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共用直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)在滌綸短絲線上的應(yīng)用
1 引言滌綸短絲裝置是上海石化股份公司滌綸部西區(qū)的一個(gè)主要裝置，共有六條生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)單線產(chǎn)量為1.5萬(wàn)噸/年。前紡電氣傳動(dòng)采用德國(guó)aeg公司semiverter變頻器及永磁同步電動(dòng)機(jī)，后紡采用直流電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)軸傳動(dòng)。該紡絲裝置是我國(guó)80年代初自己設(shè)計(jì)、自行制造的大型生產(chǎn)裝置，雖然建成初期創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但是由于受到歷史條件的局限，出現(xiàn)了一些先天性不足，產(chǎn)品的種類和單耗達(dá)不到部頒標(biāo)準(zhǔn)，不能適應(yīng)市場(chǎng)的需要，為此在原一號(hào)線位置上改造、引進(jìn)了一條3萬(wàn)噸/年滌綸短絲生產(chǎn)線(簡(jiǎn)稱新生產(chǎn)線)，電氣傳動(dòng)采用德國(guó)西門子6se70系列變頻器和永磁同步電動(dòng)機(jī)(前紡)、異步電動(dòng)機(jī)(后紡)。本文就共用直流母線多逆變器調(diào)速系統(tǒng)在紡絲線上的應(yīng)用作一些探討。2 合成纖維紡絲機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況
合成纖維紡絲機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展大致可分為3個(gè)階段:
(1) 大變頻器調(diào)速 由一臺(tái)大功率變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)可逐臺(tái)起動(dòng)或分組啟動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、控制方便，可保證多電機(jī)同步運(yùn)行。缺點(diǎn)是變頻器容量必須選用很大;單臺(tái)電動(dòng)機(jī)短路故障有可能引起變頻跳閘，造成整臺(tái)紡絲機(jī)停車。
(2) 多臺(tái)小變頻器驅(qū)動(dòng) 每臺(tái)電動(dòng)機(jī)均有一臺(tái)小變頻器驅(qū)動(dòng)。對(duì)比大變頻器驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)有:a)、一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，變頻器容量基本與電動(dòng)機(jī)相同;b)、當(dāng)某臺(tái)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)應(yīng)變頻器停止工作，不會(huì)影響整臺(tái)紡絲機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。缺點(diǎn)是:a)、總設(shè)定、總啟動(dòng)需另加調(diào)節(jié)環(huán)節(jié);b)、幾臺(tái)變頻器輸出頻率會(huì)有離散性，為達(dá)到轉(zhuǎn)速同步，需加串行通信接口。
(3) 共用直流電源多臺(tái)小逆變器驅(qū)動(dòng) 采用共用直流電源多臺(tái)小逆變器驅(qū)動(dòng)。除了保持小變頻器拖動(dòng)的特點(diǎn)外，更重要的是可以實(shí)現(xiàn)再生發(fā)電制動(dòng)，也可防止電網(wǎng)瞬時(shí)低電壓(含瞬時(shí)失電)帶來(lái)的停役故障。3 滌綸短纖維紡絲裝置對(duì)電氣控制系統(tǒng)的基本要求及對(duì)原有拖動(dòng)系統(tǒng)的分析
(1) 滌綸短纖維紡絲裝置對(duì)電氣控制系統(tǒng)的基本要求
紡絲機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)的要求為“四高”和“一少”。
●四高:即高同步性(一臺(tái)紡絲機(jī)不同紡位的電機(jī)轉(zhuǎn)速要求橫向轉(zhuǎn)速一致，縱向比例同步);高精確性(轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，精確度高達(dá)0.1%～0.01%);高轉(zhuǎn)速或甚高轉(zhuǎn)速(在沒(méi)有升速齒輪箱條件下，電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)8000～9000r/min);高可靠性(至少保證一年安全連續(xù)運(yùn)行8000小時(shí))。
●一少:即少維修或免維修，無(wú)須照看。在采用了高精度的變頻調(diào)速器和永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)后，高同步、高精度、高轉(zhuǎn)速和少維修可以實(shí)現(xiàn)，但高可靠性還做不到，影響了紡絲裝置安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)生產(chǎn)。以3萬(wàn)噸/年短絲生產(chǎn)線為例，其日產(chǎn)量為100噸短纖維，若外來(lái)電網(wǎng)瞬時(shí)低電壓(或瞬時(shí)失電)，引起計(jì)量泵變頻器停役電機(jī)停轉(zhuǎn)，會(huì)造成聚酯熔體壓力增大，迫使聚酯裝置熔體增壓泵停止，從而影響聚酯裝置正常生產(chǎn)。
