永磁同步电动机在涤纶纺丝机变频调速中的应用

1 　纺丝工艺及生产对电气传动的要求 　　涤纶纺丝采用熔体法纺丝,即将干燥过的切片 由螺杆挤压机制成纺丝熔液,经过熔体过滤器过滤 后,纺丝熔体由计量泵计量并压入纺丝组件,由喷丝 孔喷出的熔体细流经纺丝侧吹风窗冷却成形,纤维 冷却成形后,在进入纺丝甬道之前,进行集束上油, 最终形成丝束纤维。 纺丝机是一个多电机、小功率的同步驱动系统。 对电气传动的要求可以概括为:“四高”和“一少”。 “四高”:即高同步性(一台纺丝机不同纺位的电 机转速要求横向转速一致,纵向比例同步) ;高精确 性(转速稳定,精确度高达0. 1 %～0. 01 %) ;高转 速要求(在没有升速齿轮箱条件下,电机转速高达 8000～ 9000 r/ min ,甚至12000 r/ min) ; 高可靠性 (至少保证一年安全连续运行8000 h) 。“一少”:即 少维修或免维修。因此,对于涤纶高速纺POY和超 高速纺工艺来讲,转速高达8000～12000 r/ min ,非 变频调速莫属。采用高精度的变频调速器和永磁式 同步电动机的结合,无需采用闭环控制,就可以保证 电机转速精度达到0. 1 %～0. 01 %水平。 2 　永磁同步电机开环控制的变频调速系统 2. 1 　永磁同步电机的特点 交流同步电动机的转速始终等于1 ,与电源频 率完全成正比的同步转速 Ns = 60f/ p (r/ min) 式中　f ———电源频率; P ———极对数。 交流异步电机与同步电机的区别在于:转速与 电源频率不成正比,其转速始终比同步转速要低。 N = (1 - S) Ns (r/ min) 式中 S ———转差率,S = (Ns - N) / Ns ×100 % ,S 与负 载有关。 工业用永磁同步电机的结构与异步电机结构相 近,只是转子结构多了一套永磁体。工业用永磁同 步电机的功率都比较大,具有良好的控制性能,可通 过频率的变化进行调速。 在变频调速控制上,同步电机开环控制的性能 指标大多都达到了交流异步电机闭环控制的性能指 标;而异步电机闭环调速的最大缺点是需要在电机 轴上安装速度传感器,这样就降低了电动机整体结 构的坚固性与可靠性,而且其线路更加复杂,增加了 故障环节。对长丝装置的纺丝机、牵伸机、卷绕机而 言,同步电机开环变频传动是一种简单、理想的选择 方案。 2. 2 　永磁同步电机( PM. SM) 开环控制的变频调 速系统 系统控制框图如图1 所示。 图1 　永磁同步电动机开环控制变频调速 VVVF —通用变频器　SM —同步电动机 该系统控制电路简单,可靠性高。由于是同步 电机,其机械特性曲线为一根平行横轴直线,绝对硬 特性。在开环控制情形下,同步电机的转速精度与 变频器频率精度相一致。所以特别适合多电机同步 传动、静态转速精度要求甚高(0. 5 %～0. 01 %) 的化 纤纺丝机,是最理想最简单的首选方案。 3 　涤纶纺丝机变频调速控制方案 纺丝机上常用的变频调速系统有两种:大功率 变频调速驱动系统和多台小功率变频驱动系统。 3. 1 　大变频调速器驱动 由一台大功率变频器U 来驱动多台永磁同步 电机MS , 如图2 。电机可逐台起动或分组起动。 优点:系统简单、控制方便,不需加任何措施,可 保证多电机同步运行。 缺点:变频器容量必须选用很大,单台电机短路 有可能引起变频器跳闸,造成停产。 图2 　大功率变频调速驱动 图3 　多台小功率变频器驱动 3. 2 　多台小变频器驱动 每一台电机均由一台小变频器驱动,一一对应, 见图3 (其中: U1～U12 为变频器,MS1～MS12 为 永磁同步电动机) 。对比大变频器驱动,具有如下 优点: (1) 一台变频器驱动一台电机,可以实现软起 动,变频器容量基本上与电机相同; (2) 某台电动机发生故障时,对应变频器停止工 作,不会影响整台纺丝机的正常运转。 但也存在以下问题: (1) 总设定、总起动调节需另加环节; (2) n 台变频器输出频率会有离散性,存在一定 的误差,为达到转速同步,需加串行通信接口。 4 　永磁同步电机变频调速在化纤纺丝机上 的应用 　　化纤纺丝现在均采用齿轮泵作为计量泵,又称 纺丝泵。其作用是将纺丝熔体定量、定压、均匀连续 地输向喷丝组件,通过喷丝板微孔喷成丝束,以保证 纺丝的稳定性。我厂1996 年投产的由大连合纤所 研制开发的涤纶二部位高速纺丝机,计量泵即采用 多台小变频的驱动方式,如图4 。该涤纶纺丝机主 要用于新产品的开发及差别化长丝的小批量生产。 图4 　计量泵由多台小变频器驱动 Q1～Q4 —空气开关　U1～U4 —变频器 M1～M4 —永磁同步电机 计量泵调速系统的变频器选用FRN - G9S 系 列,该变频器是高性能的PWM 控制的交- 直- 交 变换器。主要由二极管桥式整流和带有32 位微处 理器控制系统的逆变器组成。整流器将380 V、50 Hz 三相交流电变成直流电,为逆变器提供直流电 流。而逆变器中采用了IGBT 作为其功率器件,使 它的性能有了很大提高。其一是高载波控制,使输 出电流波形有明显改善,从而减轻了电机运转颤动。 其二是开关频率提高,使之超过人耳能承受的范围, 实现了运转的静音化。其三是驱动功率减少,体积 趋于更小。电机采用FTY750 - 4 型永磁同步电机。 FRN - G9S 系列变频器精确度可达±0. 01 %～ ± 0. 2 %。采用高精度的变频调速器和永磁同步电机 构成系统,采用最经济、简单的开环控制方式就可保 证电机转速的精度要求,即保证电机转速的精度与 变频器的频率精度相同。 　　采用多台小变频调速器驱动方式具有以下优 点: (1) 某台电机发生故障时,只能使对应的变频器 停止工作,而不会影响整台纺丝系统正常运转,避免 了生产的巨大浪费。 (2) 逆变器可以软启动,故选择逆变器时,可以 大大减少容量,降低成本。 (3) 每一台变频器可以分别设定其运转频率。 所以一台纺丝机可以同时生产四种规格的POY丝, 故障率也大大降低,保证了生产的正常进行和新产 品的开发。