[論文摘要] 本文根據(jù)高速彈力絲機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)的技術(shù)要求，簡介FK6-900直流調(diào)速和復(fù)雜的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)存在缺點(diǎn)之后，推出全新的FK6A-900交流變頻調(diào)速，采用稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。文中介紹了電氣設(shè)計(jì)和控制框圖以及實(shí)際使用中的收益。 1、概述 FK6系列彈力絲機(jī)是一種將聚酯予取向絲（POY絲）進(jìn)行拉伸假捻變形成彈力絲（DTY絲）的設(shè)備，是POY絲后加工設(shè)備，是江蘇宏源紡機(jī)集團(tuán)股份公司與德國Barmag公司于八十年代初技貿(mào)合作產(chǎn)品，在目前國內(nèi)市場銷售量已超過400臺(tái)。該產(chǎn)品的傳動(dòng)系統(tǒng)原來采用直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這種直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，由于直流電機(jī)（進(jìn)口或國產(chǎn)）的維護(hù)周期短，電機(jī)維護(hù)費(fèi)用大；加之控制板品種多，備件缺乏，且備件價(jià)格昂貴；要求電氣維修人員技術(shù)水平高，維護(hù)工作量大；而且機(jī)械齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，改變工藝時(shí)，必須停機(jī)變換工藝齒（帶）輪，用戶必須配備幾十種工藝帶（齒）輪，調(diào)換工作極不方便。根據(jù)電氣傳動(dòng)及控制技術(shù)的發(fā)展，并且為了適應(yīng)用戶市場小批量、多品種的工藝變化，通過市場調(diào)研，宏源公司于一九九六年底決定對(duì)該機(jī)的傳動(dòng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行重新開發(fā)研制，采用同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制（機(jī)器型號(hào)為FK6A-900），取代原直流電機(jī)速度控制（ 機(jī)器型號(hào)為FK6-900），割除工藝帶（齒）輪。大大簡化傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)，減少了加工及裝配工作量, 提高了系統(tǒng)可靠性，降低了制造成本，節(jié)約了能源消耗，取得了新產(chǎn)品開發(fā)研制的成功。 2、FK6A-900型高速彈力絲機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 2.1 FK6-900高速彈力絲機(jī)主要羅拉傳動(dòng)如圖1 A、B面為對(duì)稱。 　 W1（上喂入輥）、W2（中喂入輥）、W3（下喂入輥）、W4（卷繞輥）4檔羅拉采用35kw 直流 電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上安裝脈沖發(fā)生器。 　 工藝參數(shù)調(diào)整： 　 W2/W1，W3/W2，W4/W2均通過工藝帶輪完成。 　 W5（橫動(dòng)輥）采用11kw直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 　 W6（假捻器龍帶輥）采用2×22kw直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 2.2 FK6A-900高速彈力絲機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)方案的選擇 由于電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器可靠性影響很大，因此選擇電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)要充分考慮到系統(tǒng)的傳動(dòng)控制要求、工作環(huán)境、運(yùn)行可靠性。 （1） 企標(biāo)要求 根據(jù)FK6-900企標(biāo)Q/32021LG112-1997（企標(biāo)參考Barmag公司標(biāo)準(zhǔn)而制定，目前尚無國標(biāo)和部標(biāo)），標(biāo)準(zhǔn)要求： 1） W2的速度范圍（以W2的線速度為機(jī)器基準(zhǔn)速度。）：慢速100-300m/min，生產(chǎn)速度300- 900m/min，慢速用于機(jī)器調(diào)試及檢修，生產(chǎn)紡絲速度為500-800m/min。 故FK6A-900調(diào)速范圍 D=9:1（10:1）。 　 