摘 要：造紙行業(yè)是我國的基礎(chǔ)工業(yè)之一，國內(nèi)紙漿造紙企業(yè)數(shù)量大、分布廣，在整個國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。造紙變頻的最主要應(yīng)用是多電機(jī)分部傳動和風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載。本文分析了造紙行業(yè)的變頻應(yīng)用情況和改造前景。 關(guān)鍵字：變頻器 造紙 應(yīng)用 分析 一、造紙行業(yè)的應(yīng)用背景 造紙行業(yè)是我國的基礎(chǔ)工業(yè)之一，國內(nèi)紙漿造紙企業(yè)數(shù)量大、分布廣，在整個國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。 造紙變頻的最主要應(yīng)用是多電機(jī)分部傳動。由于老式紙機(jī)很多采用單直流電機(jī)傳動，且通過機(jī)械分配轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行調(diào)速，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常由于機(jī)械磨損、皮帶的打滑等因素造成速度匹配失調(diào)，容易形成斷紙、厚薄不均等現(xiàn)象，同時由于現(xiàn)場高溫潮濕而使電機(jī)維護(hù)量增加。為了優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，很多現(xiàn)場已將其改為多電機(jī)分部傳動，即取消直流電機(jī)及其動力的機(jī)械傳動部分，在每一個傳動分部安裝交流電機(jī)并配置相應(yīng)的變頻器，同時采用交流多點(diǎn)傳動方式，結(jié)合速度控制、張力控制、負(fù)荷控制等不同的方式進(jìn)行傳動配置。為了生產(chǎn)過程中紙頁特性變化的需要，造紙機(jī)的分部傳動除了保證高精度的同步控制外，還必須能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)車速，且各個分部的速度能單獨(dú)調(diào)節(jié)。 同時，造紙行業(yè)也是風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載的大戶，而且該類負(fù)載的運(yùn)行時間都是連續(xù)的，各個廠家是根據(jù)實(shí)際的工作情況，需要對風(fēng)機(jī)、水泵的負(fù)載作不同程度的調(diào)節(jié)，這就使變頻器在造紙行業(yè)的應(yīng)用而為企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益。 二、造紙行業(yè)變頻器的應(yīng)用分析 1、造紙產(chǎn)能 中國造紙工業(yè)有效生產(chǎn)能力自1990年以來，特別是自1995年以來一直在持續(xù)增長。據(jù)中國造紙協(xié)會對綜合信息資料調(diào)查，2004年全國紙及紙板生產(chǎn)企業(yè)約有3500家，全國紙及紙板生產(chǎn)量4950萬噸，較上年4300萬噸增長15.1％。消費(fèi)量5439萬噸，較上年4806萬噸增長13.2％，人均年消費(fèi)量為42公斤，比上年增長5公斤。從2004年的生產(chǎn)和消費(fèi)形勢分析來看，全年生產(chǎn)和消費(fèi)均呈現(xiàn)升高的走勢，并保持了較高速度增長。特別是紙及紙板生產(chǎn)增量650萬噸，達(dá)歷年最高。生產(chǎn)量增幅較大的主要品種有新聞紙、輕量涂布紙、銅版紙、涂布白紙板、箱紙板、瓦楞原紙等。消費(fèi)量增幅較大的主要品種有：新聞紙、輕量涂布紙、銅版紙、書寫紙、箱紙板、涂布白紙板、瓦楞原紙等。 假設(shè)我國在今后一段時間內(nèi)GDP總量以年均7%的速度遞增，同時，取過去12年的年均人口增長率0.91%作為今后的年人口凈增長率，到2010年，我國的人均GDP達(dá)到13890元人民幣，屆時人均耗紙量可上升到60公斤?？梢灶A(yù)測，到2010年，總消費(fèi)量將達(dá)6900萬噸。而在今后的幾年中，還將會有近1000萬噸的新增生產(chǎn)能力。屆時，我國造紙工業(yè)的生產(chǎn)能力總和將會達(dá)到近5500萬噸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自從2000年以來，全球生產(chǎn)的大型造紙機(jī)有1/2都安裝在中國。目前，高檔紙機(jī)在國內(nèi)市場的占有率為33％，而且基本上以國際造紙機(jī)械巨頭如VOITH、METSO、ANDRITZ等為主。 2、造紙變頻器的容量 由于目前的新增紙機(jī)的傳動設(shè)備已經(jīng)有80%以上采用交流傳動變頻器，所以在今后每年新增的300-400萬的產(chǎn)量中，每年的紙機(jī)傳動裝機(jī)容量將非?？