摘 要: 本文概述了變頻器在印染設備多電機同步調速中的應用，從通用變頻器到伺服變頻器，包括有松緊架和無松緊架以及卷繞驅動。 關 鍵 詞: 多電機同步調速 松緊架 變頻器 1 引言 我國是世界上最大的紡織品服裝生產國。2000年我國的紡織纖維加工總量達到了1210萬噸，紡紗、織造和服裝的產量均位居世界第一位。2003年，紡織品服裝出口創匯超過800億美元，約占我國總出口創匯的20%。2003年我國的紡織機械進口和國內生產雙雙超過40億美元。但是，受我國印染技術水平的制約，目前所生產的面料尚不能滿足出口服裝的要求，致使每年面料進口都在50億美元左右。因此提高印染行業的技術水平，仍有巨大的發展空間。 傳統的紡織印染工業是勞動密集型產業，裝備的自動化程度不高。所用傳動大多數為不調速，需要調速的場合多數使用直流電機，如整經機、漿紗機和眾多的印染設備。交流調速用的不多，主要有力矩電機交流調壓調速、滑差電機調速、晶閘管串級調速、晶閘管交-直-交變頻調速等。印染設備借助力矩電機的軟機械特性，保證整個機臺線速度一致下有一個適中的布張力; 紡織廠的前紡則利用力矩電機調壓調速實現棉卷的自調勻整; 晶閘管控制的電磁調速電動機（又稱滑差電機和電磁轉差離合器）用于梳棉機調速;晶閘管串級調速主要用在紡織廠的通風機上，達到節能的目的;晶閘管交-直-交變頻調速，用在化纖工業的長絲紡絲機上。 2 變頻器在紡織工業的應用概況 紡織工業是交流電機變頻調速技術較早推廣應用的一個領域。早在70年代化纖長絲紡絲機已經廣泛采用晶閘管靜止變頻裝置驅動眾多的同步電機，以解決高速和多電機同步問題。進入80年代以后，由于交流調速技術的成熟和新型高性能變頻器的問世，紡織工業采用交流電機變頻調速技術全面展開。這是因為紡織、印染、化纖設備多為單方向、不可逆運行的恒轉矩負載，單臺功率在幾十kW以下，特別適合當時技術水平下的通用型交流變頻調速裝置的推廣應用。我國的紡織工業裝備經過十多年的引進技術、消化吸收、合資辦廠和自主開發，取得了長足進展，設備的機電一體化水平、自動化水平有了較大提高。不僅設備制造企業，而且更多的紡織企業認識到機電一體化紡織機械的優越性。八五期間主要在印染設備上推廣應用變頻調速技術和PLC技術，九五期間推廣應用到整個紡織工業。現在可以說變頻調速技術已經在紡織工業得到了普及。 各類紡織機械其主傳動幾乎毫無例外的應用了交流電機變頻調速技術，包括單機變頻調速系統和多單元機同步變頻調速系統。從變頻器的種類講，包括從通用型變頻器到高性能交流伺服控制器等應有盡有。 （1） 通用V/F控制變頻器異步電機調速。90年代初開始在我國的印染工業推廣應用，典型的例子是印染前處理設備如退煮漂聯合機、布夾絲光機、直輥絲光機、皂洗機等;后整理設備如熱風拉幅機、熱定型機等; 平網印花機的刮印單元等，由直流傳動改造為交流傳動，用交流變頻技術實現多電機同步調速。其特點是使用大功率雙極性晶體管逆變技術、速度開環、控制簡單、可靠性高、使用簡便;靜態調速精度要求較低, 一般為2%～5%; 調速范圍不大, 一般為（10～20）:1; 功率不高，在幾十kW以下; 啟動轉矩不大，取代直流電機時一般功率要放大一級。 （2） 風機、泵類專用變頻器異步電機變頻調速。與通用V/F控制變頻器同步在我國的紡織工業中推廣應用，典型的應用例子是紡織廠的空調通風與印染廠的熱風機。其特點為價格低、節能顯著、調速范圍小。 （3） 無速度傳感器異步電機矢量控制變頻調速。90年代后期開始取代普通的V/F控制變頻器，成為變頻器的主流在紡織工業中推廣應用。其特點是使用IGBT作為逆變主開關元件、控制簡單、可靠性高、使用較簡便;可達到的調速精度較高，靜態調速精度可達（0.5～1）%;調速范圍可達（20～50）:1;動態性能較好，啟動轉矩較大;如果使用變頻專用電機，取代直流電機時，功率不必放大一級。 （4） 帶速度反饋的異步電機矢量控制變頻調速。其特點是控制電路較復雜、價格也較高，然而其調速性能好，主要特點有: 可以從零轉速起進行速度控制, 調速范圍可達100:1以上; 可對轉矩進行精確控制; 動態響應速度快 主要用于對調速性能要求高的各種紡織機械，如POY和FDY直接紡絲設備，粘膠短纖紡絲生產設備以及高檔定型機、予縮機、磨毛機、圓網印花機、平網印花機、大卷裝卷軋染機等。 （5） 交流伺服控制用變頻器。帶有光電編碼器（Encode）或者旋轉變壓器（Resolvor），驅動異步電機或者交流永磁同步電機用作高精度的速度或者位置控制。其特點是動態性能好，但價格高。借助交流伺服，在平網印花機和圓網印花機的傳動中提高對花精度;在漿紗機的分部傳動中提高張力的均勻性。 3 印染設備交流變頻多電機同步調速 在印染設備中, 為了對織物進行連續加工, 通常把眾多的加工單元組合成聯合機，各加工單元分別由一臺電動機驅動。工藝要求加工中保持各單元之間張力恒定或者線速度成適當關系。這就要求各單元電動機之間有一種調節機制，使得各單元之間速度發生不協調時, 能及時調節自身的速度，自動保持與相鄰單元一致，這種調速方式稱為多電機同步調速。印染設備采用多電機同步調速方式者非常之多。 印染設備多為恒轉矩負載，生產工藝要求調速，但對速度的精度要求不高。傳統的印染設備采用直流電機驅動，單元之間采用擺式或者輥式松緊架檢測張力，通過差動變壓器、旋轉變壓器、自整角機、電位器或者可變電阻將松緊架的位置信號轉變為調節用的電信號，借助電子裝置調節電機速度。圖1示出一個三單元（電機）同步調速簡圖，采用的是三輥式松緊架。 由于直流電機多故障、短壽命、價格高、低速同步性能差，從90年代初開始了用交流變頻傳動取代直流傳動的技術改造。鑒于對動態性能、穩態速度精度要求不高，使用通用V/F控制變頻器就能勝任，改造的技術難度不高。變頻器需要有兩個輸入端:一個主頻率給定用于調速;一個輔助頻率給定用于調同步。主頻率給定來自于系統速度給定;輔助頻率給定來自本單元松緊架信號（主令例外），兩個頻率給定在變頻器內部相加。早期的變頻器只有一個頻率給定，改造時需要制作一塊同步板，以完成同步必須的加法功能。經過十幾年的發展，印染設備交流變頻多電機同步調速技術有了長足進步，主要表現在: （1） 最新的變頻器裝備有RS-485接口或者現場總線接口，因而主頻率給定可以通過串行通訊，用廣播的方式傳送到所有的變頻器，減少了現場的接線。另外數字頻率給定取代模擬量頻率給定, 避免了模擬量易受干擾的缺點。 （2） 無速度傳感器矢量控制變頻器成了通用變頻器的主流。其特點是:動態性能好、低速轉矩大，轉矩可以控制與觀測。從而有了兩種工作模式:速度工作模式和轉矩工作模式，速度模式的給定是速度，轉矩模式的給定是轉矩。在卷繞驅動中使用轉矩模式有很大的優越性，只需修改轉矩給定，可以不檢測半徑保持恒張力或者變張力卷繞。 （3） 現場總線的使用使得對變頻器的監控變得更方便、更全面。