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超高分子量聚乙烯纤维复牵生产线的速度控制系统

超高分子量聚乙烯纤维复牵生产线的速度控制系统

2006/11/23 9:23:00
[摘 要]在相对超高分超子量聚乙烯纤维复牵生产线中,采用电流矢量高精度变频器和永磁同步电机构成开环控制,并同触模屏联网组成全自动调速控制系统 [关键词]高精度变频器;永磁同步电机;触摸屏 0前言 超高分子量聚乙烯纤维复牵生产线是将PE纤维纺丝联合生产线生产的经初步牵伸定型的纤维再次进行三级四棍牵伸机同步热牵伸(如图1),使其纤度达到1600D标准规格,并具备高强(强度达到30CN/dtex)高模(模量达到1000以上)等优良性能,整个丝束的强度、模量、纤度等指标还应保持均匀一致。这就对电气传动的要求非常严格。
超高分子量聚乙烯纤维复牵生产线对电气传动的要求可以概括为:“三高”和“一防”。“三高”:即高精确性(速度稳定,精确度高达0.1%~0.01%);高同步性(三级热牵伸的四个牵伸电机的牵伸速度应保持纵向比例同步);高可靠性(至少保证一年连续安全运行,少维修或免维修)。“一防”:防倒拖(前级电机可长期工作在后级电机的倒拖状态下)。 1 超高分超子量聚乙烯纤维复牵生产线电气驱动系统的建立 1.1 控制方案的选择 化纤牵伸电气调速驱动系统通常有三种控制方式:一是直流电源—直流电机闭环控制方式。直流电机具有良好的调速性能,调速精度高。 其速度特性如下式:n=U—IaRa/ceΦ。只要改变电枢电压U,即可实现电机的平滑调速。目前市场上也有定型的直流电机调速电源,可方便实现对直流电机的调速控制。但是考虑到直流电机存在换向器,维修保养复杂,价格较高。因此,我们没有采用此种控制方式。 二是交流变频器——三相异步电机。变频调速闭环控制系统。其控制精度较高,可达到0.5%~0.01%。但由于根据PE纤维复牵生产线对电气驱动高同步性的要求,将四个牵伸辊的速度闭环系统调整到相同精度十分艰难麻烦。另外,每个闭环系统都有速度传感器,故障率会增高,工作可靠性这个指标往往不能满足实际纤维生产的需要,故此方案不宜被采用。 三是交流变频器——三相永磁同步电机构成变频调速开环控制系统。三相永磁同步电机具有以下特点: a调速范围宽,它的特性与直流电动机类似,可以均匀无级调速,调速范围可达50∶1。 b调速精度高,调速度误差在1/30000。 c结构简单电机无换向器,不会产生火花,便于维护,适应恶劣的环境和易燃易爆场合。 d功率因数与直流电机系统类似,但是效率高,功率因数高达0.95以上。 e可以方便的实现四象限运行(即实现可逆调速)。 f转速始终等于同步转速N0=60F/P,只取决于电动机供电频率F,而与负载大小无关(除非负载力矩大于或等于失步转矩,同步电动机会失步,转速迅速停止)其机械特性曲线为一根平行横轴直线,绝对硬特性。 从以上几点可以看出:如果采用高精度的变频器(字设定频率精度可达0.0l%),在开环控制情形下,同步电动机的转速精度亦为0.01%。因为同步电动机转速精度与变频器频率精度相一致(在开环控制方式时),所以特别适合多电机同步传动。并且,可逆调速和可靠性要求均可得到保证。因此,交流变频器——三相永磁同步电机构成变频调速开环控制系统是PE纤维复牵生产线电气驱动系统的首选。 1.2 超高分超子量聚乙烯纤维复牵生产线变频调速驱动系统的建立 PE纤维复牵生产线变频调速驱动系统图如图2所视。变频电源采用山川电流矢量控制通用变频器VarispeedF7系列CIMR—F7A40ll,它具备多种V/F控制模式和自整定功能,具有防失速,150%一分钟过负载,四象限过力矩检出等保护功能。完全符合永磁同步电动机难启动和v/F曲线配合等控制要求。 永磁同步电动机的永磁转子,其磁场的分布是比较复杂的,在不同频段下,可能产生不同的高次波,如果此高次波与异步电动启动过程中产生的高次波叠加,在此情况下,反映在电流的大小上,其电流值一般将大于额定电流值,这种大电流往往就影响变频电源的最大工作电流的选择。因此选择变频器要求比电动机大一号。此处选择了11Kw的变频器对应7.5Kw永磁同步电动机。 四个变频器采用共直流母线连接方式,以防止在牵伸过程中某些电机处于倒拖状态时引起的变频跳闸。
