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淺談化纖紡絲中同步電機的變頻控制系統

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淺談化纖紡絲中同步電機的變頻控制系統

發布時間: 2006/10/3 文章出處: 　

在合成纖維工業諸如滌綸、錦綸、丙綸的生產中，基本上都是采用熔體法紡絲，如一臺紡絲機有許多紡絲位(12部位、24部位，甚至更多部位)，同一功能的不同紡位的電動機幾十臺，同一紡位不同功能的電動機幾臺，它們對電氣傳動的要求非常嚴格。
紡絲機對電氣傳動的要求可以概括為："四高"和"一少"。"四高"：即高同步性(一臺紡絲機不同紡位的電機轉速要求橫向轉速一致，縱向比例同步)；高精確性(轉速穩定，精確度高達0.1％～0.01％)；高轉速(在沒有升速齒輪箱條件下，電機轉速高達8000～9000r／min，甚至12000 r／min)；高可靠性(至少保證一年安全連續運行8000h)。一少：即少維修或免維修，毋需看顧。總之，化纖紡絲機是一個多電機、小功率的同步驅動系統(含比例同步驅動系統)。對于濕紡工藝的晴綸、維綸及人造纖維中的粘膠纖維，對電氣傳動要求也類似。
由于同步電動機轉速精度僅決定于供電頻率精度，與負荷變化無關。為此，在化纖設備中通常采用高精度的變頻調速器和永磁同步電動機構成系統，無需采用閉環控制，就可保證電機轉速精度達到0.1％～0.01％。另外對于滌綸高速紡POY和超高速紡工藝來講，轉速8000～12000 r／min，這樣高的電機速度也是非變頻調速莫屬。
為了保證纖維的纖度均勻，采用了高精度的變頻調速器和永磁式同步電動機，無需采用閉環控制，就可以保證電機轉速精度達到0.1％~0.01％水平。在眾多的變頻器品牌中，艾默生EV2000變頻器具有優化空間矢量PWM調制、高轉矩、高精度、寬調速驅動等一系列功能，并且該產品具有超出同類產品的防跳閘性能和適應惡劣電網、溫度、濕度和粉塵能力，極大提高了產品的可靠性，已經在很多機械制造業(包括化纖紡絲機)都得到了廣泛的應用。
本文論述的就是變頻器EV2000在化纖同步電動機上的應用。
2 化纖紡絲的同步電動機應用和變頻控制
2．1 化纖紡絲的同步電動機應用
圖1所示為短纖維紡絲工作原理(其他化纖的應用也類似)，原料經高溫加熱熔解后從螺桿擠出機擠壓到管路中，再通過數個紡絲計量泵進行紡絲后經油輪下牽到同一絲束中，然后通過六輥牽伸機同步牽伸，最后通過喂入輪進入到盛絲筒中，這樣就完成了短纖的前紡過程。
在紡絲中，計量泵和六輥牽伸為了達到速度高度一致的要求，通常都采用變頻器控制的同步電動機。主要是由于同步電動機具有以下主要性能：
(1)調速精度高、調速度誤差在1／30000，提高了應用行業產品的制造工藝水平；
(2)調速范圍寬，可達1：80；
(3)體積小，重量輕，比同功率異步電機縮小1～2個機座號；
(4)控制簡便、可靠性高，電機采用開環控制，使得整個變頻控制系統可靠性提高、價格降低；
(5)節能效果明顯，與普通異步電機相比，提高效率、功率因數高達0．95以上；
(6)該系列電機與變頻控制、計算機聯網組成全自動調速控制系統，性能優于傳統的其它類調速電機；
(7)電機的恒轉矩輸出和轉速不隨負載波動的特性。通過變頻器有效控制，可使其輸出轉速保持恒定。
因此在實際的化纖設備制造中，對計量泵和六輥牽伸的驅動，都采用幾個同步電動機(比例同步)的變頻傳動，非常容易實現共用變頻電源的多電機傳動方案(它是最簡單最理想的方案)。

