開設“變頻器原理及應用”課程的必要性

王藩　曹成輝

摘 要 針對新型紡織機電專業學生的就業領域及前景，本文通過對變頻器的國內外發展現狀及變頻器在紡織機械設備中的應用現狀及前景的詳細介紹，說明變頻器在現代紡織設備自動控制系統中的重要性，以及該專業開設變頻器課程的必要性。

關鍵詞 新型紡織機電技術 變頻器 紡織設備 必要性

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.02.022

1 新型紡織機電技術專業簡介

新型紡織機電技術專業是培養適應紡織工業發展需求，培養紡織、機電復合型高級技術應用型專業技術人才。培養的學生應熟悉紡織原料、紡織設備工藝流程；會紡織生產基本操作、儀器設備維護保養；具有應用所學知識解決紡織機械電氣技術問題的能力。主要從事新型紡織機電設備的操作、維修、調試、保養、管理等工作。現代紡織設備自動化程度和控制精度都越來越高，并且國家提出的節能理念，都使得變頻器在紡織設備上的應用越來越廣泛。因此，該專業學生應在學習相關的專業核心課程之后，掌握變頻器的原理及應用的相關知識。

2 變頻器的國內外發展現狀

隨著全球能源危機，低碳經濟已成為當今社會發展的一個永恒的話題。這場綠色革命的浪潮中，節能仍是綠色革命中最具推廣意義和邊際經濟效益的領域。而變頻器在節能上具有獨一無二的特質，因此，低碳時代又推動了變頻器市場的快速發展。根據清潔技術市場情報公司Pike Research發布的報告顯示，到2017年，全球再生能源用變頻器市場將超越190億美元。

變頻技術快速發展的主要動力來源于變頻調速的突出優點及市場的廣泛需求，傳統的直流調速技術雖然調速性能好，但因體積大故障率高而使應用受到限制。并且隨著電力電子技術、計算機技術和自動控制技術及電機控制理論的快速發展，新的變頻技術層出不窮，使其得到了更廣泛的應用。

2.1 國外發展現狀

20世紀80年代中后期，美、日、德、英等發達國家的VVVF變頻器技術實用化，商品投入市場，得到了廣泛應用。并且在市場大量需求的推動下，以及大功率集成器件以及控制理論和微電子技術迅速發展的技術支持下，使得國外變頻器都已形成了較完整的變頻器技術產業體系，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水平使得國外的高端變頻器產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-交變頻調速技術方面搶占大部分市場；德國西門子在中功率變頻調速技術方面具有不可替代的地位。日本富士在小功率交流變頻調速技術方面比較成熟。①

2.2國內發展現狀

20世紀90年代中國企業界才開始認識并嘗試使用變頻器，但國內的變頻器整機技術落后，并沒有形成一定的技術和生產規模。差距主要體現在：變頻器技術開發難度大，變頻器的核心器件始終依賴進口，成為制約變頻器國產的瓶頸。性能不夠穩定，以及產品性能指標較低，因此，國內企業在變頻器發展初期所使用的變頻器大部分依靠進口，但由于其價格昂貴，沒有得到大面積推廣應用。

如今，中國正在堅定不移地推動低碳經濟，而節能是實現低碳的主要策略。其中，電動機做為最重要的設備動力源，其耗電量占全國總發電量的60%以上，而且80%為異步電動機，大多數電動機長時間處于輕載運行狀態，特別是風機、泵類負載的電動機，電機能耗占比高，節能潛力大，通過使用變頻調速裝置，使用變頻器的電機系統節電率普遍20%～30%，最高甚至可超過50%。2014年11月，國家發改委、工信部印發《重大節能技術與裝備產業化工程實施方案》，明確在電機系統領域，將重點推廣高壓變頻器等。同年12月，全國電機能效提升工作會議指出：要將電機能效提升計劃作為未來三年工業節能減排領域的重要任務之一。②近年來，隨著電機變頻調速節能效果日趨顯著，變頻器產品技術日趨成熟，而且價格不斷下調的共同推動下，企業投資改造電機積極性越來越高，驅動了電機變頻調速行業快速發展。未來幾年，該業務有望保持30%～40%的高速增長。

目前，國產變頻器的功能不斷得到提升、產品越來越多樣化。其中，智能化、全數字化、網絡化的產品日趨成熟。另外，矩陣式變頻器、綠色變頻器等新型變頻器也開始進入市場。近年來，國內變頻器企業通過自主創新來應對不同應用領域的挑戰，變頻器行業正在從以往單純提供產品，向用戶提供系統化解決方案轉變。多家變頻器企業在合同能源管理方面也取得不小成績，同時也將推動高壓變頻器實現外延式增長，發掘出新的市場增量需求。步入21世紀后，國產變頻器逐步崛起，它們已能挑戰國外的品牌，而且這支隊伍還在不斷擴大，現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企業提供量身定制的整體方案及全球聯保服務。成都佳靈成功改變了國產變頻器停留在V/F控制方式的這一現象，其推出的直接速度控制方式（DSC），則標志著中國在電機控制技術方面取得了質的飛躍。

