变频调速技术在涤纶长丝纺丝设备中的应用

1、引言  

　　一般化纤丝的生产规模不大，无疑是采用间接纺，主要设备流程为：从原料（切片）→螺杆挤压机→过滤器→熔体分配管→纺丝箱（含纺丝泵、喷丝板组件等）→冷却吹风→卷绕机（含上油、吸咀、导丝盘、热牵伸辊（以下简称热辊）和卷绕头等。由于过滤器、熔体分配管和冷却吹风等单元机的电气控制简单，本文不作介绍。  

　　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4－8台纺丝泵 target=_blank>计量泵，纺丝卷绕速度为2500-4000m/min（POY绦）或3500-6000m/min（FDY丝），配用螺杆直 径为Φ60至Φ160mm等，卷绕尺寸Φ420×250mm。 

2、螺杆挤压机 

　　螺杆挤压机是熔融法切片纺丝设备中的关键设备，其作用是输送、熔融和混炼高分子聚合物，并将熔体送出，使其达到纺丝工艺要求，螺杆挤压机控制的终参数不是螺杆转速而是螺杆出口熔体压力，因此，该系统实质上是熔体压力控制系统。 

　　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Φ45mm，运转速度为20-100r/min，电动机功率为15kW，而螺杆直径为Φ200mm，运转速度为20-50r/min，电动机功率为150kW. 

　　压力变送器安装于螺杆出口处，它将溶体压力转换为电信号送至调节器，该调节器由CPU微处理器等组成数字式调节器，压力信号（电流信号）在调节器中与压力设定值进行比较，若其差值为零，则调节器输出信号不变，变频器输出频率不变，若比较后的差值信号为正或负，则调节器将对偏差信号进行PID运算后输出，调节变频器输出频率和螺杆转速，使熔体压力维持不变。  

3、纺丝箱 

　　纺丝箱体是将置于其中的熔体分配管、载止阀、纺丝泵、纺丝组件进行保温用的密封箱体。 

　　纺丝泵（泵 target=_blank>计量泵）一般均采用齿轮泵作为泵 target=_blank>计量泵，常称为纺丝泵，纺丝泵主要是将熔体增压，连续定量地送至喷丝板组件，通过喷丝板微孔喷成丝束。纺丝泵通常采用永磁同步电动机单独传动，变频同步调速，其调速方式通常有两种，其一是，一台大功率变频器驱动多台同步电动机，可以保证各台纺丝泵严格同步运转，如图2（A），而电动机可逐台起动或分组起动，该电路简单、控制方便，造价较低，但变频器容量需放大，各纺丝泵转速一致，适合纺制同一规格的丝。其二是每台同步电动机单独用一台小变频器驱动，各台同步电动机可以调至同步运转，也可分别设定其运行频率，各台电动机以不同的速度运转，如图2（B），适用于纺丝位数较少的（例如二位纺丝机）用于新产品的开发试验。该电路使用变频器数量较多，造价较高，且多台变频器输出频率有离散性，为达到转速严格同步，需增设串行通信接口，然而各变频器可以软起动，变频器容量基本与电动机容量相同，无需放大，当某一电动机或有关机械出故障时，只需停止出故障的纺丝位（头），而不会造成纺丝机停机产生的浪费，而且每台变频器可分别设定其运行频率，这样一台纺丝机可同时纺出多种不同规格的POY丝。 

4、卷绕机 

　　卷绕机根据所纺纤维的品种（如POY丝、FDY丝、工业丝等），规格不同而有多种型式，通常卷绕机由机架、上油装置、切丝器、吸咀、导丝盘、热牵伸辊、网络喷咀、卷绕头等根据功能需要选择组成。其中有电气传动的单元有上油装置、热牵伸辊（以下简称热辊）和卷绕头等。 

4.1上油装置 

　　上油装置用于对加工中的丝纤维施加一定量的合纤油剂，以利于后续加工，减少静电，使纤维具有一定的柔软性，平滑性和抗静电性等。上油方式有多种，一般采用油咀或狭缝式或油盘园周溢流式上油，纺丝油剂由小型泵 target=_blank>计量泵定量连续不断地输送到注油口，丝束通过注油口时能获得足够的油量。每台泵 target=_blank>计量泵由单独交流异步电动机传动，变频器统一供电，变频调速。 

