開設(shè)“變頻器原理及應(yīng)用”課程的必要性

王藩　曹成輝

摘 要 針對新型紡織機(jī)電專業(yè)學(xué)生的就業(yè)領(lǐng)域及前景，本文通過對變頻器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及變頻器在紡織機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景的詳細(xì)介紹，說明變頻器在現(xiàn)代紡織設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要性，以及該專業(yè)開設(shè)變頻器課程的必要性。

關(guān)鍵詞 新型紡織機(jī)電技術(shù) 變頻器 紡織設(shè)備 必要性

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.02.022

1 新型紡織機(jī)電技術(shù)專業(yè)簡介

新型紡織機(jī)電技術(shù)專業(yè)是培養(yǎng)適應(yīng)紡織工業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)紡織、機(jī)電復(fù)合型高級技術(shù)應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才。培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)熟悉紡織原料、紡織設(shè)備工藝流程；會(huì)紡織生產(chǎn)基本操作、儀器設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)；具有應(yīng)用所學(xué)知識解決紡織機(jī)械電氣技術(shù)問題的能力。主要從事新型紡織機(jī)電設(shè)備的操作、維修、調(diào)試、保養(yǎng)、管理等工作?，F(xiàn)代紡織設(shè)備自動(dòng)化程度和控制精度都越來越高，并且國家提出的節(jié)能理念，都使得變頻器在紡織設(shè)備上的應(yīng)用越來越廣泛。因此，該專業(yè)學(xué)生應(yīng)在學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)核心課程之后，掌握變頻器的原理及應(yīng)用的相關(guān)知識。

2 變頻器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著全球能源危機(jī)，低碳經(jīng)濟(jì)已成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的一個(gè)永恒的話題。這場綠色革命的浪潮中，節(jié)能仍是綠色革命中最具推廣意義和邊際經(jīng)濟(jì)效益的領(lǐng)域。而變頻器在節(jié)能上具有獨(dú)一無二的特質(zhì)，因此，低碳時(shí)代又推動(dòng)了變頻器市場的快速發(fā)展。根據(jù)清潔技術(shù)市場情報(bào)公司Pike Research發(fā)布的報(bào)告顯示，到2017年，全球再生能源用變頻器市場將超越190億美元。

變頻技術(shù)快速發(fā)展的主要?jiǎng)恿碓从谧冾l調(diào)速的突出優(yōu)點(diǎn)及市場的廣泛需求，傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)雖然調(diào)速性能好，但因體積大故障率高而使應(yīng)用受到限制。并且隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)及電機(jī)控制理論的快速發(fā)展，新的變頻技術(shù)層出不窮，使其得到了更廣泛的應(yīng)用。

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的VVVF變頻器技術(shù)實(shí)用化，商品投入市場，得到了廣泛應(yīng)用。并且在市場大量需求的推動(dòng)下，以及大功率集成器件以及控制理論和微電子技術(shù)迅速發(fā)展的技術(shù)支持下，使得國外變頻器都已形成了較完整的變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系，并且控制方式較多，控制精度高。完善的工藝水平和較高的技術(shù)水平使得國外的高端變頻器產(chǎn)品迅速搶占了大部分國際市場。例如，法國阿爾斯通和意大利ABB公司在大功率交-交變頻調(diào)速技術(shù)方面搶占大部分市場；德國西門子在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面具有不可替代的地位。日本富士在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)方面比較成熟。①

2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代中國企業(yè)界才開始認(rèn)識并嘗試使用變頻器，但國內(nèi)的變頻器整機(jī)技術(shù)落后，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。差距主要體現(xiàn)在：變頻器技術(shù)開發(fā)難度大，變頻器的核心器件始終依賴進(jìn)口，成為制約變頻器國產(chǎn)的瓶頸。性能不夠穩(wěn)定，以及產(chǎn)品性能指標(biāo)較低，因此，國內(nèi)企業(yè)在變頻器發(fā)展初期所使用的變頻器大部分依靠進(jìn)口，但由于其價(jià)格昂貴，沒有得到大面積推廣應(yīng)用。

如今，中國正在堅(jiān)定不移地推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)，而節(jié)能是實(shí)現(xiàn)低碳的主要策略。其中，電動(dòng)機(jī)做為最重要的設(shè)備動(dòng)力源，其耗電量占全國總發(fā)電量的60%以上，而且80%為異步電動(dòng)機(jī)，大多數(shù)電動(dòng)機(jī)長時(shí)間處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，特別是風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的電動(dòng)機(jī)，電機(jī)能耗占比高，節(jié)能潛力大，通過使用變頻調(diào)速裝置，使用變頻器的電機(jī)系統(tǒng)節(jié)電率普遍20%～30%，最高甚至可超過50%。2014年11月，國家發(fā)改委、工信部印發(fā)《重大節(jié)能技術(shù)與裝備產(chǎn)業(yè)化工程實(shí)施方案》，明確在電機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域，將重點(diǎn)推廣高壓變頻器等。同年12月，全國電機(jī)能效提升工作會(huì)議指出：要將電機(jī)能效提升計(jì)劃作為未來三年工業(yè)節(jié)能減排領(lǐng)域的重要任務(wù)之一。②近年來，隨著電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能效果日趨顯著，變頻器產(chǎn)品技術(shù)日趨成熟，而且價(jià)格不斷下調(diào)的共同推動(dòng)下，企業(yè)投資改造電機(jī)積極性越來越高，驅(qū)動(dòng)了電機(jī)變頻調(diào)速行業(yè)快速發(fā)展。未來幾年，該業(yè)務(wù)有望保持30%～40%的高速增長。

