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1、变频调速速技术在在涤纶长长丝纺丝丝设备中中的应用用1 引言言一般化化纤丝的的生产规规模不大大，无疑疑是采用用间接纺纺，主要要设备流流程为：从原料料（切片片）螺螺杆挤压压机过过滤器熔体分分配管纺丝箱箱（含纺纺丝泵、喷喷丝板组组件等）冷却吹吹风卷卷绕机（含含上油、吸吸咀、导导丝盘、热热牵伸辊辊（以下下简称热热辊）和和卷绕头头等。由由于过滤滤器、熔熔体分配配管和冷冷却吹风风等单元元机的电电气控制制简单，本本文不作作介绍。涤纶长丝高速纺丝机全机部位数有2、4、6、8、12、16等不等，每个纺丝部位纺丝头数有8、10、12、16等不等，每位配有48台纺丝计量泵，纺丝卷绕速度为2500-4000m/min
2、（POY绦）或3500-6000m/min（FDY丝），配用螺杆直 径为60至160mm等，最大卷绕尺寸420250mm。 2 螺杆杆挤压机机螺杆挤挤压机是是熔融法法切片纺纺丝设备备中的关关键设备备，其作作用是输输送、熔熔融和混混炼高分分子聚合合物，并并将熔体体送出，使使其达到到纺丝工工艺要求求，螺杆杆挤压机机控制的的最终参参数不是是螺杆转转速而是是螺杆出出口熔体体压力，因因此，该该系统实实质上是是熔体压压力控制制系统。螺杆挤压机现均采用交流异步电动机传动，变频调速、电动机的容量取决于螺杆的直径和运转速度，例如螺杆直径为45mm，运转速度为20-100r/min，电动机功率为15kW，而螺杆直
3、径为200mm，运转速度为20-50r/min，电动机功率为150kW.螺杆挤压机压力控制系统原理框图如图1。图1 螺螺杆压力力控制系系统方框框图压力变送送器安装装于螺杆杆出口处处，它将将溶体压压力转换换为电信信号送至至调节器器，该调调节器由由CPUU微处理理器等组组成数字字式调节节器，压压力信号号（电流流信号）在在调节器器中与压压力设定定值进行行比较，若若其差值值为零，则则调节器器输出信信号不变变，变频频器输出出频率不不变，若若比较后后的差值值信号为为正或负负，则调调节器将将对偏差差信号进进行PIID运算算后输出出，调节节变频器器输出频频率和螺螺杆转速速，使熔熔体压力力维持不不变。 3 纺丝
4、丝箱纺丝丝箱体是是将置于于其中的的熔体分分配管、载载止阀、纺纺丝泵、纺纺丝组件件进行保保温用的的密封箱箱体。纺纺丝泵（计计量泵）一一般均采采用齿轮轮泵作为为计量泵泵，常称称为纺丝丝泵，纺纺丝泵主主要是将将熔体增增压，连连续定量量地送至至喷丝板板组件，通通过喷丝丝板微孔孔喷成丝丝束。纺纺丝泵通通常采用用永磁同同步电动动机单独独传动，变变频同步步调速，其其调速方方式通常常有两种种，其一一是，一一台大功功率变频频器驱动动多台同同步电动动机，可可以保证证各台纺纺丝泵严严格同步步运转，如如图2（AA），而而电动机机可逐台台起动或或分组起起动，该该电路简简单、控控制方便便，造价价较低，但但变频器器容量需需
5、放大，各各纺丝泵泵转速一一致，适适合纺制制同一规规格的丝丝。其二二是每台台同步电电动机单单独用一一台小变变频器驱驱动，各各台同步步电动机机可以调调至同步步运转，也也可分别别设定其其运行频频率，各各台电动动机以不不同的速速度运转转，如图图2（BB），适适用于纺纺丝位数数较少的的（例如如二位纺纺丝机）用用于新产产品的开开发试验验。该电电路使用用变频器器数量较较多，造造价较高高，且多多台变频频器输出出频率有有离散性性，为达达到转速速严格同同步，需需增设串串行通信信接口，然然而各变变频器可可以软起起动，变变频器容容量基本本与电动动机容量量相同，无无需放大大，当某某一电动动机或有有关机械械出故障障时，只
