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[摘 要]在相對(duì)超高分超子量聚乙烯纖維復(fù)牽生產(chǎn)線中，采用電流矢量高精度變頻器和永磁同步電機(jī)構(gòu)成開環(huán)控制，并同觸模屏聯(lián)網(wǎng)組成全自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)
[關(guān)鍵詞]高精度變頻器；永磁同步電機(jī)；觸摸屏
0前言
超高分子量聚乙烯纖維復(fù)牽生產(chǎn)線是將PE纖維紡絲聯(lián)合生產(chǎn)線生產(chǎn)的經(jīng)初步牽伸定型的纖維再次進(jìn)行三級(jí)四棍牽伸機(jī)同步熱牽伸.使其纖度達(dá)到1600D標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，并具備高強(qiáng)（強(qiáng)度達(dá)到30CN／dtex）高模（模量達(dá)到1000以上）等優(yōu)良性能，整個(gè)絲束的強(qiáng)度、模量、纖度等指標(biāo)還應(yīng)保持均勻一致。這就對(duì)電氣傳動(dòng)的要求非常嚴(yán)格。
超高分子量聚乙烯纖維復(fù)牽生產(chǎn)線對(duì)電氣傳動(dòng)的要求可以概括為：“三高”和“一防”?！叭摺保杭锤呔_性（速度穩(wěn)定，精確度高達(dá)0.1%～0.01%）；高同步性（三級(jí)熱牽伸的四個(gè)牽伸電機(jī)的牽伸速度應(yīng)保持縱向比例同步）；高可靠性（至少保證一年連續(xù)安全運(yùn)行，少維修或免維修）?！耙环馈保悍赖雇希ㄇ凹?jí)電機(jī)可長(zhǎng)期工作在后級(jí)電機(jī)的倒拖狀態(tài)下）。
1 超高分超子量聚乙烯纖維復(fù)牽生產(chǎn)線電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建立
1.1 控制方案的選擇
化纖牽伸電氣調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常有三種控制方式：一是直流電源—直流電機(jī)閉環(huán)控制方式。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，調(diào)速精度高。
其速度特性如下式：n=U—IaRa／ceΦ。只要改變電樞電壓U，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑調(diào)速。目前市場(chǎng)上也有定型的直流電機(jī)調(diào)速電源，可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速控制。但是考慮到直流電機(jī)存在換向器，維修保養(yǎng)復(fù)雜，價(jià)格較高。因此，我們沒有采用此種控制方式。
二是交流變頻器——三相異步電機(jī)。變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。其控制精度較高，可達(dá)到0.5%～0.01%。但由于根據(jù)PE纖維復(fù)牽生產(chǎn)線對(duì)電氣驅(qū)動(dòng)高同步性的要求，將四個(gè)牽伸輥的速度閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)整到相同精度十分艱難麻煩。另外，每個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)都有速度傳感器，故障率會(huì)增高，工作可靠性這個(gè)指標(biāo)往往不能滿足實(shí)際纖維生產(chǎn)的需要，故此方案不宜被采用。
三是交流變頻器——三相永磁同步電機(jī)構(gòu)成變頻調(diào)速開環(huán)控制系統(tǒng)。三相永磁同步電機(jī)具有以下特點(diǎn)：
a調(diào)速范圍寬，它的特性與直流電動(dòng)機(jī)類似，可以均勻無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá)50∶1。
b調(diào)速精度高，調(diào)速度誤差在1／30000。
c結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單電機(jī)無(wú)換向器，不會(huì)產(chǎn)生火花，便于維護(hù)，適應(yīng)惡劣的環(huán)境和易燃易爆場(chǎng)合。
d功率因數(shù)與直流電機(jī)系統(tǒng)類似，但是效率高，功率因數(shù)高達(dá)0.95以上。
e可以方便的實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行（即實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)速）。