捎^。 我們以某廠引進(jìn)的VOITH產(chǎn)的17.5萬噸/年的紙板機(jī)的裝機(jī)容量為例，它的紙品為雙面涂布白板紙，其幅寬4.2米，包括四層網(wǎng)部、四道壓榨、10組烘缸、1組冷缸、1組施膠壓榨、3道雙輥壓光、4組氣刀涂布、1個卷紙部等，共計(jì)72個傳動，設(shè)計(jì)克重120-500、車速600米/分，其紙機(jī)分部傳動（就是指72個紙機(jī)傳動）的變頻容量總計(jì)為5490KW。由此可以計(jì)算出通用的噸紙傳動容量計(jì)算為31W，那么我們就可以概算出今后每年的變頻裝機(jī)容量大約為9萬KW左右。以紙機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1KW/2000RMB的計(jì)算，共計(jì)有1.8億左右的紙機(jī)主傳動市場。當(dāng)然在這里面，變頻器品牌基本上是由國外主要生產(chǎn)廠商ABB、SIEMENS、AB、YASKAWA、三菱等占主導(dǎo)地位。 從目前情況看，我國所有造紙制漿機(jī)械的生產(chǎn)能力大概在35～45萬噸/年，2004年的制漿造紙?jiān)O(shè)備制造業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值為56.9億元，國內(nèi)的市場份額大概不到1/4，其余將全部是國外的造紙機(jī)械商所占有。 我們也同時注意到高檔紙機(jī)的增加量將達(dá)到歷史的最高峰，幅寬的增大和車速的快速提高都促使在新增的紙機(jī)裝機(jī)中大量使用最新的高檔矢量型或DTC控制型變頻器，而目前國內(nèi)相應(yīng)的成熟變頻器基本沒有，所以大部分為進(jìn)口品牌所擁有，國內(nèi)品牌的份額不到5%。當(dāng)然我們也注意到，由于中國日益成為世界工廠，由中國制造的變頻器將逐漸走向已經(jīng)有本地化機(jī)構(gòu)的國際紙機(jī)機(jī)械廠家（如美卓紙業(yè)、VOITH紙業(yè)）的高檔造紙機(jī)。 目前在紙機(jī)分部傳動上使用的變頻器必須能同時具備以下特性：（1）調(diào)速范圍寬，在全速度范圍內(nèi)，效率必須在90%以上；（2）功率因數(shù)高于0.9以上；（3）輸入諧波電流總失真小于3%；（4）采用可靠性高、技術(shù)成熟的標(biāo)準(zhǔn)器件IGBT；（5）能減少輸出諧波分量并有效降低dv/dt噪音和轉(zhuǎn)矩脈動的效果；（6）利用通訊功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速串行傳輸。 三、造紙行業(yè)變頻傳動配置的發(fā)展趨勢 造紙是一個連續(xù)生產(chǎn)的過程，因此生產(chǎn)線的連續(xù)和有序控制成為了制約成品紙質(zhì)量和產(chǎn)量的瓶頸。變頻調(diào)速作為目前來說最強(qiáng)有力的控制方式進(jìn)入了原本屬于直流調(diào)速（適用于大中紙機(jī)）和滑差電機(jī)（適用于中小紙機(jī)）天下的造紙領(lǐng)域，并已近取得良好的市場效果。 目前，國際上先進(jìn)的造紙機(jī)都朝高效率、低消耗方向發(fā)展，這是市場競爭的需要。而目前有很多正在運(yùn)行的造紙機(jī)在這方面則處于劣勢，有必要進(jìn)行技術(shù)改造進(jìn)行升級；而對于造紙機(jī)械的廠家也必須迎頭趕上，從設(shè)計(jì)的源頭進(jìn)行性能提升。 傳動作為造紙機(jī)的核心部分，其發(fā)展要求是提高車速和自動化程度?，F(xiàn)在運(yùn)行中的一些國產(chǎn)造紙機(jī)，最快的只有500-600米/分，而國外造紙機(jī)運(yùn)行速度已達(dá)1600-1800米/分，某些甚至超過2000米/分，差距甚大。車速越快效率則越高。同時目前國產(chǎn)造紙機(jī)多為人工控制，即使是最新的國產(chǎn)造紙機(jī)，其自動控制紙機(jī)，其自動控制程度也不高，而國外大型造紙機(jī)，其自動化程度相當(dāng)高，隨著紙機(jī)的高速和大型化，靠人工控制已是很難的事。 在這里，我們將從著重闡述數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)、可控張力和轉(zhuǎn)矩、直接傳動系統(tǒng)三個不同的方面來闡述紙機(jī)傳動配置的發(fā)展趨勢。 1、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的造紙機(jī)傳動控制系統(tǒng) 目前的造紙機(jī)上，對于傳動的控制基本上有兩種：（1）模擬控制；（2）數(shù)字控制。 