6、只需停止止出故障障的纺丝丝位（头头），而而不会造造成纺丝丝机停机机产生的的浪费，而而且每台台变频器器可分别别设定其其运行频频率，这这样一台台纺丝机机可同时时纺出多多种不同同规格的的POYY丝。图2（AA）一台台变频器器驱动多多台电动动机 图图2（BB）一台台变频器器驱动一一台电动动机原理理框图 原理框框图4 卷绕绕机卷绕绕机根据据所纺纤纤维的品品种（如如POYY丝、FFDY丝丝、工业业丝等），规规格不同同而有多多种型式式，通常常卷绕机机由机架架、上油油装置、切切丝器、吸吸咀、导导丝盘、热热牵伸辊辊、网络络喷咀、卷卷绕头等等根据功功能需要要选择组组成。其其中有电电气传动动的单元元有上油油装置、热
7、热牵伸辊辊（以下下简称热热辊）和和卷绕头头等。44.1上上油装置置上油装装置用于于对加工工中的丝丝纤维施施加一定定量的合合纤油剂剂，以利利于后续续加工，减减少静电电，使纤纤维具有有一定的的柔软性性，平滑滑性和抗抗静电性性等。上上油方式式有多种种，一般般采用油油咀或狭狭缝式或或油盘园园周溢流流式上油油，纺丝丝油剂由由小型计计量泵定定量连续续不断地地输送到到注油口口，丝束束通过注注油口时时能获得得足够的的油量。每每台计量量泵由单单独交流流异步电电动机传传动，变变频器统统一供电电，变频频调速。4.2热辊热辊通常用于高速纺丝（FDY丝等）或工业长丝等设备，一般由永磁同步电动机或交流异步电动机传动，变频
8、调速。热辊外壳被加热，使丝束在热状态下进行牵伸，热辊轴向表面各点温度应均匀，并被控制在工艺所需的温度范围内。热辊的加热可以是电热丝加热（目前很少用），也可以是电磁感应加热，此时，热辊壳体作为次级线圈而被感应加热。因热辊是旋转体，故一般采用非接触式测温，表面最高温度为250，温控精度为1.5，调节各热辊的温度，可得到不同强度，伸长和热收缩率的丝。（1） 工业长丝设备中的热辊涤纶工业长丝具有模量高，强度大，伸长小，耐磨性和尺寸稳定性好的特点，是产业用纺织品的理想材料，工业长丝的生产目前大多采用纺丝牵伸卷绕一步法生产工艺，其纺丝速度2600m/min以上，卷绕速度4000m/min，纺丝头数16头，
9、每位4头，共4位。采用4对热辊对丝束进行牵伸，每对热辊的运动速度不同，即丝束经过每对热辊后均被牵伸，每区的牵伸比按工艺要求设定，调整热辊的速度便可调整丝束的牵伸比。4对热辊采用4台永磁同步电动机或异步电动机单独传动，并由4台变频器单独供电采用共直流母线供电的变频调速，电动机功率为2.2kW或1.1kW。热辊必须与另一与之配合的转动辊一起使用，以达到导丝功能，该辊可以是主动的、完全相同的热辊，也可以是被动的、不加热的分丝辊，一般采用后者。丝束通过喂入辊喂至低速热辊（即第一对热辊），然后再导入高速热辊（第2-4对热辊）。如图3所示。第4对热热辊转速速25885m/minn温度2200第3对对热辊转