f轉(zhuǎn)速始終等于同步轉(zhuǎn)速N0=60F/P，只取決于電動(dòng)機(jī)供電頻率F，而與負(fù)載大小無(wú)關(guān)（除非負(fù)載力矩大于或等于失步轉(zhuǎn)矩，同步電動(dòng)機(jī)會(huì)失步，轉(zhuǎn)速迅速停止）其機(jī)械特性曲線為一根平行橫軸直線，絕對(duì)硬特性。
從以上幾點(diǎn)可以看出：如果采用高精度的變頻器（字設(shè)定頻率精度可達(dá)0.0l％），在開環(huán)控制情形下，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速精度亦為0.01%。因?yàn)橥诫妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速精度與變頻器頻率精度相一致（在開環(huán)控制方式時(shí)），所以特別適合多電機(jī)同步傳動(dòng)。并且，可逆調(diào)速和可靠性要求均可得到保證。因此，交流變頻器——三相永磁同步電機(jī)構(gòu)成變頻調(diào)速開環(huán)控制系統(tǒng)是PE纖維復(fù)牽生產(chǎn)線電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的******。
1.2 超高分超子量聚乙烯纖維復(fù)牽生產(chǎn)線變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建立
PE纖維復(fù)牽生產(chǎn)線變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖如圖2所視。變頻電源采用山川電流矢量控制通用變頻器VarispeedF7系列CIMR—F7A40ll，它具備多種V／F控制模式和自整定功能，具有防失速，150%一分鐘過負(fù)載，四象限過力矩檢出等保護(hù)功能。完全符合永磁同步電動(dòng)機(jī)難啟動(dòng)和v/F曲線配合等控制要求。
永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，其磁場(chǎng)的分布是比較復(fù)雜的，在不同頻段下，可能產(chǎn)生不同的高次波，如果此高次波與異步電動(dòng)啟動(dòng)過程中產(chǎn)生的高次波疊加，在此情況下，反映在電流的大小上，其電流值一般將大于額定電流值，這種大電流往往就影響變頻電源的******工作電流的選擇。因此選擇變頻器要求比電動(dòng)機(jī)大一號(hào)。此處選擇了11Kw的變頻器對(duì)應(yīng)7.5Kw永磁同步電動(dòng)機(jī)。
四個(gè)變頻器采用共直流母線連接方式，以防止在牽伸過程中某些電機(jī)處于倒拖狀態(tài)時(shí)引起的變頻跳閘。
1.2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)和變頻控制配合曲線
變頻對(duì)同步電機(jī)的控制主要須解決兩個(gè)問題：一是同步電機(jī)的啟動(dòng)。稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)由于應(yīng)用了高磁能積的永磁材料，起動(dòng)過程中永磁體將發(fā)出發(fā)電機(jī)的能量，電機(jī)起動(dòng)時(shí)，不但消耗異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)的能量（產(chǎn)生空載起動(dòng)電流），還將克服發(fā)電機(jī)的能量，因此它的起動(dòng)電流是很大的。另外，同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)過程中，轉(zhuǎn)子的速度必然會(huì)落后，一旦轉(zhuǎn)子落后的角度太大，便會(huì)造成失步。所以，同步電機(jī)的啟動(dòng)速度不宜過大。利用Varispeed F7系列變頻器V/F曲線的“轉(zhuǎn)矩提升”設(shè)定及通過“讓重負(fù)載加減速（DWELL功能）”和“防止加速中失速功能”的設(shè)定，來解決變頻器的啟動(dòng)問題。其中“DWELL功能”是指設(shè)定變頻器啟動(dòng)時(shí)DWELL頻率（b6－01參數(shù)）和DWELL頻率保持時(shí)間（h6－02參數(shù)）來使變頻器在啟動(dòng)時(shí)，先在DWELL頻率下保持運(yùn)行一段時(shí)間，防止電機(jī)進(jìn)入失速狀態(tài)（如圖3所示）?！胺乐辜铀僦惺俟δ堋笔侵冈O(shè)定了參數(shù)L3－01=1（該功能有效后），只要變頻器輸出電流超過L3－02設(shè)定值－15%，首先抑制加速速率，超過L3－02值時(shí)，停止加速待電流回復(fù)后再加速.
