了故障率。4 切断机仪征化纤工业联合公司涤纶四厂纺丝车间切断机为 20 世纪 80 年代引进德国产品，属双闭环直流调速控制，投产以来，逐渐暴露一点问题，不能适应“安、稳、长、满、优”的要求，其问题是:(1) 系统振荡。控制系统属于双闭环直流调速，对速度环，电流环和反馈等参数的调整配合要求相当高。稍有参数调整不当，反馈信号干扰，就会产生切断机刀盘振荡，造成切丝长度不等，机械齿轮磨损等，严重影响纺丝的正常运行。(1) 插卡故障高。由于
11、该系统由两组可控硅实现正、反转，现场操作正、反转频繁，系统经常在两个象限间变化，因而封锁逻辑功能负担很重。在使用过程中，曾出现封锁逻辑损坏现象。(3) 制动抱闸卡死。系统制动部分采用电磁抱闸原理。实际运行中，启停车相当频繁，而制动单元摩擦片极易损坏并卡死，现场条件又使得换卸工作相当不便，这种类型故障往往需相当长时间才能修复，严重影响生产。(4) 电机碳刷磨损快、火花大。直流电机及测速发电机碳刷磨损快，经常造成火花增大，从而使系统稳定性、可靠性降低，并增加了日常工作的维护量。为此，1993 年在深圳华能的配合下，对该设备进行了改造，设计方案的特点如下:4.1 新系统的特点(1) 在新系统中，核心
12、环节变频单元，选择了具有 90 年代水平日本富士公司生产的 FRN5000G7S 系列变频器，该变频器控制器采用了双 16位 CPU，并具有高速转矩限定，转差率补偿控制等特殊功能。对中心环节-信号处理单元，选择了具有 90 年代先进水平的可编程控制器。(2) 新系统中采用了微处理机，增加了全工艺流程显示功能，一旦出现故障，马上能采取相应的处理手段，充分利用富士变频器的优点，对输出电流、输出频率(输出转速)都做了限定(并对其数据进行加权处理)，从而提供了系统的可靠性。(3) 利用国产交流电机与系统配套，采用原系统中的产量显示功能，可靠并降低了成本。(4) 由于富士变频控制器、微处理机都具有计算机
13、通讯接口，便于今后系统扩充，系统联网。实践证明，新设计的系统是十分成功的。4.2 新系统的运行效果新系统于 1993 年 3 月制造完成，4 月调试空运成功。7 月上机运行，经过 5 个月的运行，证明其性能优异，完全满足工艺生产要求。运行稳定、可靠，无任何故障出现，具有很强的实用性，完全达到原系统的指标，经试用证明，新系统的运行效果如下:(1) 该系统控制性能，产品适应范围(调速范围)达到并超过了原德国设计系统，切断速度在原设计 50350m/min 之内系统控制稳定，并根据工艺要求可调。(2) 新系统保护功能强(13 种)，并具有故障记忆、自诊断、显示功能。对分析故障及解决问题提供了强有力的
14、手段。(3) 调试简单。新系统所有参数的设定及修改均由面板的主键盘来完成。与以前的系统相比，大大缩短了时间，简化了调整方法，使其更易掌握。(4) 新系统中采用的变频器具有很多独特的、有实用价值的功能。如高速转矩的计算、转矩的限定、电流限定等功能。这些特性保证了新系统的性能优异。(5) 新系统功率因数高，谐波成分小。因为系统中变频器整流侧采用的二极管桥，因此实测功率因数都很高，均在 0.95 以上，而原设计系统功率因数值仅在 0.450.8 之间。(6) 新系统有比较优越的价格性能比，而且体积小，重量轻，更换方便。(7) 系统可靠性高。由于该系统采用交流电机，无滑环和炭刷、不可能打火和更换，提高
15、了设备可靠性。(8) 提高生产效益。原切断机投产以来，累计故障停产 50 次，每次平均 1.5 天。(9) 电控系统比较如表 2 所示。5 长丝高速纺天津石油化工厂高速纺螺杆挤压机调速系统是 80 年代由日本引进的。经过几年来(特别是近年来)的运行，逐渐暴露出了问题。(1) 不适应符合品种大范围变化的需求，生产过程中时有跳闸现象出现(先天存在)。据开车 6 年来统计，每年均在十次以上(90、91 年多达40 次/年以上)，严重影响了纺机的正常运行。(1) 由于现场环境不良等原因，造成 PG 测速反馈环节故障而导致的螺杆挤压机停车现象也屡有发生(开车以来发生 16 起)。(3) 原装置功率因数低
