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变频器改造多单元染整设备的同步拖动调速系统
用交流变频器改造国产74型及进口直流传动多单元染整设备的同步拖动调速系统
[摘要] 本文介绍了一种实用的交流变频多单元同步拖动调速系统。对交流变频同步调速模式的选择和特点，以及同步传动原理都作了论述。该系统已成功改造多台国产74型及进口直流传动多单元染整设备，达到中国纺织工程学会96型棉、涤棉染整设备电动传动先进水平。
印染工业生产设备包括坯布处理（练漂）、染色、印花和整理设备，这些设备大部分都是多单元联合加工机械，每个单元由一台电动机驱动，而各电电动必须同步运行，以保证生产正常运行。这称为多单元同步拖动系统。加工过程中，工艺要求产品保持恒定的线速度和张力。否则不是断布就是缠轴，而张力恒定则与加工质量有密切关系。它与印花、漂白、染色织物的均匀度、牢度、手感、缩水率有关。所以，先进、优异的电气传动系统是满足工艺生产的重要因素。
一． 国产74型及进口直流传动染整设备同步调速系统的特点
这些印染机械采用的同步系统，基本上有以下两种方式：
1.共电源方式。（SCR-D系统）
所有单元的电动机由一个公用可调的直流电源供电。整机运行速度随着这个直流电源的变化而改变。各单元之间的恒张力同步协调（自调）是通过松紧架调节磁场来实现的。优点是简单经济，缺点是①速应性差②低速同步协调能力差③电动机功率未充分利用。
2.分电源晶闸管直流拖动系统（S—SCR—D系统）
每个单元电动机都由一个单独电源供电，而电动机的磁场恒定不变以保证电动机运行时能够提供恒转矩，各单元速差由松紧架检测出、微调本单元电枢电压、从而保证全机同步运行，其优点是①单元机同步容易实现②调速精度和适应性无论在高速和低速都较好③调速范围可以超过1:20（共电源方式，一般只有1:5），其缺点是每个单元备一套整流电源、设备投资费用较高、维修难度大。
进口染整设备除以上两种方式外，具代表性的还有①“共—分”混合电源“调磁调压松紧架”直流电动机同步拖动系统，如荷兰斯托克（STORK）RD—Ⅳ型圆网印花机②数字调速直流电动机同步拖动系统，如西德门富士（Monforts）预缩机（FKSG—2）等。
不论是共电源方式，还是分电流方式，由于它们都是用直流电动机拖动，因而它们又都具有直流电动机固有的缺限，如因机械特性较软必须组成转速闭环，所以结构复杂，而且印染厂环境差、温度大、腐蚀性液（气）体多，使得电动机使用寿命短、故障率高、维护量大等。
我们企业现有的LMH201A—180型布铗丝光机、意大利ARIOLI松式水洗机（分电源方式），日本东棉KYOTO平幅显色皂洗机，日本山东铁工所R—TYPE精炼机，因直流同步拖动系统上述缺限及工序能力问题均需进行改造。
二． 交流变频同步调速模式的选择及特点
全封闭型的异步电动机在印染厂温度高，腐蚀性液（气）体多的环境中最为适用。交流变频调速技术的发展，也为异步电动机在多电动机同步传动系统中的应用奠定了基础。经比较选型，我们选用了SANKEN公司的SAMCO—I系列变频器。解决了原来直流调速系统可靠性差、调速范围小、同步性能弱、维修量大的问题。以SANKEN公司的SAMCO—ⅰ系列变频器为例，在其主电路中采用了带有驱动电路和过电流保护、高温保护电路的智能化功率模块，在其控制电路中采用了高速32位的精简指令微处理器RISC作为CPU，并采用了超高密度的大规模集成电路。在控制模式方面则配备了高性能的“无速度传感器控制模式”和良好的高性能v/f控制模式。使普通变频器难以达到的低度速驱动，高起动转矩等性能得以实现。采用这种控制模式，变频器从1HZ开始，即能以100%以上的负载转矩来驱动电机。其起动转矩可达成150%，并使电机的转速精度误差小于±1%，且动态响应迅速。
直流电动机之所以动态性能好，是由于直流电动机的磁通Φ和电枢电流Ia可以独立进行控制，是一种典型的解耦控制。而采用矢量控制方式，仿照直流电动机的控制方式，将异步电动机的定子电流的磁场分量和转矩分量解耦开来，分别加以控制，就能实现交流异步电动机的理想动态性能。