2） 各羅拉軸速度精度為±0.5% 3） 根據(jù)企標(biāo)及FK6-900機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)，確定FK6A-900型機(jī)工藝調(diào)整范圍設(shè)計(jì)要求： 　 W2/W1牽伸倍數(shù)： 范圍1.50 - 4.00； 　 W3對(duì)W2欠喂率： 范圍 0 - -15. 0%； 　 W4對(duì)W2欠喂率： 范圍 0 - -15. 0%； 　 卷繞（W4）交叉角（2α）： 范圍17°- 40°； 　 橫動(dòng)（W5）運(yùn)動(dòng)：除了橫動(dòng)輥與卷繞輥之間保持一定比例外，干擾三角波幅 度 0-±5%； 　 摩擦盤（W6）線速度與W2線速度之比D/Y： 范圍1.50 - 2.50。 （2） 變頻調(diào)速控制方案的選擇 既然放棄直流調(diào)速方案，當(dāng)然應(yīng)采用目前先進(jìn)的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速方案?？墒?，究竟采用何種控制方式的變頻調(diào)速呢？ 概括起來有四種變頻控制方式： 1）異步電動(dòng)機(jī)開環(huán)變頻系統(tǒng)； 　 2）無速度傳感器異步電動(dòng)機(jī)開環(huán)矢量變頻系統(tǒng)； 　 3）有速度傳感器異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)矢量變頻系統(tǒng)； 　 4）同步電動(dòng)機(jī)開環(huán)變頻系統(tǒng)。 綜上四種變頻調(diào)速控制方案，異步電動(dòng)機(jī)開環(huán)變頻調(diào)速達(dá)不到0.5%精度不能選用。異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速雖可滿足工藝調(diào)速精度要求，但由于加反饋使系統(tǒng)復(fù)雜化，可靠性降低，況且價(jià)格不低。異步電動(dòng)機(jī)采用矢量型變頻器開環(huán)控制時(shí)，系統(tǒng)精度僅達(dá)1%，無法滿足該系統(tǒng)要求。因此若達(dá)到0.5%速度精度要求，必須采用變頻器數(shù)字量設(shè)定，同時(shí)采用編碼器閉環(huán)反饋，增加控制環(huán)節(jié)，而且目前有的變頻器通訊和反饋不能同時(shí)使用，就給這個(gè)系統(tǒng)控制閉環(huán)控制造成一定局限性。我們也可采用帶有高速計(jì)數(shù)通道PLC進(jìn)行大閉環(huán)速度調(diào)整，但精度和實(shí)時(shí)性差一些。同時(shí)要考慮到編碼器PLC高速計(jì)數(shù)通道的響應(yīng)匹配，增加軟件編制工作量。同時(shí)使用控制中P、I、D參數(shù)要通過現(xiàn)場實(shí)際控制來調(diào)節(jié)，以達(dá)到較好的效果。從價(jià)格方面考慮，11kw以下同步電機(jī)的開環(huán)控制與同功率異步變頻閉環(huán)控制成本相近。另外稀土永磁同步電機(jī)功率因數(shù)和效率較高，整機(jī)傳動(dòng)功率降低，功耗降低約10%，約5kw，降低用戶成本。最終選用稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，其理由如下： 　 1） PM.SM轉(zhuǎn)速精度在開環(huán)控制下，很容易達(dá)到0.5-0.01%，系統(tǒng)簡單可靠； 　 2） PM.SM效率高，力率良。比較異步電動(dòng)機(jī)可節(jié)能4-10%； 　 3） FK6A-900高速彈力絲機(jī)有7個(gè)同步（比例同步）變頻傳動(dòng)，非常容易實(shí)現(xiàn)共用直流電源的 7臺(tái)逆變器方案（它是最簡單最理想的方案）； 　 4） PM.SM雖比異電動(dòng)機(jī)貴些（1/3-1/2），但比進(jìn)口專用變頻異步電動(dòng)機(jī)還便宜一些。 　 根據(jù) FK6A-900型機(jī)所要求速度范圍和精度要求，并根據(jù)市場調(diào)研和電機(jī)制造廠進(jìn)行技術(shù)交流，性能、價(jià)格比較，決定W1、W2、W3、W4選用浙江中源電氣有限公司TYBZ系列三相交流變頻稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻開環(huán)控制。同步電動(dòng)機(jī)，采用高性能稀土永磁材料作為同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率和功率因素高，調(diào)速精度高，調(diào)速范圍大，輸出特性硬，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，在開環(huán)控制下可取得很高的調(diào)速精度。該類電機(jī)曾在我公司ASKV612型牽伸機(jī)上使用，用戶運(yùn)行一年多，電機(jī)無出現(xiàn)任何故障。該種電機(jī)安裝機(jī)座號(hào)與相同功率異步電動(dòng)機(jī)相同，我們與電機(jī)廠簽定詳細(xì)技術(shù)要求和質(zhì)量保證。