FDY紡絲卷繞機變頻器的技術改造

梁偉雄

(廣東新會美達錦綸股份有限公司，廣東 新會529100)

變頻器調速系統是FDY設備電氣系統中重要的組成部分，它的穩定性、故障率及維修費用將直接影響生產機臺的效率。上世紀90年代，我司引進了德國巴馬格FDY設備紡絲線，其配套的電氣調節系統采用巴馬格BVS－25系列的專用變頻器控制。鑒于當時電子技術的發展，變頻器的控制回路、各種調節器及信號發生器都是模擬電路，其控制精度低、穩定性差、故障率高。更換IGBT逆變模塊需要2 000元/只，主板驅動板需要1 000元/塊，CPU控制板更需要每塊數千元，因此這樣的運行成本很高，同時生產設備受到很大的限制。隨著現代微電子及電力電子技術的發展，全數字化、高開關頻率、矢量控制特點的變頻器已全面推向市場，其控制精度高、穩定性好，生產成本大幅下降。2005年，我司工程技術人員采用日本安川F7變頻器，對其進行系統安裝及調試。本文詳細介紹了RGTK－2R4拖動柜的功能和F7安川變頻器的參數設置以及制動電阻的選配，為FDY紡絲卷繞機變頻器技術改造提供了理論和技術依據。

1 原卷繞機變頻器的特性及現狀分析

1.1 變頻器的特性

德國巴馬格FDY卷繞機采用巴馬格BVS－25－2ZV1 9KVA的專用變頻器控制，其主要特性為:采用V/f壓頻比控制方式、設定頻率的分辨率0.1 Hz、輸出頻率0～400 Hz、最高載波頻率4 kHz。

1.2 現狀分析

隨著使用時間的增加，變頻器內部元件逐漸老化，電容漏電，經常出現黑屏、過流、過載等報警，通過日常維修，其弊端主要有以下幾方面:

(1)主板強弱電之間沒有嚴格分開布線，這樣容易引起主板的短路，造成變頻器損壞。

(2)變頻器輸出含有豐富的高次諧波，容易使電機的功率因數及效率下降，電動機的電流增加10%，而溫升增加20%左右，影響電動機的使用壽命。

(3)IGBT逆度模塊關斷能力差，容易擊穿。一方面由于變頻多次過載或電網電壓波動較大，使得其脈動電流大，主板CPU來不及反映關斷采取保護措施所造成的。另一方面隨著使用時間的增加，主板的驅動光耦4502、4503開始老化，電容漏電及EH10－22R驅動板損壞等也容易造成IGBT逆變模塊短路擊穿。

(4)輸出接觸器經常吸合不正常，有時會掉電、亂跳，造成變頻器無輸出，結果發現因為開關電源出來引接觸器線包一路電源的濾波電容漏電而引起電壓偏低，無故停機。

2 改造方案的提出

我司德國巴馬格FDY紡絲線電氣調速系統采用巴馬格BVS－25系列的專用變頻器控制。全線共有變頻器96臺，其中卷繞機變頻器32臺，冷/熱輥變頻器32臺，計量泵變頻器16臺，油劑泵變頻器16臺。一種方案提出將全部變頻器進行改造，僅此一項新變頻器的投資就達100多萬元。同時更換下來的變頻器不能用作其他生產線上，造成不必要的浪費。另一種方案是保留原有系統，只對8臺卷繞機變頻器進行改造，這樣不僅大大降低了改造成本，同時更換下來的變頻器可作為其他部位變頻器的備用，有效減少機臺的停機時間，提高設備的生產效率。

2005年我司與北京中紡精業機電設備有限公司合作，采用日本安川CIMR－F7A4011 11 kW變頻器對8臺卷繞機的BVS－25－2ZV1 9KVA的專用變頻器進行技術改造。

3 系統的安裝

北京中紡精業設計的RGTK－2R4拖動柜是專門為巴馬格卷繞機變頻改造的拖動柜。每臺拖動柜由8臺日本安川F7變頻器組成，2臺拖動柜可完成對8臺卷繞機16只變頻器的控制功能。

3.1 卷繞機電動機驅動線

接線端子1XT為電動機驅動接線端子，從左到右前3個端子接電動機三相火線，第4個端子接電動機的接地線，按順序如此類推。

3.2 卷繞機控制線

接線端子2XT為卷繞機的主頻開控制接線端子，端子1、3、5、7、9、11、13、15接巴馬格控制柜端子的A6X2的P10;端子2、4、6、8、10、12、14、16接巴馬格控制柜端子的A6X2的P2。

3.3 卷繞機頻率信號線

端子3XT接從巴馬格的DCS上來的給定頻率。端子1、4、7、10、13、16、19、22接巴馬格控制柜端子的 A5X1的 P1;端子2、5、8、11、14、17、20、23接巴馬格控制柜端子的A5X1的P2。

