关 键 词: 多电机同步调速 松紧架 变频器
Abstract: This paper summarizes the applications of inverter in the multi-motor synchronous drives on the dyeing and printing equipments; including with dancers and without dancers and winding drives.
Keywords: Multi-motor synchronous drives Dancers Inverter
1 引言
我国是世界上最大的纺织品服装生产国。2000年我国的纺织纤维加工总量达到了1210万吨，纺纱、织造和服装的产量均位居世界第一位。2003年，纺织品服装出口创汇超过800亿美元，约占我国总出口创汇的20%。2003年我国的纺织机械进口和国内生产双双超过40亿美元。但是，受我国印染技术水平的制约，目前所生产的面料尚不能满足出口服装的要求，致使每年面料进口都在50亿美元左右。因此提高印染行业的技术水平，仍有巨大的发展空间。
传统的纺织印染工业是劳动密集型产业，装备的自动化程度不高。所用传动大多数为不调速，需要调速的场合多数使用直流电机，如整经机、浆纱机和众多的印染设备。交流调速用的不多，主要有力矩电机交流调压调速、滑差电机调速、晶闸管串级调速、晶闸管交-直-交变频调速等。印染设备借助力矩电机的软机械特性，保证整个机台线速度一致下有一个适中的布张力; 纺织厂的前纺则利用力矩电机调压调速实现棉卷的自调匀整; 晶闸管控制的电磁调速电动机(又称滑差电机和电磁转差离合器)用于梳棉机调速;晶闸管串级调速主要用在纺织厂的通风机上，达到节能的目的;晶闸管交-直-交变频调速，用在化纤工业的长丝纺丝机上。
2 变频器在纺织工业的应用概况
纺织工业是交流电机变频调速技术较早推广应用的一个领域。早在70年代化纤长丝纺丝机已经广泛采用晶闸管静止变频装置驱动众多的同步电机，以解决高速和多电机同步问题。进入80年代以后，由于交流调速技术的成熟和新型高性能变频器的问世，纺织工业采用交流电机变频调速技术全面展开。这是因为纺织、印染、化纤设备多为单方向、不可逆运行的恒转矩负载，单台功率在几十kW以下，特别适合当时技术水平下的通用型交流变频调速装置的推广应用。我国的纺织工业装备经过十多年的引进技术、消化吸收、合资办厂和自主开发，取得了长足进展，设备的机电一体化水平、自动化水平有了较大提高。不仅设备制造企业，而且更多的纺织企业认识到机电一体化纺织机械的优越性。八五期间主要在印染设备上推广应用变频调速技术和PLC技术，九五期间推广应用到整个纺织工业。现在可以说变频调速技术已经在纺织工业得到了普及。
各类纺织机械其主传动几乎毫无例外的应用了交流电机变频调速技术，包括单机变频调速系统和多单元机同步变频调速系统。从变频器的种类讲，包括从通用型变频器到高性能交流伺服控制器等应有尽有。
(1) 通用V/F控制变频器异步电机调速。90年代初开始在我国的印染工业推广应用，典型的例子是印染前处理设备如退煮漂联合机、布夹丝光机、直辊丝光机、皂洗机等;后整理设备如热风拉幅机、热定型机等; 平网印花机的刮印单元等，由直流传动改造为交流传动，用交流变频技术实现多电机同步调速。其特点是使用大功率双极性晶体管逆变技术、速度开环、控制简单、可靠性高、使用简便;静态调速精度要求较低, 一般为2%～5%; 调速范围不大, 一般为(10～20):1; 功率不高，在几十kW以下; 启动转矩不大，取代直流电机时一般功率要放大一级。
(2) 风机、泵类专用变频器异步电机变频调速。与通用V/F控制变频器同步在我国的纺织工业中推广应用，典型的应用例子是纺织厂的空调通风与印染厂的热风机。其特点为价格低、节能显著、调速范围小。
(3) 无速度传感器异步电机矢量控制变频调速。90年代后期开始取代普通的V/F控制变频器，成为变频器的主流在纺织工业中推广应用。其特点是使用IGBT作为逆变主开关元件、控制简单、可靠性高、使用较简便;可达到的调速精度较高，静态调速精度可达(0.5～1)%;调速范围可达(20～50):1;动态性能较好，启动转矩较大;如果使用变频专用电机，取代直流电机时，功率不必放大一级。
