稀土永磁同步电动机变频调速系统在FK6A-900型高速弹力丝机上的应用
日期：2008-9-26 17:01:47 来源：中国自动化网
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1、概述
FK6系列弹力丝机是一种将聚酯予取向丝(POY丝)进行拉伸假捻变形成弹力丝(DTY丝)的设备，是POY丝后加工设备，是江苏宏源纺机集团股份公司与德国Barmag公司于八十年代初技贸合作产品，在目前国内市场销售量已超过400台。该产品的传动系统原来采用直流闭环调速系统。这种直流电机调速系统中，由于直流电机（进口或国产）的维护周期短，电机维护费用大；加之控制板品种多，备件缺乏，且备件价格昂贵；要求电气维修人员技术水平高，维护工作量大；而且机械齿轮传动结构较复杂，改变工艺时，必须停机变换工艺齿（带）轮，用户必须配备几十种工艺带（齿）轮，调换工作极不方便。根据电气传动及控制技术的发展，并且为了适应用户市场小批量、多品种的工艺变化，通过市场调研，宏源公司于一九九六年底决定对该机的传动及控制系统进行重新开发研制，采用同步电动机变频调速系统控制（机器型号为FK6A-900），取代原直流电机速度控制（ 机器型号为FK6-900），割除工艺带（齿）轮。大大简化传动系结构，减少了加工及装配工作量, 提高了系统可靠性，降低了制造成本，节约了能源消耗，取得了新产品开发研制的成功。
2、FK6A-900型高速弹力丝机的电气传动系统
2.1 FK6-900高速弹力丝机主要罗拉传动如图1。
A、B面为对称。
W1（上喂入辊）、W2（中喂入辊）、W3（下 喂入辊）、W4（卷绕辊）4档罗拉采用35kw 直流 电机驱动轴上安装脉冲发生器。
工艺参数调整：
W2/W1，W3/W2，W4/W2均通过工艺带轮完成。
W5（横动辊）采用11kw直流电机驱动。
W6（假捻器龙带辊）采用2×22kw直流电机驱动。
2.2 FK6A-900高速弹力丝机交流变频调速系统方案的选择
由于电机传动系统对机器可靠性影响很大，因此选择电机调速系统时要充分考虑到系统的传 动控制要求、工作环境、运行可靠性。
（1） 企标要求
根据FK6-900企标Q/32021LG112-1997（企标参考Barmag公司标准而制定，目前尚无国标和部标），标准要求：
图1
1） W2的速度范围（以W2的线速度为机器基准速度。）：慢速100-300m/min，生产速度300- 900m/min，慢速用于机器调试及检修，生产纺丝速度为500-800m/min。 故FK6A-900调速范围 D=9:1(10:1)。
2） 各罗拉轴速度精度为±0.5% 3） 根据企标及FK6-900机使用经验，确定FK6A-900型机工艺调整范围设计要求：
W2/W1牵伸倍数： 范围1.50 - 4.00；
W3对W2欠喂率： 范围 0 - -15. 0%；
W4对W2欠喂率： 范围 0 - -15. 0%；
卷绕（W4）交叉角（2α）： 范围17°- 40°；
横动（W5）运动：除了横动辊与卷绕辊之间保持一定比例外，干扰三角波幅 度 0-±5%；
摩擦盘（W6）线速度与W2线速度之比D/Y： 范围1.50 - 2.50。
（2） 变频调速控制方案的选择
既然放弃直流调速方案，当然应采用目前先进的交流电动机变频调速方案。可是，究竟采用何种控制方式的变频调速呢？
概括起来有四种变频控制方式：1）异步电动机开环变频系统；2）无速度传感器异步电动机开环矢量变频系统；3）有速度传感器异步电动机闭环矢量变频系统；4）同步电动机开环变频系统。
综上四种变频调速控制方案，异步电动机开环变频调速达不到0.5%精度不能选用。异步电动机闭环变频调速虽可满足工艺调速精度要求，但由于加反馈使系统复杂化，可靠性降低，况且价格不低。异步电动机采用矢量型变频器开环控制时，系统精度仅达1%，无法满足该系统要求。因此若达到0.5%速度精度要求，必须采用变频器数字量设定，同时采用编码器闭环反馈，增加控制环节，而且目前有的变频器通讯和反馈不能同时使用，就给这个系统控制闭环控制造成一定局限性。我们也可采用带有高速计数通道PLC进行大闭环速度调整，但精度和实时性差一些。同时要考虑到编码器PLC高速计数通道的响应匹配，增加软件编制工作量。同时使用控制中P、I、D参数要通过现场实际控制来调节，以达到较好的效果。从价格方面考虑，11kw以下同步电机的开环控制与同功率异步变频闭环控制成本相近。另外稀土永磁同步电机功率因数和效率较高，整机传动功率降低，功耗降低约10%，约5kw，降低用户成本。最终选用稀土永磁同步电动机开环控制变频调速系统，其理由如下：
1） PM.SM转速精度在开环控制下，很容易达到0.5-0.01%，系统简单可靠；
2）PM.SM效率高，力率良。比较异步电动机可节能4-10%；
3）FK6A-900高速弹力丝机有7个同步（比例同步）变频传动，非常容易实现共用直流电源的 7台逆变器方案（它是最简单最理想的方案）；
4） PM.SM虽比异电动机贵些（1/3-1/2），但比进口专用变频异步电动机还便宜一些。根据 FK6A-900型机所要求速度范围和精度要求，并根据市场调研和电机制造厂进行技术交流，性能、价格比较，决定W1、W2、W3、W4选用浙江中源电气有限公司TYBZ系列三相交流变频稀土永磁同
表1为四种方案比较。
步电动机变频开环控制。同步电动机，采用高性能稀土永磁材料作为同步电机转子的励磁，电机的运转效率和功率因素高，调速精度高，调速范围大，输出特性硬，运转平稳，在开环控制下可取得很高的调速精度。该类电机曾在我公司ASKV612型牵伸机上使用，用户运行一年多，电机无出现任何故障。该种电机安装机座号与相同功率异步电动机相同，我们与电机厂签定详细技术要求和质量保证。主要的技术要求为：功率、极数、频率范围、V/F比关系、绝缘等级（F级）、热敏电阻（PTC）保护、电机轴承质量（进口）等。W5、W6和W7采用异步变频电机闭环控制。
（3） FK6A-900型变频调速系统图。如图2所示。
3、FK6A-900型高速弹力丝机变频调速控制框图
控制框图如图3。
说明：
人机界面采用西门子TP-27触摸屏，进行各种工艺参数设置、显示及故障报警。触摸屏与PLC进行通讯，进行数据传递。PLC是控制核心，与W5 、W6变频器进行数字通讯来设置变频器，如频率参数，同时可从变频器读出部分参数如频率、转速、电流等参数。整个控制系统具有数字化、智能化、操作简便、人机对话方便等一系列优点。