通過現場總線可以把變頻器運行的狀況，如電流、電壓、速度、轉矩、報警、故障等信息全面匯報給中央控制器（PLC/IPC），并顯示在人機界面上。現場總線的使用使變頻器成了控制系統計算機網絡中的一個節點，這是變頻器信息化的基礎。 （4） 借助于矢量控制變頻器的速度工作模式與轉矩工作模式，有可能不用松緊架、不用張力傳感器、也不用速度傳感器，實現兩臺異步電機的三無同步調速。在電機臺數比較多時, 它的直接好處是減少系統的松緊架的數量。 （5） 松緊架位置傳感器的進步。利用重力、高頻電磁感應、磁敏電阻等原理研制成功無接觸松緊架位置傳感器，提高了松緊架位置檢測的可靠性。結合控制方法的改進（對松緊架進行位置控制），作到了松緊架的姿態控制，使穩態時松緊架總是處于中間位置。 （6） 變頻器的參數由最初的幾十個發展到今天的上千個，變頻器的功能越來越完善，幾乎無所不能。原來變頻器使用中需要增加的硬件都已經包括在變頻器內部了，開發者的工作只是簡單的對變頻器進行設定。 （7） 有速度傳感器或者位置傳感器的矢量控制技術（交流伺服控制）在多電機同步調速中得到使用，如圓網印花機、平網印花機、漿紗機、濕法氈生產線等，其目的或者是為了改善對花精度，或者是為了改善張力的動態均勻性，或者是為了恒張力或變張力卷繞等。 4 印染設備無松緊架無張力傳感器無速度傳感器多電機同步調速 近十幾年來，國內外采用交流變頻異步電機驅動取代直流電機驅動，技術水平有了很大提高。但是，同步檢測調節環節仍然沿用了原有的松緊架結構（或者張力傳感器或者速度傳感器）。這個環節成了新設備的薄弱部分，故障多、維護工作量大，影響了新設備潛能的發揮。有人作過改進，但改進工作主要集中在如何把松緊架的位置信號轉變為控制用的電信號上，沒有涉及到松緊架本身。 4.1 松緊架的利與弊 印染設備上的傳動輥特別多，其中少數輥子通過電機拖動，稱其為主動輥;大多數輥子通過繞在其上的織物拉動，稱其為被動輥。如果一個主動輥拖動的被動輥多，則織物張力的均勻性差。主動輥處的張力最大，最后一個被動輥處的張力最小。反之，如果一個主動輥拖動的被動輥少，則織物張力的均勻性好，主動輥與最后一個被動輥之間的張力差小。一般說來，主動輥與主動輥之間需要松緊架、張力傳感器、速度傳感器加以同步。工藝要求提高張力的均勻性，這就要求主動輥多、拖動電機多，從而松緊架多。這樣作的弊端是增加了設備的復雜性和故障率，給操作和維護工作帶來困難。 現在的趨勢是對織物加工過程中的張力均勻性提出了越來越高的要求。為了滿足這個要求，新設備設計中增加了主動輥的數量，從而也增加了拖動電機的數量。但需要想辦法不增加甚至減少松緊架的數量。 4.2 減少和取消松緊架的方法 變頻器在印染設備上的使用已經是一項成熟的技術。變頻器的功能越來越完善，能做的事情越來越多。一些原來很難完成的工作，借助于變頻器可以很容易實現。比如無速度傳感器矢量控制變頻器可以工作在速度模式也可以工作在轉矩模式，可以檢測和輸出電機的速度、線速度、轉矩、電壓和電流等運行參數。借助于這些功能，有可能構建出一些減少和取消松緊架的同步調速方法。 （1） 大小電機法 一個單元用二臺電機拖動，一臺電機的功率大，另一臺電機的功率小。小電機可以提供一定的輔助驅動轉矩，以改善張力的均勻性，但不足以單獨將設備驅動;大電機的功率足以將該單元驅動，決定了該單元的速度。小電機的變頻器工作在轉矩模式，大電機的變頻器工作在速度模式。