(4) 带速度反馈的异步电机矢量控制变频调速。其特点是控制电路较复杂、价格也较高，然而其调速性能好，主要特点有:
·可以从零转速起进行速度控制, 调速范围可达100:1以上;
·可对转矩进行精确控制;
·动态响应速度快
主要用于对调速性能要求高的各种纺织机械，如POY和FDY直接纺丝设备，粘胶短纤纺丝生产设备以及高档定型机、予缩机、磨毛机、圆网印花机、平网印花机、大卷装卷轧染机等。
(5) 交流伺服控制用变频器。带有光电编码器(Encode)或者旋转变压器(Resolvor)，驱动异步电机或者交流永磁同步电机用作高精度的速度或者位置控制。其特点是动态性能好，但价格高。借助交流伺服，在平网印花机和圆网印花机的传动中提高对花精度;在浆纱机的分部传动中提高张力的均匀性。
3 印染设备交流变频多电机同步调速
在印染设备中, 为了对织物进行连续加工, 通常把众多的加工单元组合成联合机，各加工单元分别由一台电动机驱动。工艺要求加工中保持各单元之间张力恒定或者线速度成适当关系。这就要求各单元电动机之间有一种调节机制，使得各单元之间速度发生不协调时, 能及时调节自身的速度，自动保持与相邻单元一致，这种调速方式称为多电机同步调速。印染设备采用多电机同步调速方式者非常之多。
印染设备多为恒转矩负载，生产工艺要求调速，但对速度的精度要求不高。传统的印染设备采用直流电机驱动，单元之间采用摆式或者辊式松紧架检测张力，通过差动变压器、旋转变压器、自整角机、电位器或者可变电阻将松紧架的位置信号转变为调节用的电信号，借助电子装置调节电机速度。图1示出一个三单元(电机)同步调速简图，采用的是三辊式松紧架。
由于直流电机多故障、短寿命、价格高、低速同步性能差，从90年代初开始了用交流变频传动取代直流传动的技术改造。鉴于对动态性能、稳态速度精度要求不高，使用通用V/F控制变频器就能胜任，改造的技术难度不高。变频器需要有两个输入端:一个主频率给定用于调速;一个辅助频率给定用于调同步。主频率给定来自于系统速度给定;辅助频率给定来自本单元松紧架信号(主令例外)，两个频率给定在变频器内部相加。早期的变频器只有一个频率给定，改造时需要制作一块同步板，以完成同步必须的加法功能。经过十几年的发展，印染设备交流变频多电机同步调速技术有了长足进步，主要表现在:
(1) 最新的变频器装备有RS-485接口或者现场总线接口，因而主频率给定可以通过串行通讯，用广播的方式传送到所有的变频器，减少了现场的接线。另外数字频率给定取代模拟量频率给定, 避免了模拟量易受干扰的缺点。
(2) 无速度传感器矢量控制变频器成了通用变频器的主流。其特点是:动态性能好、低速转矩大，转矩可以控制与观测。从而有了两种工作模式:速度工作模式和转矩工作模式，速度模式的给定是速度，转矩模式的给定是转矩。在卷绕驱动中使用转矩模式有很大的优越性，只需修改转矩给定，可以不检测半径保持恒张力或者变张力卷绕。
(3) 现场总线的使用使得对变频器的监控变得更方便、更全面。通过现场总线可以把变频器运行的状况，如电流、电压、速度、转矩、报警、故障等信息全面汇报给中央控制器(PLC/IPC)，并显示在人机界面上。现场总线的使用使变频器成了控制系统计算机网络中的一个节点，这是变频器信息化的基础。
(4) 借助于矢量控制变频器的速度工作模式与转矩工作模式，有可能不用松紧架、不用张力传感器、也不用速度传感器，实现两台异步电机的三无同步调速。在电机台数比较多时, 它的直接好处是减少系统的松紧架的数量。
(5) 松紧架位置传感器的进步。利用重力、高频电磁感应、磁敏电阻等原理研制成功无接触松紧架位置传感器，提高了松紧架位置检测的可靠性。结合控制方法的改进(对松紧架进行位置控制)，作到了松紧架的姿态控制，使稳态时松紧架总是处于中间位置。
(6) 变频器的参数由最初的几十个发展到今天的上千个，变频器的功能越来越完善，几乎无所不能。原来变频器使用中需要增加的硬件都已经包括在变频器内部了，开发者的工作只是简单的对变频器进行设定。
(7) 有速度传感器或者位置传感器的矢量控制技术(交流伺服控制)在多电机同步调速中得到使用，如圆网印花机、平网印花机、浆纱机、湿法毡生产线等，其目的或者是为了改善对花精度，或者是为了改善张力的动态均匀性，或者是为了恒张力或变张力卷绕等。