4、稀土永磁同步电动机的选用
FK6A-900高速弹力丝机采用永磁同步电动机开环变频调速系统。系统中有二大关键设备-变频器和永磁同步电动机的选用。
采用同步电机变频器开环控制，控制系统简单，系统的速度精度、稳定度完全取决于变频器的精度和稳定度。采用西门子MDC.VC系列、三垦MF.IF系列或富士G9P9和VG5、三菱FR-540等系列矢量变频器开环控制时，同时采用数字量设定，系统精度可达0.1%，完全可以满足该机的精度要求。
至于同步电动机选用浙江中源电气有限公司生产的TYBZ系列稀土永磁同步电动机,除了实际使用稳定可靠之外,其优点如下:
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FK6系列弹力丝机是一种将聚酯予取向丝(POY丝)进行拉伸假捻变形成弹力丝(DTY丝)的设备，是POY丝后加工设备，是江苏宏源纺机集团股份公司与德国Barmag公司于八十年代初技贸合作产品，在目前国内市场销售量已超过400台。该产品的传动系统原来采用直流闭环调速系统。这种直流电机调速系统中，由于直流电机（进口或国产）的维护周期短，电机维护费用大；加之控制板品种多，备件缺乏，且备件价格昂贵；要求电气维修人员技术水平高，维护工作量大；而且机械齿轮传动结构较复杂，改变工艺时，必须停机变换工艺齿（带）轮，用户必须配备几十种工艺带（齿）轮，调换工作极不方便。根据电气传动及控制技术的发展，并且为了适应用户市场小批量、多品种的工艺变化，通过市场调研，宏源公司于一九九六年底决定对该机的传动及控制系统进行重新开发研制，采用同步电动机变频调速系统控制（机器型号为FK6A-900），取代原直流电机速度控制（ 机器型号为FK6-900），割除工艺带（齿）轮。大大简化传动系结构，减少了加工及装配工作量, 提高了系统可靠性，降低了制造成本，节约了能源消耗，取得了新产品开发研制的成功。
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2、FK6A-900型高速弹力丝机的电气传动系统
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2.1 FK6-900高速弹力丝机主要罗拉传动如图1。
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A、B面为对称。
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W1（上喂入辊）、W2（中喂入辊）、W3（下 喂入辊）、W4（卷绕辊）4档罗拉采用35kw 直流 电机驱动轴上安装脉冲发生器。
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工艺参数调整：
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
W2/W1，W3/W2，W4/W2均通过工艺带轮完成。
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W5（横动辊）采用11kw直流电机驱动。
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W6（假捻器龙带辊）采用2×22kw直流电机驱动。
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2.2 FK6A-900高速弹力丝机交流变频调速系统方案的选择
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由于电机传动系统对机器可靠性影响很大，因此选择电机调速系统时要充分考虑到系统的传 动控制要求、工作环境、运行可靠性。
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（1） 企标要求
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根据FK6-900企标Q/32021LG112-1997（企标参考Barmag公司标准而制定，目前尚无国标和部标），标准要求：
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图1
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
1） W2的速度范围（以W2的线速度为机器基准速度。）：慢速100-300m/min，生产速度300- 900m/min，慢速用于机器调试及检修，生产纺丝速度为500-800m/min。 故FK6A-900调速范围 D=9:1(10:1)。
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2） 各罗拉轴速度精度为±0.5% 3） 根据企标及FK6-900机使用经验，确定FK6A-900型机工艺调整范围设计要求：
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W2/W1牵伸倍数： 范围1.50 - 4.00；
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W3对W2欠喂率： 范围 0 - -15. 0%；
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W4对W2欠喂率： 范围 0 - -15. 0%；
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卷绕（W4）交叉角（2α）： 范围17°- 40°；
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横动（W5）运动：除了横动辊与卷绕辊之间保持一定比例外，干扰三角波幅 度 0-±5%；
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摩擦盘（W6）线速度与W2线速度之比D/Y： 范围1.50 - 2.50。