模擬控制的傳動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、容易操作作，對用戶技術(shù)方面要求不高，速度精度可以滿足用戶的需求，且穩(wěn)定可靠，同時具有速度統(tǒng)調(diào)、微調(diào)滿足生產(chǎn)工藝的要求，并可以根據(jù)負(fù)載結(jié)構(gòu)的變化，靈活的改變控制方式，它還有良好的顯示界面，操作者能夠?qū)嵤┛刂圃O(shè)備運(yùn)行狀況。但它只能適用低速紙機(jī)，且不易實(shí)現(xiàn)管控一體化。 數(shù)字控制的傳動控制系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用于線路較長、分部傳動數(shù)量較多的中大型高速紙機(jī)。它利用通訊方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全數(shù)字控制，抗干擾能力強(qiáng)、信號衰減差，分辨率高，可實(shí)現(xiàn)高精度控制，同時可以根據(jù)紙機(jī)工藝要求及負(fù)載情況控制更靈活。 無論是二級控制系統(tǒng)或者三級控制系統(tǒng)，全數(shù)字技術(shù)的運(yùn)用不但大幅度提高了紙機(jī)車速，而且減輕了工人勞動強(qiáng)度和減少了維修時間。使產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益大幅度提高。全數(shù)字分部傳動技術(shù)是模擬量控制技術(shù)和總軸傳動系統(tǒng)無法比擬的。 在目前傳動數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)中，PROFIBUS始終是最受歡迎的。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線特別適應(yīng)于需要快速響應(yīng)和數(shù)據(jù)交流量不大的現(xiàn)場，是一種開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)，并以標(biāo)準(zhǔn)化。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線有以下特點(diǎn)：經(jīng)過雙絞線或光纜的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、能進(jìn)行自動化系統(tǒng)的柔性和模塊化設(shè)計(jì)、節(jié)省接線費(fèi)用、最多125個節(jié)點(diǎn)、最大為12Mbit/s、響應(yīng)時間短、傳輸距離可達(dá)23.8Km、通過各種專用集成電路（ASIC）和接口模板、簡化設(shè)備的連接,PROFIBUS-DP是“全集成自化”的系統(tǒng)總線、世界上著名的可編程序控制器銷售商普遍認(rèn)識到作為現(xiàn)場層標(biāo)準(zhǔn)接口的PROFIBUS-DP的優(yōu)點(diǎn)?；谝陨显虮舅诩垯C(jī)的電氣控制上也大量采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線。 目前國內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的傳動系統(tǒng)主要有西安寶德自動化的WB-PDD-A系統(tǒng)、杭州華章電氣的HZ-AC3000系統(tǒng)、上海造紙電控所的SIED紙機(jī)電氣二級或三級控制系統(tǒng)等。 WB-PDD-A造紙機(jī)控制系統(tǒng)是針對2640/320低定量涂布造紙機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的，電氣傳動系統(tǒng)采用國際標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS，以1.5MH的通訊速率將西門子最新型S7-400PLC、6RA24全數(shù)字直流傳動裝置、OP37智能操作單元等構(gòu)成現(xiàn)場局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)造紙系統(tǒng)的張力、速度、負(fù)荷分配等各種參數(shù)的設(shè)定及控制，可對紙線中的任何一臺傳動裝置進(jìn)行啟動、停止、爬行、點(diǎn)動、松弛和張緊控制。系統(tǒng)環(huán)境為中文WIN95界面，應(yīng)用軟件采用西門子WINCC組態(tài)軟件。系統(tǒng)可對每一個傳動控制點(diǎn)的過程參數(shù)、故障狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時顯示、監(jiān)視、存儲及打印，并提供歷史趨勢圖及完成工藝參數(shù)的在線修改與保存。 