4 印染设备无松紧架无张力传感器无速度传感器多电机同步调速
近十几年来，国内外采用交流变频异步电机驱动取代直流电机驱动，技术水平有了很大提高。但是，同步检测调节环节仍然沿用了原有的松紧架结构(或者张力传感器或者速度传感器)。这个环节成了新设备的薄弱部分，故障多、维护工作量大，影响了新设备潜能的发挥。有人作过改进，但改进工作主要集中在如何把松紧架的位置信号转变为控制用的电信号上，没有涉及到松紧架本身。
4.1 松紧架的利与弊
印染设备上的传动辊特别多，其中少数辊子通过电机拖动，称其为主动辊;大多数辊子通过绕在其上的织物拉动，称其为被动辊。如果一个主动辊拖动的被动辊多，则织物张力的均匀性差。主动辊处的张力最大，最后一个被动辊处的张力最小。反之，如果一个主动辊拖动的被动辊少，则织物张力的均匀性好，主动辊与最后一个被动辊之间的张力差小。一般说来，主动辊与主动辊之间需要松紧架、张力传感器、速度传感器加以同步。工艺要求提高张力的均匀性，这就要求主动辊多、拖动电机多，从而松紧架多。这样作的弊端是增加了设备的复杂性和故障率，给操作和维护工作带来困难。
现在的趋势是对织物加工过程中的张力均匀性提出了越来越高的要求。为了满足这个要求，新设备设计中增加了主动辊的数量，从而也增加了拖动电机的数量。但需要想办法不增加甚至减少松紧架的数量。
4.2 减少和取消松紧架的方法
变频器在印染设备上的使用已经是一项成熟的技术。变频器的功能越来越完善，能做的事情越来越多。一些原来很难完成的工作，借助于变频器可以很容易实现。比如无速度传感器矢量控制变频器可以工作在速度模式也可以工作在转矩模式，可以检测和输出电机的速度、线速度、转矩、电压和电流等运行参数。借助于这些功能，有可能构建出一些减少和取消松紧架的同步调速方法。
(1) 大小电机法
一个单元用二台电机拖动，一台电机的功率大，另一台电机的功率小。小电机可以提供一定的辅助驱动转矩，以改善张力的均匀性，但不足以单独将设备驱动;大电机的功率足以将该单元驱动，决定了该单元的速度。小电机的变频器工作在转矩模式，大电机的变频器工作在速度模式。二台电机间不设松紧架。
举例:印染前处理的水洗单元，传统的做法使用一台电机驱动，现在改为二台电机驱动，以改善张力的均匀性。第一台电机功率7.5kW，工作在矢量控制速度模式;第二台电机0.75kW，工作在矢量控制转矩模式。二台电机间不需要松紧架，同步不成问题。
(2) 直接速度同步系统
一般各单元都设计成转速负反馈，使各单元机的线速度尽量不受负载波动等因素的影响。这样，只要在联合机运行前，事先将各单元机的线速度调整相等(考虑到织物的伸长，实际应为一定的比例关系)，即可实现同步运行。
举例:直辊丝光机的直辊部分使用带速度反馈的交流变频异步电机直接速度同步系统, 四台电机的线速度依次递增一个小的百分数(可调), 实现一定的张力, 不需松紧架同步运行。
(3) 软机械特性法
如果几个单元的功能和结构相似，每个单元有一台电机和一台变频器驱动，可以考虑利用矢量控制变频器的转矩输出构造异步电机的软机械特性，从而电机间不需要松紧架而能保持良好的同步(详见图2)。有跑快倾向的因负载加重而快不起来，有跑慢倾向的因负载变轻而慢不下来，最终维持速度一致。因为软机械特性不是用串电阻的方法获得，而是用转矩负反馈构造，使得效率比较高。
举例:直辊丝光机的直辊部分有四台电机驱动，它们的功能和结构相同。可以采用软机械特性法实现电机间的同步，无需设松紧架。四部分的线速度可以设定的不一样，以实现加工所要求的织物张力的调节。
5 交流电机伺服控制在卷绕中的应用
在纺织印染设备中卷绕是较为常用的传动系统, 主要传动方式分为液压传动、直流传动、交流变频传动和交流伺服系统等。其中交流伺服系统的卷绕性能最好, 但价位也最高。
恒张力卷绕有两种方式:压布辊磨檫传动和卷布辊中心传动。第一种方式由于传动不受卷布辊直径影响, 情况较为简单, 与一般的传动没有多大的差别。第二种方式因受卷布辊直径的影响, 传动角速度是变量, 并随直径的增大转速变慢。
如果采用普通的交流变频传动，需要检测卷布辊的直径D，然后根据式(1)计算卷布辊转速n，再根据计算的转速控制变频器的频率，与普通的变频调速没有什么两样。
n=V/(πD) (1)
式(1)中: V为线速度; D为需要检测卷布辊的直径; n为卷布辊转速。