16、，谐波成分高，对电网污染大。(4) 原装置本身由于元器件等问题，近年来也偶有故障发生，然而备件供应困难、周期长(要 2 年左右)，价格高(一套控制板要 13 万元人民币左右)，因此这一环节也直接影响了生产的稳定。5.1 螺杆挤压机的变频改造由于上述问题的存在，从 90 年代开始，被迫在部分螺杆挤压机上采取了减位生产等措施。仅此一项每年就使该厂损失利税数百万元以上。据此原因，该厂会同深圳华能公司对 POY 螺杆挤压机调速系统进行改造。(1) 在新系统中，核心环节-变频单元，我们选择了 90 年代水平，日本富士公司生产的 FRN5000G7-4 系列变频器。该变频器控制回路采用双十六位 CPU，控
17、制采用磁通控制 SPWM 模式，并具有高速转矩限定、转差频率补偿控制等特殊功能。(2) 新系统中压力调节部分仍采用了原装置中的智能化压力调节器(型号:SLCD-120*B日本 YEW 公司产)。(3) 利用 FRNIC5000G/P7 系统变频器特有的转差补偿控制功能，去掉 PG 测速反馈环节，进一步简化了系统。(4) 该系统控制性能，产品适应范围(调速范围)达到并超过了原日方设计的系统。该系统在生产 250dtex(最大规格品种)poy 丝时，喉部压力可保证在()0.5Mpa 之内。这小于工艺允许压力偏差值，而调速范围可达原系统的数倍以上。(5) 新系统保护功能强(13 种)并具有故障记忆及
18、自诊断功能。一旦变频器出现问题，这对分析故障及解决问题提供了强有力的手段。(6) 调试简单:新系统所有参数的设定及修改均由面板上的键盘来完成。较以前的系统，大大缩短了调整时间，简化了调整方法，使一般人更易掌握。(7) 新系统中采用的变频器具有很多独特的、有实用价值的功能。如:高速转矩计算、转矩限定、转差补偿控制、电流限定等功能。这些特性，保证了新系统的优异性能。(8) 新系统功率因数高，谐波成分小。因为系统中变频器整流侧采用的二极管桥，因此实测功率因数很高，均在 0.97 以上，而日方设计系统 cos 值在 0.4-0.8 之间。表 3 是 3 台螺杆机实测值:(9) 新系统有比较优越的价格性
19、能比，且体积小、重量轻、更换方便。(10) 系统可靠性高。由于系统采用 GTR 元件只有一个功率控制级，因此可靠性能大大提高(原系统有整流、逆变两个功率控制级)。新系统的主要技术指标比较如表 4。)1Mpa ()0.5Mpa5 控制电路型式 数-模混合 双 CPU 全数字化6 控制功能实现 硬件 编码设定(软件)7 电流波形 阶梯波 接近正弦波8 速度环 有 无9 转矩限定功能 无 有10 调整方式 电位器 键盘输入11 保护功能 5 种 13 种(故障记忆)12 通讯功能 无 RS232C 串行接口13 扩展 不方便 5 种标准选择、方便14 电流检测 CT 霍耳元件15 显示 LED 灯显示 数显16 容量 44KVA 60KVA17 价格(万元) 72 6.16 卷绕机天津石化公司长丝厂 1985 年引进全套日本帝人公司 POY 纺丝设备，电气调速系统采用变频器集中控制，其中卷绕机使用 FRNIC-1000 可控硅电压型变频器。6.1 原系统的主要特点:(1) 主件开关速度慢(2) 输出波形不好(3) 变频器设计复杂，故障率较高(4) 用集中控制，一台变频器带几十台卷绕机，若某一台卷绕机出现故障或操作不当都可能使变频器跳闸，易使故障扩大，这种故障每年