HZ-AC3000造紙系統(tǒng)采用的是基于微處理器的速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)和張力環(huán)三環(huán)自動調(diào)整控制原理，在程序設(shè)定中可以自由調(diào)整加減速時間及最大/小速度值。速度閉環(huán)控制、負(fù)荷分配控制、轉(zhuǎn)矩/張力控制和松弛等構(gòu)成了一個開放式的樹狀速度鏈，它是整個傳動控制系統(tǒng)的核心，各種控制方式在這里得到了和諧的統(tǒng)一。對于濕部傳動控制，為了保證紙張的復(fù)合效果，決定網(wǎng)部的驅(qū)網(wǎng)輥采用速度閉環(huán)控制；同一網(wǎng)上的傳動點(diǎn)之間、相互接觸的壓榨輥之間采用負(fù)荷分配。而對于干部傳動控制。由于干部的紙張已經(jīng)建立了張力，所以，干部的控制以張力為目標(biāo)。對張力容易發(fā)生變化的區(qū)域內(nèi)的傳動點(diǎn)采用轉(zhuǎn)矩/張力控制，而對張力不容易發(fā)生變化的區(qū)域內(nèi)的傳動點(diǎn)則采用速度閉環(huán)控制。HZ-3000控制網(wǎng)絡(luò)還提供了系統(tǒng)連鎖（安全連鎖、工藝連鎖、起動連鎖、停機(jī)連鎖、斷紙連鎖、故障連鎖等）和系統(tǒng)保護(hù)（相序監(jiān)測、缺相監(jiān)測、欠壓監(jiān)測、過壓監(jiān)測、瞬間過流保護(hù)、長時過流保護(hù)、編碼器信號丟失報(bào)警和保護(hù)、超頻、超速報(bào)警和保護(hù)、接地故障報(bào)警、通訊故障報(bào)警等）。由于在紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)中采用了通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，紙機(jī)各傳動分部的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)連鎖信息能通過通訊網(wǎng)絡(luò)直接傳送到信息層網(wǎng)絡(luò)，即以太網(wǎng)。而以太網(wǎng)采用公開的通訊協(xié)議（EtherNetIP），因此能將數(shù)據(jù)傳送給其它系統(tǒng)（如MCS、DCS和QCS系統(tǒng)）。 SIED造紙系統(tǒng)包括三部分：（1）工業(yè)PC機(jī)并預(yù)裝先進(jìn)的工控軟件作為上機(jī)，用于過程、生產(chǎn)流程、機(jī)械和設(shè)備的可視化操作。通過MPI（多點(diǎn)接口）與PLC主站通訊。（2）PLC主站采用先進(jìn)的高性能PLC系統(tǒng)配置，并提供標(biāo)準(zhǔn)工具及軟件對硬件進(jìn)行配置、參數(shù)設(shè)置、編程、操作、診斷。通過PROFIBUS-DP接口連接到現(xiàn)場級PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)上，以12Mbit/s的通訊速度與下一級HMI人機(jī)界面或傳動控制裝置通訊。（3）HMI人機(jī)界面或傳動控制裝置通過PROFIBUS-DP接口連接到現(xiàn)場PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)上。HMI人機(jī)界面或傳動控制裝置完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，并通過現(xiàn)場級PROFIBUS——DP網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)和接受PLC主站指令并向PLC主站發(fā)送數(shù)據(jù)。 2、可控張力和轉(zhuǎn)矩 在紙和紙板工業(yè)生產(chǎn)中，通常都需要進(jìn)行張力和卷取控制，以生產(chǎn)符合要求的紙材，如超級壓光機(jī)、復(fù)卷機(jī)、機(jī)外涂布機(jī)、切紙機(jī)等。目前，矢量變頻器對于轉(zhuǎn)矩和張力的控制已經(jīng)可以基本滿足造紙生產(chǎn)工藝的要求，其采用的方式主要有兩種：閉環(huán)張力控制和開環(huán)張力控制。 張力閉環(huán)，是通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力的設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，然后調(diào)整變頻器的輸出頻率命令（速度模式）或輸出轉(zhuǎn)矩指令（轉(zhuǎn)矩模式）。此方案可以適用于高精度的張力控制場合，如復(fù)卷機(jī)的張力控制。 但對于要求并不要求嚴(yán)格、又要求性價(jià)比高的收卷來說，可以采用比較實(shí)用的矢量變頻器限轉(zhuǎn)矩方法，可以省去張力傳感器、PID控制器，而只需要簡單的變頻器加PLC控制即可。