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，表面温度为250℃，温控为≤±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，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（即对热辊），然后再导入高速热辊（第2-4对热辊）。

第4对热辊转速2585m/min温度200℃ 
第3对热辊转速2600m/min温度235℃ 
第2对热辊转速1800m/min温度150℃ 
第1对热辊转速508m/min温度100℃ 

（2） FDY纺丝设备中的热辊 

　　FDY纺丝设备一般配两对热辊，一对为一大辊（即高速热辊）加—小辊（即高速分丝辊），另一对热辊为两只大辊（即低速热辊），每对热辊均由永磁同步电动机或交流异步电动机传动，变频调速，热辊电动机功率为500W-750W。 
4.3卷绕头 

卷绕头有多种形式和规格 

　　（1） 卷绕头的转速大致可分为三档： 

第1档 1500m/min以下，用于常规纺丝，制取得到的是UDY丝； 
第2档 2500-4000m/min，属高速纺丝卷绕，制取得到的是预取向丝POY丝或HOY丝； 
第3档 5000-6000m/min以上，属超高速纺丝卷绕，用于制取全拉伸丝（FDY丝或FOY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。 

　　为满足纱线卷绕成型好，无叠丝，无塌边的要求，本系统中设置了摆频发生器，控制变频器输出频率，调节槽筒电动机速度，使其速度按三角波调速，如图5，槽筒调频范围约50-150Hz，槽筒电动机功率约100W/50Hz。 
为保证卷绕丝速恒定，丝张力恒定，卷绕辊同步电机转速应随卷绕直径的逐步增大，而相应降低。 

图5是以变频器输出频率进行标注的，此种调速规律通常是由摆频发生器控制变频器输出频率来实现的。 

（T2—T1）—三角波下降时间 
F2—三角波上限频率 
（T3—T2）—三角波上升时间 
（F2—FJ2）或者（FJ1—F1）—跳跃频率 
T1—起动升速时间，指变频器从0Hz起动加速到上限频率所用的时间 
（T3—T1）—横动周期 
（TJ1—T1）或者（TJ2—T2）—跳跃时间 

　　由图可见，当变频器驱动横动电机达到上限频率或下限频率时，频率应突变，从F2下降到FJ2，从F1上升到FJ1，突变频率（F2—FJ2）或（FJ1—F1）幅值一般为基本频率F1的1%左右，突变频率的时间，理论上要求是0，但实际上，由于横动装置和电机有惯性，使得电机速度不可能突变而有一过渡时间（TJ1—T1）或（TJ2—T2），该过渡时间通常在0.1s以上。 

高速纺卷绕头横动装置三角波调速的参数数值： 
上限频率为206Hz,下限频率为194Hz； 
跳跃频率为±2Hz，上升时间为3s； 
下降时间为3s,跳跃时间为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In略大于各台电动机的工作电流Im之和即可。若有n台电动机，则 
In>Im1+Im2+……+Imn；式中：Im1+Im2……Imn各台电动机的工作电流（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，而取值，则变频器的额定电流In.式中 台电动机额定电流之总和Imm——其中容量的电动机的额定电流 

　　（3） 一台变频器带多台同步电动机 

　　由于永磁同步电动机的起动电流为额定电流的10倍以上（不同品牌的永磁同步电动机的起动电流不同），而且为使永磁同步电动机他控式变频调速系统不发生振荡或失步现象。除适当放大永磁同步电动机功率，还须放大与之匹配的变频器容量0.5—1倍。如考虑低频时，永磁同步电动机能输出满力短，选用变频器的额定电流应为同步电动机额定电流的200%—300%即：In>（Im1+Im2+……+Imn）×（1.5—2.5）变频器带1台或多台永磁同步电动机调速时，调速仅取决于变频器的频率而与负载大小无关，变频器的频率可达0.1%—0.01%以上，因此，同步电动机采用变频器供电时，无须速度闭环便可达到0.1%—0.01%的转速。  

5、结束语 

　　涤纶长丝纺丝机的组成，各单元机的构成数量等均随客户生产规模，产品品种的不同而不同，但电气传动及控制系统的方式、原理基本相同，而电动机容量、数量、车速等将不尽相同，随着技术发展，生产需要、长丝纺丝设备的自动化水平越来越高，计算机技术和网络技术的应用越来越普遍。该控制方案、控制系统也适用于绵纶、丙纶长丝纺丝设备。