1.2.1 永磁同步电动机和变频控制配合曲线 变频对同步电机的控制主要须解决两个问题:一是同步电机的启动。稀土永磁同步电动机由于应用了高磁能积的永磁材料,起动过程中永磁体将发出发电机的能量,电机起动时,不但消耗异步电机起动时的能量(产生空载起动电流),还将克服发电机的能量,因此它的起动电流是很大的。另外,同步电动机在和变频器的配合中,必须考虑到失步问题。由于变频器控制的是定子的电压,在刚启动过程中,转子的速度必然会落后,一旦转子落后的角度太大,便会造成失步。所以,同步电机的启动速度不宜过大。利用Varispeed F7系列变频器V/F曲线的“转矩提升”设定及通过“让重负载加减速(DWELL功能)”和“防止加速中失速功能”的设定,来解决变频器的启动问题。其中“DWELL功能”是指设定变频器启动时DWELL频率(b6-01参数)和DWELL频率保持时间(h6-02参数)来使变频器在启动时,先在DWELL频率下保持运行一段时间,防止电机进入失速状态(如图3所示)。“防止加速中失速功能”是指设定了参数L3-01=1(该功能有效后),只要变频器输出电流超过L3-02设定值-15%,首先抑制加速速率,超过L3-02值时,停止加速待电流回复后再加速(如图4所示)。
二是压频比问题,通用变频器根据不同的电机特性可以设置不同的压频比。在实践中发现,当电机不在自己的运行曲线下,电机将发生电流增大;温升过高等现象。电机的压频比即V/F曲线必须根据电机的参数输入,通常在电机的铭牌中都有。Varispeed F7系列变频器可以通过参数El-03-E1-10灵活地定义各种V/F曲线,以满足不同的负载要求。如图5所示,在通常的基础上,Varispeed F7系列变频器采用增加(E1-09,El-10)、(E1-07,E1-08)、(E1-06,El-13)、(E1-04,E1-05)四点折线方式定义V/F曲线,Vmin为补偿低频转矩特性的转矩提升。
1.2.2 变频器长期工作在制动状态下的解决方案 超高分子量聚乙烯纤维在复牵过程中强力和模量都达到很高的水平,特别是在牵伸末端的三牵四牵之间,强力可达到30cN/dtex以上。这就造成了三牵电机经常处于被倒拖状态,变频器长时间工作在直流制动状态下。如不采取措施就会引起变频器因直流母线电压过高而跳闸。 通常采用直流回路并联制动电阻或外接再生制动单元的方式解决制动问题。但由于是长期工作在直流制动状态,因此采用制动电阻的能耗制动方式显然不合适。而采用外接再生制动单元的方式虽然可将再生能量回馈电网,但增加了再生制动单元,使系统变得复杂,故障率和成本都会增高。实际上本系统是多电机传动多级牵伸系统,这种系统往往有一台或多台电机处于发电状态,而其余电机必定处于电动状态。因此只要将所有变频器直流母线并联(如图1所示),发电状态电机产生的再生能量即可通过并联的直流母线由处于电动状态的电机吸收。 1.3 利用富士触模屏POD实现牵伸速度同步调整 超高分子量聚乙烯纤维复牵生产线对速度的同步性要求决定了生产线的控制系统必须具备各级牵伸速度按比例同步调整的速度总控功能即在保持总牵伸比不变的情况下,可以同步提高或降低四个牵伸电机的牵伸速度。在复牵生产线速度控制系统中(控制框图如6),采用富士生产的UG30系列程序操作显示器(简称POD)作为上位机,它具备较强的通讯功能和独立的宏命令控制功能。利用串行MJ1口无需专门的通讯软件和PLC支持便可同变频器直接建立RS一485之上。
利用UG30的宏命令功能,在速度设定画面(如图7所示)上设定了速度总控功能。设定好速度上升或下降百分比后,按下执行键,即可执行相应的宏命令(如图8所示)使得在保持总牵伸比不变的情况下,各段速度可整体上升或下降。
2 运行情况 该控制系统投入使用以来,性能稳定,满足了超高分子量聚乙烯纤维复牵生产线对电气传动的要求,系统可靠性得到充分认可,为企业带来了较好的效益。
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