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共用直流母線(xiàn)變頻調速系統在滌綸短絲線(xiàn)上的應用
1 引言滌綸短絲裝置是上海石化股份公司滌綸部西區的一個(gè)主要裝置，共有六條生產(chǎn)線(xiàn)，設計單線(xiàn)產(chǎn)量為1.5萬(wàn)噸/年。前紡電氣傳動(dòng)采用德國aeg公司semiverter變頻器及永磁同步電動(dòng)機，后紡采用直流電動(dòng)機長(cháng)軸傳動(dòng)。該紡絲裝置是我國80年代初自己設計、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)濟效益和社會(huì )效益，但是由于受到歷史條件的局限，出現了一些先天性不足，產(chǎn)品的種類(lèi)和單耗達不到部頒標準，不能適應市場(chǎng)的需要，為此在原一號線(xiàn)位置上改造、引進(jìn)了一條3萬(wàn)噸/年滌綸短絲生產(chǎn)線(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)新生產(chǎn)線(xiàn))，電氣傳動(dòng)采用德國西門(mén)子6se70系列變頻器和永磁同步電動(dòng)機(前紡)、異步電動(dòng)機(后紡)。本文就共用直流母線(xiàn)多逆變器調速系統在紡絲線(xiàn)上的應用作一些探討。2 合成纖維紡絲機變頻調速系統發(fā)展概況
合成纖維紡絲機變頻調速系統發(fā)展大致可分為3個(gè)階段:
(1) 大變頻器調速 由一臺大功率變頻器來(lái)驅動(dòng)多臺永磁同步電動(dòng)機。電動(dòng)機可逐臺起動(dòng)或分組啟動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是系統簡(jiǎn)單、控制方便，可保證多電機同步運行。缺點(diǎn)是變頻器容量必須選用很大;單臺電動(dòng)機短路故障有可能引起變頻跳閘，造成整臺紡絲機停車(chē)。
(2) 多臺小變頻器驅動(dòng) 每臺電動(dòng)機均有一臺小變頻器驅動(dòng)。對比大變頻器驅動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)有:a)、一臺變頻器驅動(dòng)一臺電機，可以實(shí)現軟起動(dòng)，變頻器容量基本與電動(dòng)機相同;b)、當某臺電動(dòng)機發(fā)生故障時(shí)，對應變頻器停止工作，不會(huì )影響整臺紡絲機的正常運轉。缺點(diǎn)是:a)、總設定、總啟動(dòng)需另加調節環(huán)節;b)、幾臺變頻器輸出頻率會(huì )有離散性，為達到轉速同步，需加串行通信接口。
(3) 共用直流電源多臺小逆變器驅動(dòng) 采用共用直流電源多臺小逆變器驅動(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電氣控制系統的基本要求及對原有拖動(dòng)系統的分析
(1) 滌綸短纖維紡絲裝置對電氣控制系統的基本要求
紡絲機對電氣傳動(dòng)的要求為“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%);高轉速或甚高轉速(在沒(méi)有升速齒輪箱條件下，電機轉速高達8000～9000r/min);高可靠性(至少保證一年安全連續運行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速器和永磁同步電動(dòng)機組成的調速系統后，高同步、高精度、高轉速和少維修可以實(shí)現，但高可靠性還做不到，影響了紡絲裝置安穩長(cháng)滿(mǎn)優(yōu)生產(chǎn)。以3萬(wàn)噸/年短絲生產(chǎn)線(xiàn)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)，引起計量泵變頻器停役電機停轉，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，即一臺變頻器驅動(dòng)多臺永磁同步電動(dòng)機，此類(lèi)變頻器在技術(shù)上采用公用換流環(huán)節，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)間內數倍額定電流(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。但變頻裝置在運行中尚存在以下不足之處:a)、短絲裝置由于多臺電動(dòng)機共用一臺變頻器，無(wú)法實(shí)現軟起動(dòng)，所以選用時(shí)既要考慮到最高頻率時(shí)直接起動(dòng)，又要考慮到若干臺電機高速運轉時(shí)，某一紡位故障排除后又繼續投入運行，因此變頻器容量不得不選用偏大。b)、紡絲機故障停臺率偏高。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(kāi)關(guān)倒閘操作，定會(huì )出現瞬時(shí)低壓現象，造成變頻器停役，致使整臺紡絲機停產(chǎn)，釀成巨大損失。c)、無(wú)法實(shí)現再生發(fā)電制動(dòng)。后紡采用直流拖動(dòng)，電動(dòng)機維護和保養很麻煩，牽伸比調節也很困難。4 前紡裝置變頻調速系統特點(diǎn)分析(由ups供電、小逆變器永磁同步電動(dòng)機開(kāi)環(huán)同步拖動(dòng)系統)