目前，國產(chǎn)變頻器的功能不斷得到提升、產(chǎn)品越來越多樣化。其中，智能化、全數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)品日趨成熟。另外，矩陣式變頻器、綠色變頻器等新型變頻器也開始進(jìn)入市場。近年來，國內(nèi)變頻器企業(yè)通過自主創(chuàng)新來應(yīng)對不同應(yīng)用領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，變頻器行業(yè)正在從以往單純提供產(chǎn)品，向用戶提供系統(tǒng)化解決方案轉(zhuǎn)變。多家變頻器企業(yè)在合同能源管理方面也取得不小成績，同時(shí)也將推動(dòng)高壓變頻器實(shí)現(xiàn)外延式增長，發(fā)掘出新的市場增量需求。步入21世紀(jì)后，國產(chǎn)變頻器逐步崛起，它們已能挑戰(zhàn)國外的品牌，而且這支隊(duì)伍還在不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場。例如：利德華福、英威騰、森蘭等眾多知名國內(nèi)企業(yè)提供量身定制的整體方案及全球聯(lián)保服務(wù)。成都佳靈成功改變了國產(chǎn)變頻器停留在V/F控制方式的這一現(xiàn)象，其推出的直接速度控制方式（DSC），則標(biāo)志著中國在電機(jī)控制技術(shù)方面取得了質(zhì)的飛躍。

3 變頻器在紡織設(shè)備上的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 紡織設(shè)備采用變頻調(diào)速的必要性

隨著人們生活水平的不斷提高，消費(fèi)者對紡織產(chǎn)品的質(zhì)量及舒適性的要求越來越高，而紡織工藝的水平取決于紡織機(jī)械，用自動(dòng)化、微電子信息方面的新技術(shù)改造傳統(tǒng)紡織機(jī)械行業(yè)已經(jīng)非常迫切。③如今的國內(nèi)紡織設(shè)備生產(chǎn)廠商主要采用PLC及32位高速微處理器作為設(shè)備的控制中心，并且大多采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)控制要求。變頻技術(shù)的運(yùn)用能有效的簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)，從而提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率、方便工藝調(diào)節(jié)和降低維護(hù)量、縮短新機(jī)械設(shè)備的規(guī)劃開發(fā)周期。而且提高了紡織設(shè)備的可靠性、加工精度，擴(kuò)大了品種的種類和適應(yīng)性。

溫度和濕度是提高紡織品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要環(huán)境因素，而控制紡織車間溫度和濕度的常用機(jī)械設(shè)備是空調(diào)設(shè)備和水泵，而帶動(dòng)風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的電動(dòng)機(jī)，通常工作在輕載運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)運(yùn)行狀況較差。當(dāng)使用變頻調(diào)速器控制后，其節(jié)能效果非常顯著，大大降低了功耗，節(jié)省了用電支出。④因此，大多數(shù)紡織加工企業(yè)都要求紡織設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)，以降低生產(chǎn)成本，節(jié)能減排。

早期的紡織設(shè)備其機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不僅耗電量大，而且控制精度差。采用變頻調(diào)速可大大簡化設(shè)備的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并可提高設(shè)備的調(diào)速性能，進(jìn)而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.2 變頻調(diào)速器在紡織中的應(yīng)用現(xiàn)狀

交流變頻調(diào)速技術(shù)在紡織設(shè)備上的應(yīng)用是必要的，對傳統(tǒng)的紡織設(shè)備推廣應(yīng)用也是可行的。變頻器在紡織設(shè)備中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是對原有舊設(shè)備的升級改造，另一方面是研發(fā)采用變頻技術(shù)的新紡織機(jī)械設(shè)備。目前，粗紗機(jī)、細(xì)紗機(jī)、絡(luò)筒機(jī)及各種化纖機(jī)械都已經(jīng)使用了變頻技術(shù)，另外，對于織造機(jī)械中的漿紗機(jī)、整經(jīng)機(jī)以及針織機(jī)、無紡布、化纖機(jī)械、印染機(jī)械上也大量使用了交流變頻調(diào)速器。