在這種控制方式下，實(shí)際張力還是必須要知道的，無非它是通過變頻器內(nèi)部的檢測和計(jì)算來獲取的，從而省去張力檢測裝置，降低了系統(tǒng)的成本和難度。 矢量控制的變頻器是通過對電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，可以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行。 就目前的技術(shù)而言，具有收卷和放卷控制的變頻器已經(jīng)在紙機(jī)傳動的很多設(shè)備進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，并以簡介的配置和靈活的應(yīng)用獲得了用戶的好評。 3、直接傳動系統(tǒng) ABB從事紙機(jī)傳動系統(tǒng)的供應(yīng)已經(jīng)有100年的歷史了。初期是采用長軸傳動，在上世紀(jì)六十年代開始被直流分部傳動所替代。1983年，ABB公司第一個將交流的分部傳動概念運(yùn)用到紙機(jī)工業(yè)中。現(xiàn)在看來，所有的新紙機(jī)和大部分的紙機(jī)改造會采用交流分部傳動。 為了更大程度上提高可靠性和降低運(yùn)行周期成本，ABB在20世紀(jì)90年代中期開始著手發(fā)展一個新的紙機(jī)傳動系統(tǒng)。其目標(biāo)就是將一個高轉(zhuǎn)矩直接耦合到紙機(jī)的傳動端，從而可以在大部分情況下省去傳動電機(jī)和紙機(jī)部分耦合的機(jī)械部分（如齒輪箱等）。 新一代紙機(jī)傳動的第一個例子是在1999年中期在芬蘭的一家紙機(jī)上，它已經(jīng)成功運(yùn)行到現(xiàn)在。該傳動的功率是在234轉(zhuǎn)/分時輸出90KW。ABB其實(shí)是用“虛擬的數(shù)字齒輪箱”來替代了真正的機(jī)械齒輪箱。 在直接傳動系統(tǒng)中，馬達(dá)是通過一個傳統(tǒng)的低速連接器直接耦合到紙機(jī)部分的。該電機(jī)是同步永磁電動機(jī)。ABB能提供這種專為紙機(jī)配套的系列電機(jī)產(chǎn)品。傳動柜通常是由ABB的ACS600/800變頻器組成的。關(guān)于變頻器的硬件組成是與傳統(tǒng)的交流異步傳動一致的，都可以采用風(fēng)冷和水冷。而軟件的設(shè)計(jì)則是專用的永磁電機(jī)驅(qū)動軟件。同步電機(jī)允許在紙機(jī)上采用無編碼器的運(yùn)行方式。傳動部分的控制系統(tǒng)、應(yīng)用軟件以及人機(jī)界面的控制這幾部分都是跟ABB在紙機(jī)上的解決方案一致。因此，直接傳動能與其他的ABB傳動方案同時并列運(yùn)行，而且ACS600/800無須更換就可以升級到新的直接傳動系統(tǒng)。 隨著直接傳動技術(shù)的發(fā)展，一個更簡單的紙機(jī)傳動系統(tǒng)現(xiàn)在看來已經(jīng)可以出現(xiàn)在人們的面前。 在通常的紙機(jī)傳動中，齒輪電機(jī)的速度通常都是在1500轉(zhuǎn)/分到1800轉(zhuǎn)/分。然后通過選擇合適的齒輪比就可以獲取合適的紙機(jī)運(yùn)行速度。而在直接傳動中，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速通常是在300轉(zhuǎn)/分到600轉(zhuǎn)/分。使用一個傳統(tǒng)的異步電機(jī)在此速度下運(yùn)行，電機(jī)的尺寸將至少會是現(xiàn)在的2倍。很明顯這樣既不實(shí)用也不有效，因此這也是我們要發(fā)展新電機(jī)的一個原因。在新的永磁電機(jī)中，用永磁體替代了異步電機(jī)的鼠籠式導(dǎo)體。 在新的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中，已經(jīng)充分注意到降低轉(zhuǎn)矩諧振以滿足紙機(jī)運(yùn)行所需要的光滑轉(zhuǎn)矩特性。既然轉(zhuǎn)子是實(shí)際上不耗能的，電機(jī)就能設(shè)計(jì)成更高的功率段，而且允許有更高的定子能量損耗。由于轉(zhuǎn)子是永磁體，定子電流不再需要用做轉(zhuǎn)子的勵磁部分，因此能夠產(chǎn)生更有效的轉(zhuǎn)矩。幾乎由定子產(chǎn)生的損耗如采用水冷式還能達(dá)到更高的負(fù)載穩(wěn)定性能。 用戶將從直接傳動中獲益，采用直接傳動的好處主要有： （1）由于采用更少的機(jī)械傳動部件可以使工廠節(jié)省工程施工成本和安裝費(fèi)用； （2）直接采用同步電機(jī)，降低了轉(zhuǎn)矩脈動，能更好地保證紙機(jī)運(yùn)行可靠性； （3）更少的機(jī)械傳動部件和省去了編碼器使得紙機(jī)具有更高的可靠性； （4）由于采用更少的零部件使得系統(tǒng)更加簡單，維修成本也大為降低； （5）更低的能量損耗。 