(2) 原有電力拖動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)
原1.5萬(wàn)噸/年短絲直接紡裝置的變頻器屬于第一代變頻器，即一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)，此類變頻器在技術(shù)上采用公用換流環(huán)節(jié)，具有輔助充電裝置的換流電路。優(yōu)點(diǎn)是:a)、即使直流電壓很低時(shí)也能可靠換流。b)、在短時(shí)間內(nèi)數(shù)倍額定電流(最大為3倍)時(shí)，也能可靠換流。c)、變頻器由空載狀態(tài)到負(fù)載狀態(tài)時(shí)，能夠迅速抑制起動(dòng)電流的極限值。但變頻裝置在運(yùn)行中尚存在以下不足之處:a)、短絲裝置由于多臺(tái)電動(dòng)機(jī)共用一臺(tái)變頻器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，所以選用時(shí)既要考慮到最高頻率時(shí)直接起動(dòng)，又要考慮到若干臺(tái)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，某一紡位故障排除后又繼續(xù)投入運(yùn)行，因此變頻器容量不得不選用偏大。b)、紡絲機(jī)故障停臺(tái)率偏高。但因變頻器不能承受電網(wǎng)瞬時(shí)低電壓(含瞬時(shí)失電)，而由于雷電、電纜接地故障及開關(guān)倒閘操作，定會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)低壓現(xiàn)象，造成變頻器停役，致使整臺(tái)紡絲機(jī)停產(chǎn)，釀成巨大損失。c)、無(wú)法實(shí)現(xiàn)再生發(fā)電制動(dòng)。后紡采用直流拖動(dòng)，電動(dòng)機(jī)維護(hù)和保養(yǎng)很麻煩，牽伸比調(diào)節(jié)也很困難。4 前紡裝置變頻調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)分析(由ups供電、小逆變器永磁同步電動(dòng)機(jī)開環(huán)同步拖動(dòng)系統(tǒng))
圖1 新生產(chǎn)線的前紡部分變頻調(diào)速系統(tǒng)新生產(chǎn)線的前紡部分變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖1。前紡裝置變頻調(diào)速系統(tǒng)主要是由ups供電、小逆變器永磁同步電動(dòng)機(jī)開環(huán)同步拖動(dòng)系統(tǒng)組成，前紡裝置的主要改進(jìn)是電源系統(tǒng)采用ups(西門子system4233，330kva)供電。
正常情況下由市電進(jìn)行供電，若電網(wǎng)瞬時(shí)失電或低電壓，由電子開關(guān)控制自動(dòng)切換到蓄電池供電，確保逆變器不受影響。為保證紡絲的精度，前紡沒(méi)有采用1臺(tái)逆變器帶1臺(tái)電動(dòng)機(jī)的控制方式，而是由2臺(tái)大逆變器分別向32臺(tái)計(jì)量泵電機(jī)(永磁同步電動(dòng)機(jī))提供可變頻交流電源。裝置控制采用集散式數(shù)字工藝控制系統(tǒng)(dcs)和微處理機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在兩臺(tái)逆變器之間用plc加串行通信接口組成開環(huán)控制，確保兩變頻器的輸出頻率相同，即保證了32臺(tái)計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的絕對(duì)同步。與原生產(chǎn)線相比，雖然一次性投入較大，但可確保在瞬時(shí)低電壓(含瞬時(shí)失電)時(shí)，計(jì)量泵可正常工作，提高經(jīng)濟(jì)效益。在前紡調(diào)速系統(tǒng)中，32臺(tái)計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)、7輥導(dǎo)絲輥電動(dòng)機(jī)及喂入輪電動(dòng)機(jī)的所有逆變器均接在共用直流母線上。5 后處理裝置變頻調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)分析
后紡裝置的變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖2。后處理裝置中牽伸、緊張熱定型、疊絲、卷曲的拖動(dòng)采用共用直流多逆變器變頻調(diào)速系統(tǒng)，其逆變器接同一直流母線。電動(dòng)機(jī)則采用大功率的異步電動(dòng)機(jī)。共用直流母線由＃1、＃2整流裝置供電。兩套整流器的疊加既可擴(kuò)大容量，又可減少紋波和諧波，穩(wěn)定直流電壓。與原生產(chǎn)線相比有如下優(yōu)點(diǎn):