二臺電機間不設松緊架。 舉例:印染前處理的水洗單元，傳統的做法使用一臺電機驅動，現在改為二臺電機驅動，以改善張力的均勻性。第一臺電機功率7.5kW，工作在矢量控制速度模式;第二臺電機0.75kW，工作在矢量控制轉矩模式。二臺電機間不需要松緊架，同步不成問題。 （2） 直接速度同步系統 一般各單元都設計成轉速負反饋，使各單元機的線速度盡量不受負載波動等因素的影響。這樣，只要在聯合機運行前，事先將各單元機的線速度調整相等（考慮到織物的伸長，實際應為一定的比例關系），即可實現同步運行。 舉例:直輥絲光機的直輥部分使用帶速度反饋的交流變頻異步電機直接速度同步系統, 四臺電機的線速度依次遞增一個小的百分數（可調）, 實現一定的張力, 不需松緊架同步運行。 （3） 軟機械特性法 如果幾個單元的功能和結構相似，每個單元有一臺電機和一臺變頻器驅動，可以考慮利用矢量控制變頻器的轉矩輸出構造異步電機的軟機械特性，從而電機間不需要松緊架而能保持良好的同步（詳見圖2）。有跑快傾向的因負載加重而快不起來，有跑慢傾向的因負載變輕而慢不下來，最終維持速度一致。因為軟機械特性不是用串電阻的方法獲得，而是用轉矩負反饋構造，使得效率比較高。 舉例:直輥絲光機的直輥部分有四臺電機驅動，它們的功能和結構相同。可以采用軟機械特性法實現電機間的同步，無需設松緊架。四部分的線速度可以設定的不一樣，以實現加工所要求的織物張力的調節。 5 交流電機伺服控制在卷繞中的應用 在紡織印染設備中卷繞是較為常用的傳動系統, 主要傳動方式分為液壓傳動、直流傳動、交流變頻傳動和交流伺服系統等。其中交流伺服系統的卷繞性能最好, 但價位也最高。 恒張力卷繞有兩種方式:壓布輥磨檫傳動和卷布輥中心傳動。第一種方式由于傳動不受卷布輥直徑影響, 情況較為簡單, 與一般的傳動沒有多大的差別。第二種方式因受卷布輥直徑的影響, 傳動角速度是變量, 并隨直徑的增大轉速變慢。 如果采用普通的交流變頻傳動，需要檢測卷布輥的直徑D，然后根據式（1）計算卷布輥轉速n，再根據計算的轉速控制變頻器的頻率，與普通的變頻調速沒有什么兩樣。 n=V/（πD） （1） 式（1）中: V為線速度; D為需要檢測卷布輥的直徑; n為卷布輥轉速。 高性能的有速度傳感器矢量控制變頻器的性能已經可以算做是交流伺服控制，它有速度運行模式和轉矩運行模式兩種工作方式。當工作在轉矩運行模式時，能根據轉矩給定運行，而轉速浮動。多數情況下，要求加工過程中保持張力恒定。但是，有的應用要求卷繞過程中內緊外松，既要求實現變張力控制，隨著卷徑的增大，張力逐漸變小。恒張力常常和恒線速度相關，恒線速度則要求電機的轉速與卷徑成反比。對張力的控制可以采用開環的方法，也可以采用閉環的方法。有些電動機（如力矩電機等）本身具有軟機械特性，用它們來驅動卷繞機構，可以獲得近似恒張力運行;卷徑的變化可以看著是一種擾動，用擾動補償調節，可以實現間接法張力控制，也是一種近似的恒張力控制。最直接最有效的方法是利用張力傳感器實現張力的閉環調節，也稱直接法張力控制。印染聯合機中常用的松緊架也可以看作是一種張力檢測環節。只是這種裝置體積大、精度差，沒有張力顯示，使用不便。 卷徑在卷繞系統中是一個必不可少的參數，一般需要用某種檢測裝置來獲取。卷繞張力是卷徑的函數，需要通過計算來獲得。 5.1 速度控制與轉矩控制 速度控制與轉矩控制是伺服控制器的兩種控制模式。