幾年前ABB公司就已經(jīng)與一家叫RSO的咨詢公司合作開展對將傳統(tǒng)的齒輪傳動更換直接傳動后節(jié)能的研究，這里就講講當(dāng)時這項(xiàng)研究的主要部分。這項(xiàng)課題的研究方向就是針對一個現(xiàn)代的、高容量的紙機(jī)。運(yùn)行成本的節(jié)省是從用戶的觀點(diǎn)出發(fā)來考慮的。運(yùn)行成本的節(jié)省包括在齒輪箱、聯(lián)結(jié)器、附件和備件以及齒輪的附件系統(tǒng)。在建筑結(jié)構(gòu)的投資、相關(guān)的工程施工工作等也需要計(jì)算在內(nèi)。所有者的費(fèi)用能分為運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用以及所引起的其他費(fèi)用。直接傳動系統(tǒng)省去了齒輪箱，尺寸的減少也可以節(jié)省廠房空間和傳動的基礎(chǔ)部分。對紙機(jī)部分的影響也同時省去了對該部分進(jìn)行計(jì)劃的成本。在對齒輪箱傳動改造后可以騰出更多的空間來放置新的設(shè)備。影響紙機(jī)的因素包括地面設(shè)備的安置、電氣室的配置和其他的電氣設(shè)備等，同時也包括了維護(hù)人員日常的巡檢通道、排風(fēng)機(jī)的通風(fēng)等。間接的受益還包括提供了一個更大的工作空間。研究的結(jié)果表明總的費(fèi)用節(jié)省大概是一臺相同規(guī)模紙機(jī)，20%是來自獲得的節(jié)省額，80%是用戶的成本。 四、造紙行業(yè)變頻改造的前景 我們在關(guān)注新增紙機(jī)產(chǎn)能的同時，我們也必須注意到現(xiàn)有紙機(jī)的改造一塊。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，我國擁有3780多萬噸生產(chǎn)能力，單機(jī)生產(chǎn)能力在5萬噸以上以及紙板機(jī)生產(chǎn)能力在10萬噸以上的不足三分之一，尚有三分之二以上的生產(chǎn)能力需要投入巨資改造，其中至少三分之一的紙機(jī)需要部分或全部更換原來的傳動部分（包括機(jī)械齒輪箱和電機(jī)傳動），以提高車速或降低能耗。事實(shí)已經(jīng)證明造紙企業(yè)是高能耗企業(yè)，據(jù)多年的數(shù)字統(tǒng)計(jì)，每噸紙所耗電能都在500度以上，電力消耗十分嚴(yán)重。 在今后五年間大約有40～60萬KW制漿造紙?jiān)O(shè)備的裝機(jī)功率需要投入改造。按改造系統(tǒng)1KW/1500RMB的計(jì)算，會將近有6～9億左右的變頻器市場，由于原本涉及國內(nèi)本地化改造項(xiàng)目，將會有相當(dāng)數(shù)量地采用國產(chǎn)變頻器，因此這將是國產(chǎn)變頻器可以角逐的天地，市場潛力巨大，應(yīng)該引起足夠重視。 1、紙機(jī)分部傳動的變頻改造 造紙是一個連續(xù)生產(chǎn)的過程，因此生產(chǎn)線的連續(xù)和有序控制成為了制約成品紙質(zhì)量和產(chǎn)量的瓶頸。直流調(diào)速系統(tǒng)在紙機(jī)的發(fā)展史上占有重要的地位，但由于直流電機(jī)存在維護(hù)難、抗環(huán)境能力差，主要表現(xiàn)如下：1.整流子磨損嚴(yán)重,燒毀整流子的故障,導(dǎo)致停機(jī)時間長；2.直流電機(jī)維修困難多,要求高,修理費(fèi)用也高；3.測速發(fā)電機(jī)易磨損，造成傳動系統(tǒng)精度低；4.直流調(diào)速控制系統(tǒng)復(fù)雜,調(diào)試?yán)щy,一般技工很難調(diào)出好的機(jī)器。 目前我國造紙機(jī)分部傳動設(shè)備，以前采用SCR直流調(diào)速方式，由于存在滑環(huán)和炭刷造成可靠性和精度不高，從而導(dǎo)致紙機(jī)的機(jī)械落后，最高車速也只有200m/min左右，很難同國外的1000m/min的高速紙機(jī)相比。 紙機(jī)傳動的變頻改造有非常好的效果，如從工藝上改善紙品、增加產(chǎn)能、降低能耗、延長停機(jī)檢修周期。為了生產(chǎn)過程紙頁特性變化的需要，紙機(jī)的變頻傳動能夠保證在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)車速，且各個分部的速度能單獨(dú)調(diào)節(jié)。 2、造紙附屬設(shè)備的變頻改造 造紙機(jī)的輔助設(shè)施包括以下幾個系統(tǒng)：供漿系統(tǒng)、白水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、化學(xué)品制備及傳送系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)等。為了使造紙機(jī)能夠連續(xù)均衡地運(yùn)轉(zhuǎn)，它的輔助設(shè)施能力，一般應(yīng)超過造紙機(jī)的最大生產(chǎn)能力的15%-30%。 