為了滿足市場需求，擴(kuò)大國產(chǎn)紡織機(jī)械在國內(nèi)市場的占有量，我國的紡織機(jī)械的機(jī)電一體化的水平應(yīng)不斷提高。而不斷開發(fā)有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高質(zhì)量、高水平的變頻器以及交流伺服電機(jī)控制器，并更好地將其應(yīng)用于紡織機(jī)械的控制之中， 是行之有效的方法之一。目前，變頻器在紡織設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛，下面以在粗紗機(jī)和漿紗機(jī)中的應(yīng)用為例來分析一下其應(yīng)用現(xiàn)狀。

3.2.1 粗紗機(jī)

筒管卷繞與前羅拉的轉(zhuǎn)速在開停時(shí)容易產(chǎn)生差異，造成粗紗張力的過大與過小，這樣就很容易形成粗紗的粗細(xì)節(jié)。傳統(tǒng)粗紗機(jī)的防細(xì)節(jié)裝置采用的是低壓電子器件與機(jī)構(gòu)相配合的方式實(shí)現(xiàn)，這種防細(xì)節(jié)裝置在實(shí)際使用過程中存在嚴(yán)重缺陷，且在實(shí)際生產(chǎn)中能保持的很少，粗紗的防細(xì)節(jié)問題沒有得到很好的解決。⑤目前新型粗紗機(jī)及老機(jī)改造采用交流變頻技術(shù)，使這一工藝難題得以解決。

無錫宏源機(jī)電科技有限公司研制的FA415A、ASFA411A型粗紗機(jī)，是吸收國際先進(jìn)技術(shù)研制的高速懸錠粗紗機(jī)，它的能效之高已被國內(nèi)外用戶所公認(rèn)。最高錠速可達(dá)1300 rpm，其主電機(jī)采用變頻器調(diào)速裝置，實(shí)行柔性起動(dòng)和調(diào)速，速度平穩(wěn)，無機(jī)械沖擊，紡大紗時(shí)PLC能自動(dòng)控制扁平裝置多級降低主電機(jī)速度，減少大紗離心力對粗紗張力影響，使張力處于最佳狀態(tài)，以降低斷頭率，提高紡紗質(zhì)量。

3.2.2 針織大圓機(jī)

針織大圓機(jī)是將棉紗織成筒狀的棉布，設(shè)備經(jīng)常要求有急停，并要求有靈活的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行功能。工作過程要求電機(jī)平滑運(yùn)行且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求高。

高性能矢量變頻器很好地滿足了針織大圓機(jī)快速響應(yīng)，平穩(wěn)運(yùn)行，快速停機(jī)等要求。在速度控制上針織大圓機(jī)要求兩個(gè)速度，一是點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行速度，二是正常運(yùn)行速度，點(diǎn)動(dòng)是6HZ左右，二是正常速度40HZ左右，并且要求能夠根據(jù)所織布情況隨時(shí)調(diào)整電機(jī)速度。這些要求只有采用變頻調(diào)速采用實(shí)現(xiàn)，因此，變頻器在針織大圓機(jī)的控制系統(tǒng)中幾乎成為標(biāo)配件。并且變頻器的平滑軟啟功能減少設(shè)備對電網(wǎng)的沖擊，優(yōu)越的保護(hù)功能大大改善了設(shè)備的工藝，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

4 開設(shè)變頻器課程的必要性

通過前面對變頻器的紡織機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用現(xiàn)狀的介紹，使我們深刻地意識到：要想提高國產(chǎn)紡織機(jī)械設(shè)備的機(jī)電一體化水平和產(chǎn)品質(zhì)量，縮小其與國際先進(jìn)水平之間的差距，我們應(yīng)把交流變頻技術(shù)更好地應(yīng)用于紡織機(jī)械的控制之中。不僅可以大大簡化紡織設(shè)備的結(jié)構(gòu)，提高紡織設(shè)備的控制精度，并順應(yīng)了低碳節(jié)能的社會(huì)發(fā)展需要。新型紡織機(jī)電技術(shù)專業(yè)的原有培養(yǎng)計(jì)劃中并沒有變頻器原理及應(yīng)用這門課程，隨著變頻器在紡織設(shè)備調(diào)速控制中重要性的不斷提高，對于畢業(yè)后將主要從事紡織電氣設(shè)備維修、調(diào)試、保養(yǎng)、管理等工作的學(xué)生來講，掌握變頻器技術(shù)的相關(guān)知識，已成為其必須掌握的技能之一，因此，開設(shè)變頻器原理及應(yīng)用這門課程是非常必要的。

注釋

① 張祥星，杜慧慧等.變頻器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].裝備制造技術(shù)，2011（9）.

② 呂明磊.淺談變頻器應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機(jī)電信息，2012（3）.

③ 周建明，顧明等.變頻器在紡織行業(yè)應(yīng)用調(diào)查：應(yīng)用空間待突破 節(jié)能前景更廣泛[J].變頻器世界，2012（10）.

④ 青惠年.變頻器在紡織設(shè)備的應(yīng)用淺析[J].輕紡工業(yè)與技術(shù)，2013（5）.

⑤ 劉榮清.變頻技術(shù)在紡織機(jī)械上的應(yīng)用[J].紡織器材，2013（S1）.