2．2 同步電動機的基本控制原理
交流同步電動機，它的特點是電動機的轉速與電源頻率完全成正比。
Ns=60?／p (r／min)
式中 ?-電源頻率；
p-極對數；
Ns-同步轉速。
而交流異步電動機，它與同步電動機的區別在于：轉速與電源頻率不成正比，其轉速始終比同步電動機還要低，其轉差率S為：
N=(1-s)Ns (r／min)
S=(Ns-N)／Ns·100％
但是變頻器對同步電機的控制要比普通電機復雜的多，因此國外不少變頻器供應商已和同步電機供應商合作，根據電機的壓頻比曲線，生產操作簡易的專用變頻器。而本文在第3章將介紹如何利用通用的EV2000來實現同步電動機的控制。
在化纖紡絲工業中應用最為廣泛的是稀土永磁同步電動機，稀土永磁同步電動機由于應用了高磁能積的永磁材料，其電動機的運行過程將比異步電動機具有不定的特性，該電動機一般也制成與異步電動機相似的電動機，即電動機的定子與異步電動機一樣，轉子為高磁能的永磁材料。電機在起動過程中，起動電流將比異步電動機起動更大。原因是在起動過程中永磁體將發出電機的能量，電機起動時，不但消耗異步電機起動時的能量(產生空載起動電流)，還將克服發電機的能量，因此它的起動電流是很大的。永磁磁能級越高，轉子用的永磁材料體積越大，電流也更大。因此對稀土永磁同步電動機在起動過程中必須要有足夠大的電流(一般比同容量異步電動機大2～3倍)，但一旦達到穩定工作狀態(異步電動機在穩定工作狀態下，轉子將從定子中取得一定的電能來維持正常工作一鼠籠有短路電流)，其永磁轉子不從定子取得電能，而是依靠永磁磁場，緊跟定自旋轉磁場旋轉。
永磁同步電動機與變頻器的配合中，關鍵是個壓頻比的問題。通用變頻器根據不同的電機特性可以設置不同的壓頻比。在實踐中發現，當電機不在自己的運行曲線下，電機將發生下列現象(1)不能啟動；(2)電流增大；(3)噪音；(4)振動；(5)溫升過高。
2．3 化纖紡絲機變頻調速控制方案的選擇
通常情況下，如采用變頻調速閉環系統雖可達0.5％～0.01％指標，但是幾十個閉環系統調整到相同的轉速精度十分艱難麻煩。另外，每個閉環系統都有速度傳感器，故障率會高些，變頻工作的可靠性這個指標往往不能滿足實際化纖工業的需求，故此方案不宜被采用。
由于同步電動機轉速精度決定于供電頻率精度，與負荷變化無關。為此，通常采用高精度的變頻調速器和永磁同步電動機構成系統，無需采用閉環控制，就可保證電機轉速精度達到0．1％～0．01％，以最終保證纖維的纖度均勻，系統的簡單可靠高效。
在變頻調速系統主電路方案中，同步電動機的控制基本都采用大變頻調速器驅動，即由一臺大功率變頻器來驅動多臺永磁同步電動機，多臺同步電動機并聯接在公共的變頻器上，由統一的轉速給定信號同時調節各電機的轉速，帶定子壓降補償的函數發生器保證了變頻裝置的恒壓頻比控制。
3 通用變頻器EV2000在同步電動機中的調試
3．1 變頻器的功率選擇
一般來說，我們使用多大功率的電機，就得配上多大功率的變頻電源，這是無可置疑的。但是同步電動機(如稀土永磁同步電機)的起動特性是很復雜的，至今尚無比較權威的計算理論資料。從特性分析：首先由于電機的轉子表面具鼠籠裝置，要依靠轉子的鼠籠對電機進行通電后的自啟動。因此，在啟動過程中具有典型的異步電動機的特性。第二，由于轉子內放置有相對的永磁體，如果我們將轉子旋轉起來，電機的定子發出電來，即成為發電機。而永磁同步電動機在啟動過程中存在發電機的效應，因此，為了讓永磁同步電機啟動運轉起來，必須要克服發電效應的阻力矩，電動機才能啟動，也就是說要消耗更多的空載功率才能達到。因此說永磁同步電動機比異步電動機啟動要困難得多，消耗的電功率大的永磁體越多，消耗的電功率也越大，所以永磁同步電動機在啟動過程中必須要有比較大的電流才行。據測算，同步電機的啟動電流一般是異步電機的1～4倍左右。
EV2000變頻器獨有免跳閘功能設計，通過對負載電流的實時控制，自動限定其不超過一定的限流水平，因此對于同步電動機的啟動非常有意義。同時，該系列變頻器具有200％的過載能力和0．5Hzl80％的啟動轉矩可以得到更好的工作特性。
在功率的選擇中，如果一拖一，則變頻器的功率依據同步電動機的電流而定；如果一拖多，則變頻器的功率依據多個同步電動機的電流之和乘以1．1系數即可。
3．2 變頻器y／F曲線
電機的壓頻比即V／F曲線必須根據電機的參數輸入，通常在電機的銘牌中都有，如工作電壓113V-283V-340V和工作頻率20 Hz-50Hz-60Hz的參數，這就是電機的基本V／F曲線。
EV2000可以通過參數F0.15-F0.20靈活地白定義各種V／F曲線，以滿足不同的負載要求。如圖2(A)所示，在通常的基礎上，EV2000采用增加(V1，F1)、(V2，F2)、(V3，F3)三點折線方式定義V／F曲線，Fe為額定頻率，Vb為補償低頻轉矩特性的轉矩提升。

3．3變頻器啟動
同步電動機啟動費事是眾所周知的，但是應用了變頻器之后，既然頻率可以由低調到高，轉速也就可以提高。當然另外一點，同步電動機在和變頻器的配合中，必須考慮到失步問題。由于變頻器控制的是定子的電壓，在剛啟動過程中，轉子的速度必然會落后，一旦轉子落后的角度太大，便會造成失步。
在圖2(B)中，EV2000可以利用啟動頻率(功能碼P2．01)和啟動頻率保持時間(功能碼殿．02)的功能設置就能解決變頻器的啟動問題。其中啟動頻率是指變頻器啟動時的初始頻率，如圖中的Fs；啟動頻率保持時間是指變頻器在啟動過程中，在啟動頻率下保持運行的時間，如t1。
另外為了讓同步電機啟動運轉起來，必須要克服啟動初期發電效應的阻力矩，電動機才能啟動，也就是說要消耗更多的空載功率才能達到，因此要求變頻器必須在啟動頻率保持一定的時間，且能提供更高的過轉矩能力。
EV2000對于同步電動機的啟動不僅可以提供0.5Hz時180％的額定轉矩，還能提供200％轉矩過載0.5 s的盲掛力。
4結束語
艾默生EV2000系列變頻器在同步電動機拖動控制方面已經得到成功的市場應用，其優良的運行性能和完善的保護措施進一步提高了化纖紡絲設備的性能。

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