印染机械变频传动系统控制

我国是纺织大国, 印染是纺织工业的一道重要工序, 通过炼漂、染色、印花、整理等工艺, 使织物获得更好的物理和化学特性、更佳的外观和手感, 提高织物附加值获得更高的经济社会效益。根据织物的特点, 为了提高生产效率, 印染工艺大多数都采用流水线连续性生产, 印染机械为多单元组成的联合机, 各加工单元分别由一台电动机驱动, 要求加工中保持各单元之间张力恒定或者线速度成适当比例关系, 这对传动系统的同步性、可靠性提出较高要求。单元机数量少则三五个, 多则一二十个, 电机总功率也不是个小数字, 这又对其调速范围、同步协调性、运行经济性也提出了要求。

1 印染机械传动系统

印染机械传动主要分直流传动和交流传动, 早期的印染机械传动基本全部采用直流传动, 因为直流电机可以直接通过电枢电压调节速度, 各单元电机公用一个电枢电压, 称为共电源直流控制系统, 改变电枢电压可以实现联合机从起步升至工艺车速, 电枢电压采用自耦调压器+硅整流或者变压器+晶闸管整流方式获得;同步是改变励磁电压来调节, 改变励磁电压早期通过松紧架带动串联在各个单元电机励磁线圈上的可变电阻来实现, 后来改用励磁调节器调节。20世纪80年代, 从国外引进的印染设备, 开始采用分电源晶闸管直流拖动, 联合机中每一个单元都由一个独立的电源供电, 直流电机励磁电压为额定电压恒定不变, 通过电枢电压改变来调整车速和同步协调, 分电源的好处是电机在满磁场下工作, 特性硬, 受负荷影响小, 调速范围大, 同步性能好, 但是受器件可靠性等因素的影响, 直流分电源系统推广时间不长。上世纪末, 随着交流变频技术的成熟和电子技术的飞速发展, 交流变频同步系统逐渐成为印染机械的主流配置。解决了原来直流调速系统同步协调能力差、调速范围小、可靠性较差、维修工作量大等问题。

2 交流变频同步传动系统

交流电机转速n=60f1 (1-s) /p

改变定子电源频率f1即可改变同步转速和电动机的转速。从异步电动机的电势公式可知, 外加电压近似与频率和磁通的乘积成正比, 即

于是有Ф∝E1/f1=U1/f1

所以若外加电压不变, 则磁通随频率改变而改变。一般电动机在设计中为了充分利用铁芯材料, 都把磁通Ф的数值选在接近磁饱和的数值上。因此, 如果频率从额定值 (50Hz) 向下降低, 磁通就会增加, 将使磁路过饱和, 激磁电流增加, 铁芯过热, 这是不允许的。为此在降频的同时, 须同时降低电压, 即频率与电压协调控制。印染联合机一般采用额定转速以下范围的恒转矩调速, 根据电机转矩M=CMφI2cosψ, 为保持输出转矩M一定, 要求磁通φ一定, 即要求定子电压要与频率成比例变化。

在联合机传动控制中, 一般先确定一台运动惯性大 (或者电机功率大) 的电机作为主令机, 其他皆为从动机, 各单元之间采用松紧架 (根据工艺采用门式或摆式松紧架) 检测、调节速度。主令机速度只受车速给定信号控制, 其他从动机速度给定信号由车速给定信号和各自松紧架信号叠加控制, 通过同步控制器可以整定升降速时间、上下限参数等, 也可以调整主令给定信号和松紧架调节信号的比例, 应用非常灵活。

3 变频传动方案运用

目前, 印染机械设备电气控制的同步调速系统普遍使用变频器+同步控制器 (或DA、AD模块) +人机界面触摸屏等来完成。

以高速布铗丝光机为例, 整机传动流程为:平幅进布→透风→1#轧碱三辊轧车→绷布辊→2#轧碱→绷布辊→浸渍槽→进布轧车→布铗拉幅机→出布轧车→直辊槽→轧车→水洗机→轧车→整箱→轧车→水洗机→轧车→水洗机→轧车→水洗机→轧水轧车→三柱烘筒烘燥机→平幅落布, 共21个传动单元。

整机交流变频同步调速系统, 全机以布夹为主令单元, 工艺流程中各点布的张力大小, 通过调压阀调节汽缸松紧架气压大小来控制。因为布铗传动单元惯性明显比轧车大, 进出布铗松紧架一般要求采用门式松紧架或者行程适当加大的松紧架, 加减速时间不宜过快, 以利于联合机中各单元机同步协调和工艺参数稳定。同步调试时, 不一定要求松紧架都处于中间位置, 可以根据各单元机运行特性, 适当调高或者调低一定比例, 例如出布铗轧车前端松紧架, 因为布铗启动稍慢, 一般调试就让该松紧架同步运行时位置稍低。在系统加减速调节时, 松紧架始终保持同一位置, 保证系统张力恒定及速度同步的控制要求, 最低车车速为5米/分, 最高车速设计为100米/分, 调速范围为1∶20。

而直辊丝光机的直辊部分, 由于工艺的关系, 不能设置松紧架, 一般采用以下两种方法同步。一是速度同步系统设计成转速负反馈, 使电机呈现较硬的工作特性, 各单元机的线速度尽量不受负载波动等因素的影响, 调试将各电机的线速度依次递增一个小的百分数 (可调) , 即可实现各直辊单元同步运行。二是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, 因各直辊单元机功能和结构相同, 可以采用软机械特性法实现电机间的同步, 不需要松紧架而能保持良好的同步, 各单元机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。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, 使得电机效率比较高。

同时, 借助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;而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, 使联合机处于运行稳态时松紧架总是处于中间位置。

4 结语

实践证明, 交流变频传动系统运行时可靠性高, 输出线性较好, 速度平稳, 故障率大大降低, 控制精度大大提高, 调速范围大大增加, 实现了印染机械传动系统质的飞跃。采用交流变频、伺服控制等高效节能驱动技术, 再辅以计算机网络化控制与管理系统、印染工艺参数在线检测控制系统等, 进一步实现温度、速度、湿度、加料、张力、门幅、含潮率等检测和控制;水、电、汽、碱、染化料助剂等自动计量和存储, 装备以PLC、PCC为核心的先进控制器, 使印染机械向智能化发展, 满足各种复杂的工艺控制要求, 开辟数字印染新时代。

摘要：印染机械对电气控制系统的最主要要求是, 多单元、同步性、可调速、流水线连续生产、高可靠性, 变频传动实现了高调速范围、高可靠性, 符合节能降耗的要求。

关键词：印染机械,变频传动,系统控制

参考文献

[1] 陈效邦.印染机械电气控制[M].纺织工业出版社.

[2] 丁学文.印染设备无松紧架无张力传感器多电机同步调速系统[J].纺织机械.