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（2） 变频调速控制方案的选择
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既然放弃直流调速方案，当然应采用目前先进的交流电动机变频调速方案。可是，究竟采用何种控制方式的变频调速呢？
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概括起来有四种变频控制方式：1）异步电动机开环变频系统；2）无速度传感器异步电动机开环矢量变频系统；3）有速度传感器异步电动机闭环矢量变频系统；4）同步电动机开环变频系统。
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综上四种变频调速控制方案，异步电动机开环变频调速达不到0.5%精度不能选用。异步电动机闭环变频调速虽可满足工艺调速精度要求，但由于加反馈使系统复杂化，可靠性降低，况且价格不低。异步电动机采用矢量型变频器开环控制时，系统精度仅达1%，无法满足该系统要求。因此若达到0.5%速度精度要求，必须采用变频器数字量设定，同时采用编码器闭环反馈，增加控制环节，而且目前有的变频器通讯和反馈不能同时使用，就给这个系统控制闭环控制造成一定局限性。我们也可采用带有高速计数通道PLC进行大闭环速度调整，但精度和实时性差一些。同时要考虑到编码器PLC高速计数通道的响应匹配，增加软件编制工作量。同时使用控制中P、I、D参数要通过现场实际控制来调节，以达到较好的效果。从价格方面考虑，11kw以下同步电机的开环控制与同功率异步变频闭环控制成本相近。另外稀土永磁同步电机功率因数和效率较高，整机传动功率降低，功耗降低约10%，约5kw，降低用户成本。最终选用稀土永磁同步电动机开环控制变频调速系统，其理由如下：
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1） PM.SM转速精度在开环控制下，很容易达到0.5-0.01%，系统简单可靠；
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2）PM.SM效率高，力率良。比较异步电动机可节能4-10%；
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3）FK6A-900高速弹力丝机有7个同步（比例同步）变频传动，非常容易实现共用直流电源的 7台逆变器方案（它是最简单最理想的方案）；
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4） PM.SM虽比异电动机贵些（1/3-1/2），但比进口专用变频异步电动机还便宜一些。根据 FK6A-900型机所要求速度范围和精度要求，并根据市场调研和电机制造厂进行技术交流，性能、价格比较，决定W1、W2、W3、W4选用浙江中源电气有限公司TYBZ系列三相交流变频稀土永磁同
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表1为四种方案比较。
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步电动机变频开环控制。同步电动机，采用高性能稀土永磁材料作为同步电机转子的励磁，电机的运转效率和功率因素高，调速精度高，调速范围大，输出特性硬，运转平稳，在开环控制下可取得很高的调速精度。该类电机曾在我公司ASKV612型牵伸机上使用，用户运行一年多，电机无出现任何故障。该种电机安装机座号与相同功率异步电动机相同，我们与电机厂签定详细技术要求和质量保证。主要的技术要求为：功率、极数、频率范围、V/F比关系、绝缘等级（F级）、热敏电阻（PTC）保护、电机轴承质量（进口）等。W5、W6和W7采用异步变频电机闭环控制。
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（3） FK6A-900型变频调速系统图。如图2所示。
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3、FK6A-900型高速弹力丝机变频调速控制框图
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控制框图如图3。
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说明：
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人机界面采用西门子TP-27触摸屏，进行各种工艺参数设置、显示及故障报警。触摸屏与PLC进行通讯，进行数据传递。PLC是控制核心，与W5 、W6变频器进行数字通讯来设置变频器，如频率参数，同时可从变频器读出部分参数如频率、转速、电流等参数。整个控制系统具有数字化、智能化、操作简便、人机对话方便等一系列优点。
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4、稀土永磁同步电动机的选用
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FK6A-900高速弹力丝机采用永磁同步电动机开环变频调速系统。系统中有二大关键设备-变频器和永磁同步电动机的选用。
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采用同步电机变频器开环控制，控制系统简单，系统的速度精度、稳定度完全取决于变频器的精度和稳定度。采用西门子MDC.VC系列、三垦MF.IF系列或富士G9P9和VG5、三菱FR-540等系列矢量变频器开环控制时，同时采用数字量设定，系统精度可达0.1%，完全可以满足该机的精度要求。
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至于同步电动机选用浙江中源电气有限公司生产的TYBZ系列稀土永磁同步电动机,除了实际使用稳定可靠之外,其优点如下:
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