主要的技術(shù)要求為：功率、極數(shù)、頻率范圍、V/F比關(guān)系、絕緣等級(jí)（F級(jí)）、熱敏電阻（PTC）保護(hù)、電機(jī)軸承質(zhì)量（進(jìn)口）等。W5、W6和W7采用異步變頻電機(jī)閉環(huán)控制。 　 表1為四種方案比較。 表1 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速各種控制方案及性能比較一覽表 [注] VVVF——變頻器, IM——異步機(jī), PM.SM——永磁同步機(jī), VVVFV——矢量變頻器 ★——適用（能）, ▲——不適用（不能） 3 FK6A-900型變頻調(diào)速系統(tǒng)圖，如圖2所示。 [align=center]圖2 FK6A-900高速彈力絲機(jī)交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 控制框圖如圖3[/align] 　 說明： 　 人機(jī)界面采用西門子TP-27觸摸屏，進(jìn)行各種工藝參數(shù)設(shè)置、顯示及故障報(bào)警。觸摸屏與PLC進(jìn)行通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。PLC是控制核心，與W5 、W6變頻器進(jìn)行數(shù)字通訊來設(shè)置變頻器，如頻率參數(shù)，同時(shí)可從變頻器讀出部分參數(shù)如頻率、轉(zhuǎn)速、電流等參數(shù)。整個(gè)控制系統(tǒng)具有數(shù)字化、智能化、操作簡便、人機(jī)對(duì)話方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。 4、稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的選用 　 FK6A-900高速彈力絲機(jī)采用永磁同步電動(dòng)機(jī)開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)中有二大關(guān)鍵設(shè)備-變頻器和永磁同步電動(dòng)機(jī)的選用。 　 采用同步電機(jī)變頻器開環(huán)控制，控制系統(tǒng)簡單，系統(tǒng)的速度精度、穩(wěn)定度完全取決于變頻器的精度和穩(wěn)定度。采用西門子MDC.VC系列、三墾MF.IF系列或富士G9P9和VG5、三菱FR-540等系列矢量變頻器開環(huán)控制時(shí)，同時(shí)采用數(shù)字量設(shè)定，系統(tǒng)精度可達(dá)0.1%，完全可以滿足該機(jī)的精度要求。 　 至于同步電動(dòng)機(jī)選用浙江中源電氣有限公司生產(chǎn)的TYBZ系列稀土永磁同步電動(dòng)機(jī),除了實(shí)際使用穩(wěn)定可靠之外,其優(yōu)點(diǎn)如下： 　 （1） 采用了第三代稀土永磁材料。磁密度高，磁能積大，溫度系數(shù)小及不易退磁等特點(diǎn)； 　 （2） 轉(zhuǎn)子永久磁鋼嵌入方法做了改進(jìn)設(shè)計(jì)，磁路分布均勻； 　 （3） 轉(zhuǎn)子鼠籠結(jié)構(gòu)也有改進(jìn)，起動(dòng)方便； 　 （4） 定子繞組嵌線方法不同于一般異步電動(dòng)機(jī)，有利于電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行。 　 因此，TYBZ稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)避免了低頻時(shí)（小于5Hz）不穩(wěn)定現(xiàn)象，也不會(huì)在某個(gè)頻率時(shí)出現(xiàn)振蕩。保證電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)電氣參數(shù)一致。 所以FK6A-900高速彈力絲機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中采用TYBZ型7.5kw3臺(tái)和11kw1臺(tái)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)。實(shí)踐證明，電氣設(shè)計(jì)配套正確，完全達(dá)到原來設(shè)計(jì)任務(wù)書的技術(shù)指標(biāo)。 5、結(jié)語 　 稀土永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速控制在FK6A-900型彈力絲機(jī)上得到成功的應(yīng)用。該機(jī)在用戶生產(chǎn)已達(dá)一年多時(shí)間，銷售總臺(tái)數(shù)40臺(tái)以上，用戶使用情況很好，系統(tǒng)的可靠性得到充分認(rèn)可，深受用戶的歡迎，為宏源公司產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步作出貢獻(xiàn)，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。