异步电动机的矢量控制建立在动态数学模型的基础上，通过矢量变换求得等效直流电动机的控制量Φ和Ia，再经过反变换，求得所需控制的异步电动机三相电流Ia、Ib、Ic,即可以控制直流电动机的方式控制异步电动机了。
无速度传感器控制模式，通过电机参数、电机电压、电机电流完成电动机磁通，转速的定时计算，来达到矢量控制。
三．交流变频调速同步传动原理
以我企业改造东棉（KYOTO）平幅显色皂洗机为例。整机工艺流程为：平幅进布——卧式二辊轧车——还原蒸箱——四格不锈钢水洗槽——透风——浸轧蒸洗箱——小轧车——浸轧蒸洗箱——小轧车——浸轧蒸洗箱——小轧车——普通平洗槽——中小辊轧车——三柱烘筒——平幅落布。
原整机有可控硅调压装置及十五台直流电机构成的多单元同步拖动系统，直流电机之间同步控制由松紧架控制并保持恒张力，中间牵引辊（透风架、还原蒸箱等）采用交流力矩电机以减少整机各部分张力的差异，其共同拖动调速系统示意图如图1
图1 东棉平幅皂洗机同步拖动系统示意图
改造后交流变频调速同步传递系统示意图如图2。全机以中小辊轧车为主令单元，布匹的张力可由松紧架的机械部分（已用汽缸代替重锤）调稳。10号轧车速度与中小辊轧车速度由松紧架调节同步传感器，并反馈到PID同步控制器，当10号轧车电机速度高于小辊轧车速度时，松紧架中间导辊向下移动，通过链条造带动同步传感器内角度传感装置，并输出负的速差信号，反馈到PID同步控制器2#输入端，在PID控制器内与主令信号迭加后，经2#输出端子输出电压降低，从而控制变频器输出频率降低，使10号小轧车线速度与主令轧车线速度一致。这样便实现了从动单元与主动单元之间的同步，反之亦然。同样其他单元如9#小轧车与10#小轧车之间，也通过松紧架PID同步控制器保持线速度一致。
图2.东棉平幅现色皂洗机交流变频调速同步传递系统示意图
四．本变频同步拖动调速系统的特点
1. 精简的结构
由系统示意图可以看出，变频调速同步系统与分电源直流调速系统很相似，但已省去了测速电机，从而减少了一个故障环节。因为变频器具有矢量控制技术（第二节已述），调速精度同样高。
2. 经济实用
以改造平幅显色皂洗机为例全机。全机十五个直流单元，从变频器（三垦）到电机、减速器、PID同步控制器、电脑主令给定板、PLC、电枢等。电器部分共投入17万元（其中齿轮减速器共5.5万元）。
该系统选用了常州宏大的GV电脑给定板替代一般的由伺服电机与电位器组成的升降速给定装置；用常州宏大的PID同步控制器做各个单元与主令单元之间的同步控制器；另外还使用了它的TVS交流力矩电机自动调压调速器取代手动调节力矩电机的干式自藕调压器。
实用证明：该系统运行时可靠性高、输出线性度较好，在系统加减速时及恒速运行时，松紧架始终处于水平位置。保证了系统张力恒定及线速度同步的控制要求，最高车速可达100米/分
3. 快速的动态响应
由于采用无速度先感应矢量控制模式，同时变频器加速时间为2s。减速时间改定为1s。新系统的快速响应性明显增强。
4. 高稳定性
变频器传递函数为积分环节。因加速时间较小，可近似为比例环节。交流异步电动机近似为一阶惯性环节，松紧架为一比例环节，扰动来自电源电压及负载波动，因变频器有稳压功能，且采用矢量控制。扰动量可忽略不计，这样系统为典型的Ⅰ型系统稳定性很高。
5. 理想的调速范围
变频器组成的调整同步系统本质上为分电源方式，与传统印染机械（74型及部分进口设备）的共电源方式相比，调速范围大大增加，变频器在1HZ时可达100%的额定转矩。因此理论上调速范围可达到1：50。该机实际运行时，根据工艺要求，最低车速为5m/min，最高车速为100m/min，调速范围为1：20。
五 . 结论
该变频器调速同步传动系统，我们已成功改造了意大利ARIOLI平幅洗水机、东棉KYOTO平幅显色皂洗机。经过一年多的运行，证明其电气传动性能完全超过了原同步系统，故障率大大减少，生产效率提高了10%~20%，提高了工艺手段。最近我们正准备改造LMH201A-180型布铗丝光机、日本山东铁工所R-TYPE精练机、LMH641平幅显色皂洗机。可以预见，我们的这些改造必会取得成功，且大大提高企业市场竞争力。