变频调速技术在涤纶长丝纺丝设备中的应用
日期：2008-10-22 23:21:14 来源：中国自动化网
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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，最大卷绕尺寸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，螺杆挤压机控制的最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.
螺杆挤压机压力控制系统原理框图如图1。
图1 螺杆压力控制系统方框图
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（计量泵）一般均采用齿轮泵作为计量泵，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。
图2（A）一台变频器驱动多台电动机 图2（B）一台变频器驱动一台电动机
原理框图 原理框图
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，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℃
图3 工业长丝设备中的4对热辊流程图
（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。
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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。
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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，最大卷绕尺寸Φ420×250mm。
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2 螺杆挤压机
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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，螺杆挤压机控制的最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。
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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.
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螺杆挤压机压力控制系统原理框图如图1。
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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。
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3 纺丝箱
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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。
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纺丝泵（计量泵）一般均采用齿轮泵作为计量泵，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。
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图2（A）一台变频器驱动多台电动机 图2（B）一台变频器驱动一台电动机
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原理框图 原理框图
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4 卷绕机
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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。
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4.1上油装置
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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。
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4.2热辊
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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。
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（1） 工业长丝设备中的热辊
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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。
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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。
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第4对热辊转速2585m/min温度200℃
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第3对热辊转速2600m/min温度235℃
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第1对热辊转速508m/min温度100℃
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（2） FDY纺丝设备中的热辊
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4.3卷绕头
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（1） 卷绕头的转速大致可分为三档：
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第1档 1500m/min以下，用于常规纺丝，制取得到的是UDY丝；
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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；
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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）。
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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。
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（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。
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