變頻器在紙包設備中的應用形式討論

邢濤 王繼成

【中圖分類號】 F252.82 【文獻標識碼】A 【文章編號】2236-1879（2017）05-0200-02

一、概述

隨著電磁線行業的發展，用戶對產品要求越來越高，電磁線絕緣層之間相對位置日益引起用戶的關注，尤其是ABB、SEMES等用戶，對絕緣層中絕緣紙之間位置提出了嚴格要求。以往的由一臺電機通過傳動軸和齒輪帶動多組繞包頭和牽引的設計形式，因為齒輪和傳動帶的間隙造成運轉的不同步，從而造成產品已不能滿足用戶要求同時，普通三項異步電動機起步沖擊造成牽引和繞包頭不同步同樣影響了繞包節距不穩定。為了滿足不同用戶的日益提高的要求和提高產品等級，變頻器應用較好的解決了上述問題。

二、紙包電磁線生產工藝簡介

紙包機通常由放線裝置、繞包頭裝置、牽引裝置、收線裝置組成。其生產過程為一根或多根導體從放線裝置放出，通過繞包頭，由牽引裝置夾緊在無相對位移情況下牽引導體穩定向前運行，中間各繞包頭把絕緣紙穩定勻速的繞包到導體上，最后由收線裝置將產品收到線盤上。繞包裝置通常由1～4組繞包頭組成，每個繞包頭可繞包由2～8層絕緣紙，一次性繞包總層數在2～32層之間。繞包節距一般不超30mm，牽引設計速度一般不超過1200mm/min，這樣繞包頭轉速最大為400rpm/min。導體的截面積一般在3～250mm2之間。繞包紙帶的寬度在5～30mm之間。其核心部分為要求各繞包頭間運動要協調一致，各繞包頭與牽引之間運動傳動比要穩定不變。其示意圖如下：

三、存在的問題

傳統的的紙包設備由三項異步電動機作為動力源。繞包頭的運動由三項異步電動機通過傳動帶，無機變速器，主傳動軸，繞包頭分變速箱，帶動繞包頭完成繞包機械運動。牽引的運動由三項異步電動機通過傳動帶，無機變速器，牽引變速箱，牽引履帶帶動導體運動來完成。由于傳動軸過多的機械連接，變速箱中齒輪的間隙，雖然各繞包頭的動力均來自同一動力源，但當動力傳到繞包頭時卻出現了明顯的差別，使各繞包頭啟動、運行、停車不同步，造成不同繞包頭間紙帶的相互位置不穩定，出現間隙重疊等質量問題。同時牽引裝置與各繞包頭間的不同步使得各繞包頭產生的節距不穩定，使啟車與運行中節距不均勻。同時設備在啟動和停車時，因三項異步電動機直接從電磁繼電器接收380v50Hz交流電源，導致電機啟動的瞬間即為最高轉速，又因設備間的間隙，給設備帶來極大機械的沖擊，嚴重縮短了設備壽命。在設備的停車過程中靠電機的強制停車同樣造成沖擊，加快設備的損耗。在設備的啟動停車過程中因轉速的變化過于突然，勢必造成繞包產品質量的嚴重下降。

四、解決方案

根據以上的分析，要解決上述問題應從兩方面入手：首先解決設備啟動和停車造成的機械沖擊問題；其次解決各繞包頭之間及牽引裝置之間的同步問題設備的啟動和停車問題較好解決，只需要在三相異步電機的電源電路中串聯一臺普通變頻器即可解決問題。根據使用的實際情況，設定設備的啟動時間、停車時間和啟動曲線即可解決問題。真正核心問題是如何靠變頻器解決各繞包頭和牽引的同步問題，要解決此問題必須消除機械間隙問題，要想減少傳動環節，必須去處傳動軸和無機變速箱、齒輪箱等傳動環節，這樣就要求每個繞包頭和牽引分別獨立驅動。從分析和實際應用來可以在電機上直接安裝齒輪，在繞包頭上安裝齒輪，這樣只需要一組齒輪既可帶動繞包頭運轉。明顯減少了傳動環節。也可以在電機和繞包頭上安裝齒型帶輪，通過齒型帶傳動，因齒型帶不存機械間隙，較一組齒輪傳動效果更好。那末在機械間隙解決之后，問題就轉移到如何解決各電機同步的問題上來。從理論來推理應該有四種解決方案。

第一種：一拖多非閉環控制

此種方案含義為：由一臺大功率的變頻器拖動多臺電機同時運行。假如每個繞包頭的電機需求功率為5Kw，有4個繞包頭，牽引功率為7Kw，那末總需求功率為：

5Kwx4+7Kw=27 Kw

連接方式示意圖如下：

那么根據在實際選用時應預留出一定功率的富裕量，選擇一臺30Kw變頻器較為合適。連線時需要把電源連接到變頻器的輸入端，將所有電機并聯到變頻器的輸出端。因此種方案為一臺變頻器拖動多臺電機，這樣在變頻器發出指令時多臺電機接到同樣的電壓信號和頻率信號，所以同步運行較好。同時又因為一臺變頻器拖動多臺電機，一般一臺變頻器只能接受一組回饋信號，無法接收多組回饋信號，這就導致了變頻器只知道向外發送信號，不知道各電機的實際運行情況，無法形成閉環控制，這就造成了即使一臺電機發生問題，只要不影響變頻器輸出，它依舊運轉問題。同時要求各電機間平衡性較好。

第二種：變頻器串聯控制

此種方案含義為：每臺電機由一臺變頻器獨立控制，下一臺變頻器從上一臺變頻器接受輸出信號，調整自身輸出。如果同樣依照上面設備配置，那么就需要4臺5Kw變頻器和一臺7kw變頻器。連接方式示意圖如下：

此種方案的優點是下一臺變頻器接收到上一臺變頻器的輸出信號，根據信號調整自己的輸出，整個變頻器組形成總閉環，依次向上一級采集信號，這樣當一臺變頻器發生問題是其它變頻器同時停止運轉，避免了第一種方案的缺陷。但此種方案依舊存在當其中一臺電機或其相關設備發生故障時，如果不足以引起控制變頻器的輸出發生問題，即在發生了不同步，依舊繼續運轉問題。

第三種：采用可編程控制器進行控制

此種方案含義為：每臺電機由一臺變頻器獨立控制，所有變頻器從上PLC接受輸出信號，調整自身輸出。如果同樣依照上面設備配置，那么就需要4臺5Kw變頻器和一臺7kw變頻器。連接方式示意圖如下：

此種方案的優點是由PLC進行統一控制，可同時調整所有變頻器輸出曲線。

第四種：各變頻器閉環進行控制

此種方案含義為：每臺電機由一臺變頻器獨立控制，在所有電機或繞包頭等機械輸出部位安裝編碼器，反饋機械的實際運動狀態，變頻器根據反饋信號與設定參數調整自身輸出保證各部運轉同步。如果同樣依照上面設備配置，那么就需要4臺5Kw變頻器和一臺7kw變頻器。連接方式如下：

此種方案的優點是變頻器能確認各個機械部的實際運行狀態，能保證各機械運轉嚴格按照設定的參數運行。其缺點是各繞包頭要求獨立設定參數，調整較為繁瑣。

以上幾種方案為主要形式，細分又可以分成更多種形式，可根據控制精度和成本進行考慮。

此外，如果將變頻器調整為矢量控制變頻器，將電機調整為變頻電機，整個控制系統將提高到更高水平。