圖1 新生產(chǎn)線(xiàn)的前紡部分變頻調速系統新生產(chǎn)線(xiàn)的前紡部分變頻調速系統如圖1。前紡裝置變頻調速系統主要是由ups供電、小逆變器永磁同步電動(dòng)機開(kāi)環(huán)同步拖動(dòng)系統組成，前紡裝置的主要改進(jìn)是電源系統采用ups(西門(mén)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(kāi)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臺逆變器帶1臺電動(dòng)機的控制方式，而是由2臺大逆變器分別向32臺計量泵電機(永磁同步電動(dòng)機)提供可變頻交流電源。裝置控制采用集散式數字工藝控制系統(dcs)和微處理機網(wǎng)絡(luò )系統，在兩臺逆變器之間用plc加串行通信接口組成開(kāi)環(huán)控制，確保兩變頻器的輸出頻率相同，即保證了32臺計量泵電動(dòng)機轉速的絕對同步。與原生產(chǎn)線(xiàn)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)，計量泵可正常工作，提高經(jīng)濟效益。在前紡調速系統中，32臺計量泵電動(dòng)機、7輥導絲輥電動(dòng)機及喂入輪電動(dòng)機的所有逆變器均接在共用直流母線(xiàn)上。5 后處理裝置變頻調速系統特點(diǎn)分析
后紡裝置的變頻調速系統如圖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速系統，其逆變器接同一直流母線(xiàn)。電動(dòng)機則采用大功率的異步電動(dòng)機。共用直流母線(xiàn)由＃1、＃2整流裝置供電。兩套整流器的疊加既可擴大容量，又可減少紋波和諧波，穩定直流電壓。與原生產(chǎn)線(xiàn)相比有如下優(yōu)點(diǎn):
圖2 后紡裝置的變頻調速系統(1) 采用共用直流母線(xiàn)可以自適應調整不同牽伸比條件下被拖電動(dòng)機的制動(dòng)力矩。比如對某一設定好的牽伸比，頭道、二道、三道牽伸機的轉速分別為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(zhù)跑，而現在采用共用直流母線(xiàn)的變頻調速后，一旦n1的數值超過(guò)設定值，電動(dòng)機便進(jìn)入了再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。一方面被拖電機變成發(fā)電機，發(fā)出的電能經(jīng)續流二極管整流變成直流回饋到直流母線(xiàn)，電動(dòng)機不僅無(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，既可穩定直流母線(xiàn)電壓，又由于電動(dòng)機容量較大(如第二牽伸機電動(dòng)機為400kw)，電能節約也相當可觀(guān)。另一方面，被拖電動(dòng)機處于制動(dòng)狀態(tài)，只要設置相應的頻率比，就能控制轉速比，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)合機組是滌綸短纖維生產(chǎn)中的一道關(guān)鍵工序，主要承擔著(zhù)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拖動(dòng)由一臺功率較大的直流電動(dòng)機拖動(dòng)一根機械長(cháng)邊軸，再帶動(dòng)各道牽伸輥、緊張熱定型輥等。直流電動(dòng)機雖然在調速的范圍、調速的精度及動(dòng)態(tài)響應等方面性能較好，但直流拖動(dòng)最致命的問(wèn)題就是直流電動(dòng)機的維護和保養很麻煩，并且對環(huán)境要求也較高。另外采用長(cháng)邊軸傳動(dòng)，若要改變生產(chǎn)品種，則牽伸比的調節較困難，并且精度也達不到要求，這樣勢必會(huì )影響產(chǎn)品質(zhì)量、品種翻改以及高附加值產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。新生產(chǎn)線(xiàn)采用交流變頻調速，各道牽伸輥具有獨立的變頻傳動(dòng)，只需改變各變頻器的頻率就能方便調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(xiàn)銷(xiāo)量占全國銷(xiāo)量的1/2以上)、質(zhì)量提高、單耗下降，停車(chē)故障大幅減少，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。
疊絲機、卷曲機也采用共用直流母線(xiàn)多逆變器調速方案，只是功率較小，不再討論。切斷機則為獨立變頻器，和一般變頻調速原理相同，在此不再展開(kāi)。
6 結束語(yǔ)
(1) 如上所述，共用直流母線(xiàn)變頻調速技術(shù)是可靠的，雖然一次投入較高，但每年可以減少停車(chē)2~3次，按一條3萬(wàn)噸/年生產(chǎn)線(xiàn)計算，可減少pet放流8~12噸，同時(shí)還可避免因停車(chē)造成的纖維質(zhì)量波動(dòng)(一次停車(chē)將影響144~216噸纖維的質(zhì)量穩定性)，如此計算不用幾年就可收回改造費用。
(2) 由于采用共用直流母線(xiàn)變頻調速技術(shù)，使整體生產(chǎn)條件處于穩定狀態(tài)，從而給改變產(chǎn)品規格、調整工藝參數帶來(lái)極大便利。過(guò)度時(shí)間短，廢絲少，工藝調整精確。
(3) 從新生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)際運行情況看，共用直流多逆變器調速系統在滌綸短纖維的生產(chǎn)中優(yōu)勢突出，代表了紡絲機拖動(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)報廢。改進(jìn)方法可采用兩個(gè)獨立的交流電源供電，分別經(jīng)整流器整流后送至共用直流母線(xiàn)(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(chē)。另外，前紡卷繞紡絲裝機容量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
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[3] 范士強. system/ups在3萬(wàn)噸/年短絲裝置中的應用[c]. 技術(shù)論文,2002.論文出處(作者):
離心式制冷壓縮機國產(chǎn)化的一點(diǎn)想法
兩種儲冰優(yōu)點(diǎn)之結合
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