該處應(yīng)用尚未引起足夠重視，這也是提高變頻器份額的最有效手段和方法。 A、供漿系統(tǒng)的變頻應(yīng)用 供漿系統(tǒng)必須滿足下列幾個條件：（1）向造紙機(jī)輸送的漿料要穩(wěn)定，誤差不能超過±5%；（2）漿料的配比和濃度要穩(wěn)定均勻；（3）貯備一定的漿料量，使供漿能力可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)造紙機(jī)車速和品種的改變；（4）對漿料進(jìn)行凈化精選；（5）處理造紙機(jī)各部分損紙。 通常情況下，供漿系統(tǒng)由供漿管路的漿泵、沖漿泵和凈化設(shè)施的壓力篩、除渣器組成，要達(dá)成以上五點(diǎn)目的，最主要就是要對漿泵和沖漿泵從全速運(yùn)行變?yōu)榭伤俣日{(diào)節(jié)變頻運(yùn)行，最終滿足供漿自動化。 B、壓縮空氣系統(tǒng)的變頻應(yīng)用 壓縮空氣常用于造紙機(jī)網(wǎng)部與壓榨部的氣動加壓升降裝置、網(wǎng)毯的校正裝置、氣墊式流漿箱、引紙?jiān)O(shè)備、涂布?xì)獾兑约案鞣N氣動儀表和調(diào)節(jié)裝置等處。 壓縮空氣系統(tǒng)中，主要設(shè)備有空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、減壓閥、空氣過濾器、汽水分離器及安全閥等，造紙機(jī)上通常壓力需要為5-6BAR左右。在大多數(shù)紙廠中，都通過2臺以上的空壓機(jī)并列運(yùn)行，然后通過儲氣罐來保持壓力恒定。 由于壓縮機(jī)功率較大且控制壓力一般都通過加載或卸載來調(diào)節(jié)，電動機(jī)始終處于全速運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)踐表明該控制方式耗能巨大，浪費(fèi)嚴(yán)重。所以目前都已趨向產(chǎn)用一臺變頻多臺工頻的方式來控制壓縮機(jī)組，并組成壓力閉環(huán)。 C、化學(xué)品制備及傳送系統(tǒng)的變頻應(yīng)用 由于在脫墨、制漿、涂布、施膠等部位要用到大量的化學(xué)品，其使用的量與紙機(jī)多傳動的速度成正比，所以在化學(xué)品的傳送系統(tǒng)（如泵）必須采用無級交流調(diào)速系統(tǒng)，其首選為變頻器。主要是基于該化學(xué)品泵的功率較小，一般都在0.4KW-5.5KW之間，而這一功率段的變頻器的性能價(jià)格比已經(jīng)屬于最優(yōu)，多年前還在廣泛使用的電磁調(diào)速和無級調(diào)速齒輪泵都已經(jīng)面臨淘汰。根據(jù)最新市場統(tǒng)計(jì)，中等品牌的最低功率變頻器已經(jīng)跌至千元以下。 在化學(xué)品制備中要用到大量的研磨設(shè)備，如球磨、膠體磨、砂磨、高切變分散攪拌器等，他們最大的特點(diǎn)就是高功率、高耗能、使用環(huán)境惡劣。目前已經(jīng)有廠家在研磨設(shè)備上采用變頻器取得了良好的效果。 以砂磨機(jī)為例，其工作原理是將待研磨的涂料經(jīng)送料泵輸入筒體后，在高速旋轉(zhuǎn)的分散盤帶動下，遭到研磨介質(zhì)的強(qiáng)烈撞擊、研磨而被分散混合到溶劑中，制成合格的涂料，然后經(jīng)頂篩過濾流出。該設(shè)備的主電機(jī)為200KW，在未使用變頻器之前，通常是在啟動前期，采用點(diǎn)動方式多次（三次以上）重復(fù)以使涂料與研磨介質(zhì)混合均勻；針對不同的涂料，有時需要不同的工藝轉(zhuǎn)速，但實(shí)際上只能滿速運(yùn)行；無法掌握進(jìn)料量，來保證主電機(jī)不過載；耗能非常嚴(yán)重。而使用200KW變頻器就很好地解決了以上問題，可以方便地設(shè)置點(diǎn)動速度和慢速運(yùn)行時間，確保涂料與介質(zhì)混合達(dá)到最均勻；可以在線無級調(diào)速，不同品種使用不同的研磨速度；進(jìn)料量只要從電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行電流就可以來控制進(jìn)料量，且有過載預(yù)報(bào)警功能和免跳閘功能；節(jié)能率，一般可達(dá)20%以上；降低了齒輪箱的損耗，避免了工頻啟動對齒輪箱的沖擊；由于啟動時，電流平緩，避免了對電網(wǎng)的沖擊，提高了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。目前在山東、黑龍江、海南等地的造紙企業(yè)已經(jīng)有了小批量應(yīng)用。 D、通風(fēng)系統(tǒng)的變頻應(yīng)用 在烘干部，紙頁中蒸發(fā)出來的所有水汽被空氣吸收后，必須通過強(qiáng)制通風(fēng)不斷地從造紙車間排除。