二是壓頻比問題，通用變頻器根據(jù)不同的電機(jī)特性可以設(shè)置不同的壓頻比。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)不在自己的運(yùn)行曲線下，電機(jī)將發(fā)生電流增大；溫升過高等現(xiàn)象。電機(jī)的壓頻比即V／F曲線必須根據(jù)電機(jī)的參數(shù)輸入，通常在電機(jī)的銘牌中都有。Varispeed F7系列變頻器可以通過參數(shù)El－03－E1－10靈活地定義各種V／F曲線，以滿足不同的負(fù)載要求。如圖5所示，在通常的基礎(chǔ)上，Varispeed F7系列變頻器采用增加（E1－09，El－10）、（E1－07，E1－08）、（E1－06，El－13）、（E1－04，E1－05）四點(diǎn)折線方式定義V／F曲線，Vmin為補(bǔ)償?shù)皖l轉(zhuǎn)矩特性的轉(zhuǎn)矩提升。
1.2.2 變頻器長(zhǎng)期工作在制動(dòng)狀態(tài)下的解決方案
超高分子量聚乙烯纖維在復(fù)牽過程中強(qiáng)力和模量都達(dá)到很高的水平，特別是在牽伸末端的三牽四牽之間，強(qiáng)力可達(dá)到30cN／dtex以上。這就造成了三牽電機(jī)經(jīng)常處于被倒拖狀態(tài)，變頻器長(zhǎng)時(shí)間工作在直流制動(dòng)狀態(tài)下。如不采取措施就會(huì)引起變頻器因直流母線電壓過高而跳閘。
通常采用直流回路并聯(lián)制動(dòng)電阻或外接再生制動(dòng)單元的方式解決制動(dòng)問題。但由于是長(zhǎng)期工作在直流制動(dòng)狀態(tài)，因此采用制動(dòng)電阻的能耗制動(dòng)方式顯然不合適。而采用外接再生制動(dòng)單元的方式雖然可將再生能量回饋電網(wǎng)，但增加了再生制動(dòng)單元，使系統(tǒng)變得復(fù)雜，故障率和成本都會(huì)增高。實(shí)際上本系統(tǒng)是多電機(jī)傳動(dòng)多級(jí)牽伸系統(tǒng)，這種系統(tǒng)往往有一臺(tái)或多臺(tái)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，而其余電機(jī)必定處于電動(dòng)狀態(tài)。因此只要將所有變頻器直流母線并聯(lián).發(fā)電狀態(tài)電機(jī)產(chǎn)生的再生能量即可通過并聯(lián)的直流母線由處于電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)吸收。
1.3 利用富士觸模屏POD實(shí)現(xiàn)牽伸速度同步調(diào)整
超高分子量聚乙烯纖維復(fù)牽生產(chǎn)線對(duì)速度的同步性要求決定了生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具備各級(jí)牽伸速度按比例同步調(diào)整的速度總控功能即在保持總牽伸比不變的情況下，可以同步提高或降低四個(gè)牽伸電機(jī)的牽伸速度。在復(fù)牽生產(chǎn)線速度控制系統(tǒng)中.采用富士生產(chǎn)的UG30系列程序操作顯示器（簡(jiǎn)稱POD）作為上位機(jī)，它具備較強(qiáng)的通訊功能和獨(dú)立的宏命令控制功能。利用串行MJ1口無(wú)需專門的通訊軟件和PLC支持便可同變頻器直接建立RS一485之上。
利用UG30的宏命令功能，在速度設(shè)定畫面上設(shè)定了速度總控功能。設(shè)定好速度上升或下降百分比后，按下執(zhí)行鍵，即可執(zhí)行相應(yīng)的宏命令使得在保持總牽伸比不變的情況下，各段速度可整體上升或下降。
2 運(yùn)行情況
該控制系統(tǒng)投入使用以來，性能穩(wěn)定，滿足了超高分子量聚乙烯纖維復(fù)牽生產(chǎn)線對(duì)電氣傳動(dòng)的要求，系統(tǒng)可靠性得到充分認(rèn)可，為企業(yè)帶來了較好的效益。 |
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