3.4 變頻狀態信號線

端子4XT接變頻器正常運行的輸出信號，端子1、3、5、7、9、11、13、15接巴馬格控制柜端子的 A6X2的 P14;端子2、4、6、8、10、12、14、16接巴馬格控制柜端子A6X2的P2。

3.5 RPM2023變頻柜運轉控制模塊

RPM2023控制模塊是把巴馬格的DCS給定頻率信號轉換成實際電機轉速的變頻器設定頻率。每面柜子配有8個模塊，每個模塊對應不同的通訊地址(面對模塊從左到右為1～8)，即對應變頻器與顯示板的通訊地址，在顯示板上顯示其對應1～8的變頻參數，其接線原理如圖1所示。

4 系統的調試

4.1 安川F7變頻器參數設置

安川CIMR－F7A4011變頻器是電流矢量控制通用變頻器，其功能強大。在調試過程中，除了正確的外圍接線外，變頻器的參數必須進行有效設置。否則變頻器不能運轉或運行過程中出現過電流、過載等情況。卷繞機的電動機采用西門子1LA5 113－2AA99－Z型號的同步電機，其功率為4.25 kW，額定電流16.5 A，壓頻比為4.5 V/Hz，極對數2P=2。F7變頻器的參數設置及壓頻曲線見圖 2［1］。

圖1 RPM2023運轉模塊接線原理圖

圖2 v/f壓頻曲線

A1－01=4 全部參數顯示

A2－02=0 無PG，V/f控制

b1－01=4 脈沖序列輸入

b1－02=1 端子控制開/停

C1－01=10秒 加速時間

C1－02=10秒 減速時間

E1－01=400 V 變頻器輸入電壓

E1－03=F 自定義V/f曲線

E1－04=300 Hz 最高輸出頻率Fmax

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E1－05=360 V 最大電壓Vmax

E1－06=80 Hz 基本頻率FA

E1－07=1 Hz 中間輸出頻率FB

E1－08=5 V 中間輸出頻率電壓VC

E1－09=0 Hz 最低輸出頻率Fmin

E1－10=0 V 最低輸出頻率電壓Vmin

E2－01=16.5 A 電機額定電流

4.2 安川F7變頻制動電阻的選擇

FDY紡絲卷繞機的A、B輥自動切換后，減速的卷繞輥電動機處于發電狀態。此時將產生過電壓，所以變頻器的容量選擇應有一定的余量，同時應配備制動單元和制動電阻。A、B輥變頻器可以互相作制動單元，而對于制動電阻，工程上可按下式計算其阻值［2］。

式中:uC—制動單元動作電壓值，一般為710 V;

TB—制動轉矩;

Te—電機額定轉矩;

n—制動前電機轉速。

從式(1)中TB為制動轉矩，也可以通過工程上計算其標稱值［2］

式中:G2—電動機轉動慣量，可由電機特性查得，N·m;

G1—電機負載側折算到電機側的轉動慣量，N·m;

n1—制動前速度;

n2—制動后速度;

TS—減速時間;

TL—負載轉矩。

從式(1)中可以得出，當制動轉矩小于或等于額定轉矩的20%時，無需設置制動電阻，也就是可以不考慮制動方案。由電機內部的有功損耗作用下可以將中間直流回路電路電壓限制在過電壓保護動作值以下。但實際生產過程中，由于卷繞機線速度非常高，達到10 000 r/min以上，同時A、B輥切換頻繁，經常出現過電壓，過載等情況。因此必須引入制動電阻，經計算，選擇日本安川CIMR－F7A4011 11 kW變頻器，需配套1.5 kW/50 Ω的制動電阻，實際運行時并未出現過電流及過電壓跳閘。

5 結論

(1)本項技改克服了巴馬格變頻器故障多，維修費用高及備件不足的情況，提高了生產設備的穩定性。

(2)安川F7變頻器可靠性高，功能強大。頻率設定分辨為0.01 Hz，精度高于原變頻器的10倍，最高載波頻率可達15 kHz，靜噪音低，運行電流小，有完善的各種保護功能，并可實時監測實際運行頻率、電壓、電流值，得到了工藝員的認可。

(3)投資成本少。2臺RGTK－2R4拖動柜投資16萬元，原調速系統的巴馬格BVS－25－2ZV1 9 kV的專用變頻器大約5萬元/臺，通過對8臺卷繞機16只變頻器的改造，節省大約80萬元的維修費用。

(4)提高產品的效益。未改造之前，卷繞機的變頻器的輸出頻率越高，對電機的使用壽命影響越大。因此卷繞機的線速度最高只能達到4 300 m/min。經改造后，安川F7變頻器可以降低對電機使用壽命的影響，卷繞機的線速度可達到5 200 m/min，可見產品生產效益得到了明顯的提高。

［1］安川機電:株式會社.安川變頻F7使用說明書［Z］.

［2］韓安榮.通用變頻器及其應用［M］.北京:機械工業出版社，2003.