3 變頻器在紡織設備上的應用現狀

3.1 紡織設備采用變頻調速的必要性

隨著人們生活水平的不斷提高，消費者對紡織產品的質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械，用自動化、微電子信息方面的新技術改造傳統紡織機械行業已經非常迫切。③如今的國內紡織設備生產廠商主要采用PLC及32位高速微處理器作為設備的控制中心，并且大多采用變頻調速實現控制要求。變頻技術的運用能有效的簡化設備結構，從而提高了電機驅動效率、方便工藝調節和降低維護量、縮短新機械設備的規劃開發周期。而且提高了紡織設備的可靠性、加工精度，擴大了品種的種類和適應性。

溫度和濕度是提高紡織品產量和質量的重要環境因素，而控制紡織車間溫度和濕度的常用機械設備是空調設備和水泵，而帶動風機和泵類負載的電動機，通常工作在輕載運行狀態，電機運行狀況較差。當使用變頻調速器控制后，其節能效果非常顯著，大大降低了功耗，節省了用電支出。④因此，大多數紡織加工企業都要求紡織設備采用變頻調速技術，以降低生產成本，節能減排。

早期的紡織設備其機械結構非常復雜，不僅耗電量大，而且控制精度差。采用變頻調速可大大簡化設備的傳動機構，并可提高設備的調速性能，進而提高產品的質量。

3.2 變頻調速器在紡織中的應用現狀

交流變頻調速技術在紡織設備上的應用是必要的，對傳統的紡織設備推廣應用也是可行的。變頻器在紡織設備中的應用主要體現在兩個方面：一方面是對原有舊設備的升級改造，另一方面是研發采用變頻技術的新紡織機械設備。目前，粗紗機、細紗機、絡筒機及各種化纖機械都已經使用了變頻技術，另外，對于織造機械中的漿紗機、整經機以及針織機、無紡布、化纖機械、印染機械上也大量使用了交流變頻調速器。

為了滿足市場需求，擴大國產紡織機械在國內市場的占有量，我國的紡織機械的機電一體化的水平應不斷提高。而不斷開發有我國自主知識產權的高質量、高水平的變頻器以及交流伺服電機控制器，并更好地將其應用于紡織機械的控制之中， 是行之有效的方法之一。目前，變頻器在紡織設備中的應用越來越廣泛，下面以在粗紗機和漿紗機中的應用為例來分析一下其應用現狀。

3.2.1 粗紗機

筒管卷繞與前羅拉的轉速在開停時容易產生差異，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節。傳統粗紗機的防細節裝置采用的是低壓電子器件與機構相配合的方式實現，這種防細節裝置在實際使用過程中存在嚴重缺陷，且在實際生產中能保持的很少，粗紗的防細節問題沒有得到很好的解決。⑤目前新型粗紗機及老機改造采用交流變頻技術，使這一工藝難題得以解決。

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

3.2.2 針織大圓機

針織大圓機是將棉紗織成筒狀的棉布，設備經常要求有急停，并要求有靈活的點動運行功能。工作過程要求電機平滑運行且啟動轉矩要求高。

高性能矢量變頻器很好地滿足了針織大圓機快速響應，平穩運行，快速停機等要求。在速度控制上針織大圓機要求兩個速度，一是點動運行速度，二是正常運行速度，點動是6HZ左右，二是正常速度40HZ左右，并且要求能夠根據所織布情況隨時調整電機速度。這些要求只有采用變頻調速采用實現，因此，變頻器在針織大圓機的控制系統中幾乎成為標配件。并且變頻器的平滑軟啟功能減少設備對電網的沖擊，優越的保護功能大大改善了設備的工藝，提高了產品的質量。

4 開設變頻器課程的必要性

通過前面對變頻器的紡織機械設備中的應用現狀的介紹，使我們深刻地意識到：要想提高國產紡織機械設備的機電一體化水平和產品質量，縮小其與國際先進水平之間的差距，我們應把交流變頻技術更好地應用于紡織機械的控制之中。不僅可以大大簡化紡織設備的結構，提高紡織設備的控制精度，并順應了低碳節能的社會發展需要。新型紡織機電技術專業的原有培養計劃中并沒有變頻器原理及應用這門課程，隨著變頻器在紡織設備調速控制中重要性的不斷提高，對于畢業后將主要從事紡織電氣設備維修、調試、保養、管理等工作的學生來講，掌握變頻器技術的相關知識，已成為其必須掌握的技能之一，因此，開設變頻器原理及應用這門課程是非常必要的。

注釋

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

② 呂明磊.淺談變頻器應用現狀與發展趨勢[J].機電信息，2012（3）.

③ 周建明，顧明等.變頻器在紡織行業應用調查：應用空間待突破 節能前景更廣泛[J].變頻器世界，2012（10）.

④ 青惠年.變頻器在紡織設備的應用淺析[J].輕紡工業與技術，2013（5）.

⑤ 劉榮清.變頻技術在紡織機械上的應用[J].紡織器材，2013（S1）.