高性能的有速度传感器矢量控制变频器的性能已经可以算做是交流伺服控制，它有速度运行模式和转矩运行模式两种工作方式。当工作在转矩运行模式时，能根据转矩给定运行，而转速浮动。多数情况下，要求加工过程中保持张力恒定。但是，有的应用要求卷绕过程中内紧外松，既要求实现变张力控制，随着卷径的增大，张力逐渐变小。恒张力常常和恒线速度相关，恒线速度则要求电机的转速与卷径成反比。对张力的控制可以采用开环的方法，也可以采用闭环的方法。有些电动机(如力矩电机等)本身具有软机械特性，用它们来驱动卷绕机构，可以获得近似恒张力运行;卷径的变化可以看着是一种扰动，用扰动补偿调节，可以实现间接法张力控制，也是一种近似的恒张力控制。最直接最有效的方法是利用张力传感器实现张力的闭环调节，也称直接法张力控制。印染联合机中常用的松紧架也可以看作是一种张力检测环节。只是这种装置体积大、精度差，没有张力显示，使用不便。
卷径在卷绕系统中是一个必不可少的参数，一般需要用某种检测装置来获取。卷绕张力是卷径的函数，需要通过计算来获得。
5.1 速度控制与转矩控制
速度控制与转矩控制是伺服控制器的两种控制模式。速度控制模式已为大家所熟知，给定的是速度，反馈的也是速度，对速度形成闭环控制，保证速度为设定值，转矩则随负载而定。转矩控制模式，给定的是转矩，伺服控制变频器计算出实际的转矩，如果实际转矩低于设定转矩，则升速，反之，则减速，速度是浮动的。转矩控制模式非常适合于卷绕驱动。在卷绕驱动中，给定的是张力, 线速度恒定, 转速随卷径的增大而降低，转矩模式正好能满足这个要求。张力与半径的乘积就是转矩，作为转矩模式的给定，其转速正好浮动到所要求的线速度，无须线速度控制。如果不用专门的检测装置，变频器能够自己计算出卷径，问题可以进一步简化。显然，将伺服控制变频器的转矩控制模式用于卷绕驱动可以大大简化控制系统。
5.2 具有内部卷径计算的伺服控制变频器卷绕驱动
如上所述，如果伺服控制变频器具有卷径计算功能，那么由外部张力给定就能算出转矩给定，使用转矩控制模式将变得很方便。
图3示出了一个二变频器卷绕系统。伺服控制变频器1将系统的运行线速度传给伺服控制变频器2，伺服控制变频器2接受外部输入的张力给定和张力传感器输入的张力反馈信息构成张力闭环控制，伺服控制变频器2具有内部卷径计算功能并工作在转矩控制模式。伺服控制变频器2驱动异步电机以所要求的张力卷绕并自动将其速度浮动到运行线速度。
下面以LENZE-9300系列伺服控制变频器为例，说明卷径的计算方法。LENZE-9300系列伺服控制变频器内部有五十多种功能块，能完成诸如加减乘除和一系列的变换功能, 也能完成PID闭环调节。根据式(2)可计算出卷径。
D=k×v/ω=k×∫vdt/∫ωdt (2)
式(2)中: v为外部输入的线速度值; ω为变频器知道的角速度值; k为由实验确定的常数。
功能块的使用可以通过对一系列的代码进行设定完成。图4示出了一个由功能块组成的卷径计算框图。
5.3 应用实例
图5示出了一个湿法毡生产线的卷绕系统框图。这里总共使用了三台LENZE-9300系列伺服控制变频器，驱动三台带有旋转变压器的变频专用异步电动机。其中，拖辊伺服控制变频器工作在速度模式，它的主速度给定(1/2端)来自PLC的模拟量输出，辅助速度给定(3/4端)来自于松紧架信号，以此和前部保持同步;卷轴1和卷轴2伺服控制变频器工作在转矩模式，具有内部卷径计算功能，能对通过CAN总线由PLC发送来的张力给定信息和由张力传感器送来的实际张力信息进行闭环控制。无须对卷轴1和卷轴2实行专门的速度控制，它们能够自动的将其线速度浮动到需要的数值。卷轴1和卷轴2交替工作，实现连续的卷绕，由LENZE-8215变频器(图中没有画出)驱动的换轴电机完成换轴功能。CAN总线还将伺服控制变频器计算出的卷径信息发送到PLC，由PLC据此完成张力给定的计算。卷绕部分对卷轴的要求是内紧外松，这就要求初始张力大，随着卷径的变大，张力按照某种规律逐渐变小。
6 结束语
现在的纺织印染设备使用了大量的高新技术, 变频器、工控机、现场总线、各种传感器、计算机网络等在纺织印染设备上已经普遍使用, 纺织机械在向数字化方向发展。虽然行业是劳动力密集型的, 但设备是技术密集型的。这种变化还在继续中, 总有一天, 会甩掉劳动力密集型的行业帽子。