烘干部通風(fēng)良好與否，直接影響到紙頁中水分的蒸發(fā)速度和整個烘干過程的經(jīng)濟(jì)性；通風(fēng)良好，可降低空氣中的蒸汽飽和度，從而減低烘缸蒸汽的消耗量，提高烘干速度。 排除烘干部蒸發(fā)水量所必需的空氣量，與進(jìn)入以及排出的空氣溫度和濕度有關(guān)，也與采用的通風(fēng)系統(tǒng)、氣候條件和季節(jié)有關(guān)。通常，在現(xiàn)代紙機(jī)中采用強(qiáng)制的空氣循環(huán)以求高效，用進(jìn)氣鼓風(fēng)機(jī)將加熱到80度左右的干燥空氣送進(jìn)烘干部下層，使在烘缸之間吸附熱汽形成向上的氣流，然后通過排氣抽風(fēng)機(jī)將匯集在氣罩中的濕熱空氣抽出室外（最后回收余熱）。在高速紙機(jī)中，由于烘缸數(shù)量的增多，通常都分成幾段的鼓風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)組。采用變頻器之后，可以根據(jù)通風(fēng)空氣量的專家計(jì)算公式，隨時調(diào)節(jié)進(jìn)氣量（鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速）和排氣量（排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速），而無須采用傳統(tǒng)的風(fēng)門控制，進(jìn)一步降低能耗，降低風(fēng)機(jī)的噪音，提高機(jī)械壽命。 E、水系統(tǒng)的變頻應(yīng)用 紙機(jī)是個耗水大戶，包括白水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、密封水系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、清水系統(tǒng)等，通常情況下都需要用到管網(wǎng)恒壓力供水，但傳統(tǒng)的控壓都是通過旁路和調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行，很少用到變頻器。但是由于中國國內(nèi)水資源的普遍缺乏，而變頻器的應(yīng)用將可以節(jié)水10%和節(jié)能30%，必然會降低紙廠的日常運(yùn)行成本。 變頻器使用在水系統(tǒng)上通常有二種模式：即變頻固定方式、變頻循環(huán)方式。 變頻固定方式：變頻器變頻輸出固定控制一臺泵而其余各泵由工頻電網(wǎng)直接供電，它們的啟停信號由PLC進(jìn)行邏輯控制。 變頻循環(huán)方式：變頻器按照一定順序輪流驅(qū)動各泵運(yùn)行。變頻器能根據(jù)壓力閉環(huán)控制要求自動確定運(yùn)行泵臺數(shù)（在設(shè)定范圍內(nèi)），同一時刻只有一臺泵由變頻驅(qū)動。當(dāng)變頻器驅(qū)動的泵運(yùn)行到設(shè)定的上限頻率而需要增加泵時，變頻器將該泵切換到工頻運(yùn)行，同時驅(qū)動另一臺泵變頻運(yùn)行。 3、造紙行業(yè)配套設(shè)施的變頻改造 這里還必須提及造紙行業(yè)中與造紙相配套的如熱電廠與污水處理部分的變頻改造部分。 根據(jù)車間所需蒸汽量的變化，風(fēng)量時刻變化的，而且風(fēng)量調(diào)節(jié)都是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板實(shí)現(xiàn)的，這樣風(fēng)量調(diào)節(jié)方式不但使風(fēng)機(jī)的效率降低，也使很多電能消耗在擋板上，十分可惜。而且鍋爐操作室一般都遠(yuǎn)離鼓、引風(fēng)機(jī)，操作十分不方便，也難以調(diào)節(jié)得當(dāng)。如果采用變頻器來進(jìn)行閉環(huán)無級調(diào)速，能根據(jù)車間所需蒸汽量的變化而自動地調(diào)整鼓、引風(fēng)機(jī)風(fēng)量，使鍋爐燃燒在最佳狀態(tài)，使煤或油消耗減少到最小，達(dá)到理想的節(jié)能效果。 污水處理的機(jī)電設(shè)備一般包括以下幾個方面：（1）生化處理系列：微孔曝氣系統(tǒng)等；（2）污泥處理系列：加藥系統(tǒng)、濃縮機(jī)、帶式壓濾濃縮一體機(jī)、板框壓濾機(jī)、臥式螺旋離心分離機(jī)等；（3）消毒處理系列：加氯機(jī)、紫外線污水處理器、排架式紫外線消毒器等；（4）排泥設(shè)備系列：刮泥機(jī)、吸砂機(jī)等。從實(shí)際應(yīng)用來看，基本上每種處理方式都需要用到變頻器或者應(yīng)用變頻后有明顯改善作用。 六、結(jié)束語 隨著我國紙業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和快速增長期的巨大市場需求，制漿造紙?jiān)O(shè)備業(yè)在今后仍將以很高的速度增長并呈現(xiàn)出跨越式的技術(shù)進(jìn)步，變頻器作為設(shè)備傳動的核心部件也將迎來新的春天。