10、转速26600mm/miin温度度2355第22对热辊辊转速118000m/mmin温温度1550第第1对热热辊转速速5088m/mmin温温度1000图3 工工业长丝丝设备中中的4对对热辊流流程图（2） FDYY纺丝设设备中的的热辊FFDY纺纺丝设备备一般配配两对热热辊，一一对为一一大辊（即即高速热热辊）加加小辊辊（即高高速分丝丝辊），另另一对热热辊为两两只大辊辊（即低低速热辊辊），每每对热辊辊均由永永磁同步步电动机机或交流流异步电电动机传传动，变变频调速速，热辊辊电动机机功率为为5000W-7750WW。4.3卷绕绕头卷绕绕头有多多种形式式和规格格（1） 卷绕头头的转速速大致可可分为三三档
11、：第第1档 15000m/minn以下，用用于常规规纺丝，制制取得到到的是UUDY丝丝；第22档 225000-40000mm/miin，属属高速纺纺丝卷绕绕，制取取得到的的是预取取向丝PPOY丝丝或HOOY丝；第3档档 50000-60000m/minn以上，属属超高速速纺丝卷卷绕，用用于制取取全拉伸伸丝（FFDY丝丝或FOOY丝）。在长丝生产中卷绕头有规律地将丝束卷绕成一定形状和容量的筒子，以供下道工序使用。（2） 卷绕轴的传动形式，主要有摩擦式和锭轴式两种。摩擦式传动是靠摩擦辊带动筒管转动，主要用于常规纺丝。锭轴式传动是由同步电动机传动筒管转动，变频调速，其转速随卷绕直径逐步增大，筒管转
12、速随之逐步降低，以保持其表面线速度恒定，达到恒张力卷绕丝，主要用于高速和超高速纺丝。摩擦式卷绕头主要由摩擦辊、槽筒和筒管夹头等组成，摩擦辊常用三相永磁式同步电动机直接传动，其功率约400W/50Hz，调频范围约50-200Hz，槽筒由三相异步电动机传动，其功率约100W/50Hz，调频范围约50-130Hz，槽筒电动机由摆频发生器和变频器驱动，实现变频调速，纺丝时筒管夹头压住摩擦辊，按摩擦辊表面速度旋转。（3） 卷绕轴的数量有单轴式和双轴式两种。双轴式其两根轴的轴心线可绕其转盘的中心点回转，实现自动换筒，使两根轴可交互进行卷绕。（4） 导丝卷绕方式有沟槽凸轮往复导丝器或称槽简导丝机构（由槽筒和
13、横动导丝器组成）和拨叉式导丝机构两种。拨叉式导丝是将传统的往复运动变为回转运动。因此，振动小、噪声低，适用于高速或超高速纺丝卷绕。4.3.1卷绕头的控制高速纺丝（如制取POY丝或FDY丝）所用卷绕头，一般采用锭轴式传动，双轴式，槽筒式或拨叉式导线机构的卷绕头，通常一个纺丝位配一套全自动卷绕头，包括1个卷绕辊和1个槽辊，卷绕辊由永磁同步电动机传动，槽辊由交流异步电动机传动，因此16位纺丝机配有16套卷绕头，其中16只卷绕辊由16台同步电动机传动，采用统一供电的变频调速控制方式，即由一台变频器供电，进行统一变频调速。16只槽筒由16台异步电动机传动。亦采用统一供电的变频调速控制系统，如图4。图4（
14、AA）卷绕绕辊同步步电机控控制框图图 4（BB）槽辊辊异步电电机控制制框图为满足纱纱线卷绕绕成型好好，无叠叠丝，无无塌边的的要求，本本系统中中设置了了摆频发发生器，控控制变频频器输出出频率，调调节槽筒筒电动机机速度，使使其速度度按三角角波调速速，如图图5，槽槽筒调频频范围约约50-1500Hz，槽槽筒电动动机功率率约1000W/50HHz。为为保证卷卷绕丝速速恒定，丝丝张力恒恒定，卷卷绕辊同同步电机机转速应应随卷绕绕直径的的逐步增增大，而而相应降降低。图图5是以以变频器器输出频频率进行行标注的的，此种种调速规规律通常常是由摆摆频发生生器控制制变频器器输出频频率来实实现的。图5 卷卷绕头横横动装