速度控制模式已為大家所熟知，給定的是速度，反饋的也是速度，對速度形成閉環控制，保證速度為設定值，轉矩則隨負載而定。轉矩控制模式，給定的是轉矩，伺服控制變頻器計算出實際的轉矩，如果實際轉矩低于設定轉矩，則升速，反之，則減速，速度是浮動的。轉矩控制模式非常適合于卷繞驅動。在卷繞驅動中，給定的是張力, 線速度恒定, 轉速隨卷徑的增大而降低，轉矩模式正好能滿足這個要求。張力與半徑的乘積就是轉矩，作為轉矩模式的給定，其轉速正好浮動到所要求的線速度，無須線速度控制。如果不用專門的檢測裝置，變頻器能夠自己計算出卷徑，問題可以進一步簡化。顯然，將伺服控制變頻器的轉矩控制模式用于卷繞驅動可以大大簡化控制系統。 5.2 具有內部卷徑計算的伺服控制變頻器卷繞驅動 如上所述，如果伺服控制變頻器具有卷徑計算功能，那么由外部張力給定就能算出轉矩給定，使用轉矩控制模式將變得很方便。 圖3示出了一個二變頻器卷繞系統。伺服控制變頻器1將系統的運行線速度傳給伺服控制變頻器2，伺服控制變頻器2接受外部輸入的張力給定和張力傳感器輸入的張力反饋信息構成張力閉環控制，伺服控制變頻器2具有內部卷徑計算功能并工作在轉矩控制模式。伺服控制變頻器2驅動異步電機以所要求的張力卷繞并自動將其速度浮動到運行線速度。 下面以LENZE-9300系列伺服控制變頻器為例，說明卷徑的計算方法。LENZE-9300系列伺服控制變頻器內部有五十多種功能塊，能完成諸如加減乘除和一系列的變換功能, 也能完成PID閉環調節。根據式（2）可計算出卷徑。 D=k×v/ω=k×∫vdt/∫ωdt （2） 式（2）中: v為外部輸入的線速度值; ω為變頻器知道的角速度值; k為由實驗確定的常數。 功能塊的使用可以通過對一系列的代碼進行設定完成。圖4示出了一個由功能塊組成的卷徑計算框圖。 5.3 應用實例 圖5示出了一個濕法氈生產線的卷繞系統框圖。這里總共使用了三臺LENZE-9300系列伺服控制變頻器，驅動三臺帶有旋轉變壓器的變頻專用異步電動機。其中，拖輥伺服控制變頻器工作在速度模式，它的主速度給定（1/2端）來自PLC的模擬量輸出，輔助速度給定（3/4端）來自于松緊架信號，以此和前部保持同步;卷軸1和卷軸2伺服控制變頻器工作在轉矩模式，具有內部卷徑計算功能，能對通過CAN總線由PLC發送來的張力給定信息和由張力傳感器送來的實際張力信息進行閉環控制。無須對卷軸1和卷軸2實行專門的速度控制，它們能夠自動的將其線速度浮動到需要的數值。卷軸1和卷軸2交替工作，實現連續的卷繞，由LENZE-8215變頻器（圖中沒有畫出）驅動的換軸電機完成換軸功能。CAN總線還將伺服控制變頻器計算出的卷徑信息發送到PLC，由PLC據此完成張力給定的計算。卷繞部分對卷軸的要求是內緊外松，這就要求初始張力大，隨著卷徑的變大，張力按照某種規律逐漸變小。 6 結束語 現在的紡織印染設備使用了大量的高新技術, 變頻器、工控機、現場總線、各種傳感器、計算機網絡等在紡織印染設備上已經普遍使用, 紡織機械在向數字化方向發展。雖然行業是勞動力密集型的, 但設備是技術密集型的。這種變化還在繼續中, 總有一天, 會甩掉勞動力密集型的行業帽子。 參考文獻 [1] 陳振翼. 張力控制系統[M]. 北京:紡織工業出版社,1988. 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