圖2 后紡裝置的變頻調(diào)速系統(tǒng)(1) 采用共用直流母線可以自適應(yīng)調(diào)整不同牽伸比條件下被拖電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力矩。比如對(duì)某一設(shè)定好的牽伸比，頭道、二道、三道牽伸機(jī)的轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、n3，由于絲的張力作用，在沒(méi)有制動(dòng)功能時(shí)，頭道牽伸輥會(huì)被后面牽伸輥拖著跑，而現(xiàn)在采用共用直流母線的變頻調(diào)速后，一旦n1的數(shù)值超過(guò)設(shè)定值，電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入了再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。一方面被拖電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，發(fā)出的電能經(jīng)續(xù)流二極管整流變成直流回饋到直流母線，電動(dòng)機(jī)不僅無(wú)須從電網(wǎng)吸收能量，還可將制動(dòng)能量供給其他逆變器，既可穩(wěn)定直流母線電壓，又由于電動(dòng)機(jī)容量較大(如第二牽伸機(jī)電動(dòng)機(jī)為400kw)，電能節(jié)約也相當(dāng)可觀。另一方面，被拖電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，只要設(shè)置相應(yīng)的頻率比，就能控制轉(zhuǎn)速比，確保了牽伸比控制精度。
(2) 滌綸短絲后處理牽伸緊張熱定型聯(lián)合機(jī)組是滌綸短纖維生產(chǎn)中的一道關(guān)鍵工序，主要承擔(dān)著將原絲按一定牽伸倍率進(jìn)行拉伸和定型。滌綸部原短絲裝置的后紡?fù)蟿?dòng)由一臺(tái)功率較大的直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)一根機(jī)械長(zhǎng)邊軸，再帶動(dòng)各道牽伸輥、緊張熱定型輥等。直流電動(dòng)機(jī)雖然在調(diào)速的范圍、調(diào)速的精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面性能較好，但直流拖動(dòng)最致命的問(wèn)題就是直流電動(dòng)機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)很麻煩，并且對(duì)環(huán)境要求也較高。另外采用長(zhǎng)邊軸傳動(dòng)，若要改變生產(chǎn)品種，則牽伸比的調(diào)節(jié)較困難，并且精度也達(dá)不到要求，這樣勢(shì)必會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量、品種翻改以及高附加值產(chǎn)品的開發(fā)。新生產(chǎn)線采用交流變頻調(diào)速，各道牽伸輥具有獨(dú)立的變頻傳動(dòng)，只需改變各變頻器的頻率就能方便調(diào)整工藝需要的牽伸倍率。從投產(chǎn)后的生產(chǎn)情況分析，生產(chǎn)的滌綸短纖維品種增加(其中1.33dtex有光縫紉線銷量占全國(guó)銷量的1/2以上)、質(zhì)量提高、單耗下降，停車故障大幅減少，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
疊絲機(jī)、卷曲機(jī)也采用共用直流母線多逆變器調(diào)速方案，只是功率較小，不再討論。切斷機(jī)則為獨(dú)立變頻器，和一般變頻調(diào)速原理相同，在此不再展開。
6 結(jié)束語(yǔ)
(1) 如上所述，共用直流母線變頻調(diào)速技術(shù)是可靠的，雖然一次投入較高，但每年可以減少停車2~3次，按一條3萬(wàn)噸/年生產(chǎn)線計(jì)算，可減少pet放流8~12噸，同時(shí)還可避免因停車造成的纖維質(zhì)量波動(dòng)(一次停車將影響144~216噸纖維的質(zhì)量穩(wěn)定性)，如此計(jì)算不用幾年就可收回改造費(fèi)用。
(2) 由于采用共用直流母線變頻調(diào)速技術(shù)，使整體生產(chǎn)條件處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而給改變產(chǎn)品規(guī)格、調(diào)整工藝參數(shù)帶來(lái)極大便利。過(guò)度時(shí)間短，廢絲少，工藝調(diào)整精確。
(3) 從新生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行情況看，共用直流多逆變器調(diào)速系統(tǒng)在滌綸短纖維的生產(chǎn)中優(yōu)勢(shì)突出，代表了紡絲機(jī)拖動(dòng)的發(fā)展方向。但在后紡部分仍不能完全排除電網(wǎng)失電對(duì)變頻器的影響，如變頻器一旦停役會(huì)使正在牽伸的一段滌綸絲(約100m)報(bào)廢。改進(jìn)方法可采用兩個(gè)獨(dú)立的交流電源供電，分別經(jīng)整流器整流后送至共用直流母線(需用二極管隔離)，一旦失掉一路電源，仍有另一路交流電源支持，不會(huì)停車。另外，前紡卷繞紡絲裝機(jī)容量196kw，ups輸出容量330kw，實(shí)際使用的容量較小，需要注意。參考文獻(xiàn)
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[3] 范士強(qiáng). system/ups在3萬(wàn)噸/年短絲裝置中的應(yīng)用[c]. 技術(shù)論文,2002.論文出處(作者):
離心式制冷壓縮機(jī)國(guó)產(chǎn)化的一點(diǎn)想法
兩種儲(chǔ)冰優(yōu)點(diǎn)之結(jié)合
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