15、置置三角波波调速曲曲线图图中：FF1三三角波下下限频率率（T22T11）三三角波下下降时间间F2三角波波上限频频率（TT3TT2）三角波波上升时时间（FF2FFJ2）或或者（FFJ1F1）跳跃频频率T11起动动升速时时间，指指变频器器从0HHz起动动加速到到上限频频率所用用的时间间（T33T11）横横动周期期（TJJ1TT1）或或者（TTJ2T2）跳跃时时间由图图可见，当当变频器器驱动横横动电机机达到上上限频率率或下限限频率时时，频率率应突变变，从FF2下降降到FJJ2，从从F1上上升到FFJ1，突突变频率率（F22FJJ2）或或（FJJ1FF1）幅幅值一般般为基本本频率FF1的11%左右右，
16、突变变频率的的时间，理理论上要要求是00，但实实际上，由由于横动动装置和和电机有有惯性，使使得电机机速度不不可能突突变而有有一过渡渡时间（TTJ1T1）或或（TJJ2TT2），该该过渡时时间通常常在0.1s以以上。高高速纺卷卷绕头横横动装置置三角波波调速的的参数数数值：上上限频率率为2006Hzz,下限限频率为为1944Hz；跳跃频频率为2Hzz，上升升时间为为3s；下降时时间为33s,跳跳跃时间间为0.1s。4.3.2卷绕头变频器容量的选择一台变频器带多台同步电动机或异步电动机时，变频器容量的选择有以下3种情况：（1） 卷绕头的多台异步电动机如是同时起动，则选择变频器容量时，变频器的额定电流
17、In略大于各台电动机的最大工作电流Im之和即可。若有n台电动机，则InIm1+Im2+Imn式中：Im1+Im2Imn各台电动机的最大工作电流（用电动机额定电流计算）（2） 卷绕头的多台异步电动机如是依次起动，或运行中某一台电动机单独停止，起动时，选择变频器容量时，应考虑电动机在全压起动时的起动电流，通常异步电动机的起动电流为额定电流的5-7倍，为安全起见，而取最大值，则变频器的额定电流In式中 台台电动机机额定电电流之总总和Immm其中容容量最大大的电动动机的额额定电流流（3） 一台变变频器带带多台同同步电动动机由于于永磁同同步电动动机的起起动电流流为额定定电流的的10倍倍以上（不不同品牌牌
18、的永磁磁同步电电动机的的起动电电流不同同），而而且为使使永磁同同步电动动机他控控式变频频调速系系统不发发生振荡荡或失步步现象。除除适当放放大永磁磁同步电电动机功功率，还还须放大大与之匹匹配的变变频器容容量0.511倍。如如考虑低低频时，永永磁同步步电动机机能输出出满力短短，选用用变频器器的额定定电流应应为同步步电动机机额定电电流的2200%3000%即即：Inn(IIm1+Im22+Immn)(1.522.5)变频器器带1台台或多台台永磁同同步电动动机调速速时，调调速精度度仅取决决于变频频器的频频率精度度而与负负载大小小无关，变变频器的的频率精精度可达达0.11%00.011%以上上，因此此，同步步电动机机采用变变频器供供电时，无无须速度度闭环便便可达到到0.11%00.011%的转转速精度度。5 结束束语涤纶纶长丝纺纺丝机的的组成，各各单元机机的构成成数量等等均随客客户生产产规模，产产品品种种的不同同而不同同，但电电气传动动及控制制系统的的方式、原原理基本本相同，而而电动机机容量、数数量、车车速等将将不尽相相同，随随着技术术发展，生生产需要要、长丝丝纺丝设设备的自自动化水水平越来来越高，计计算机技技术和网网络技术术的应用用越来越越普遍。该该控制方方案、控控制系统统也适用用于绵纶纶、丙纶纶长丝纺纺丝设备备。