1 引言
随着新世纪的到来，中国每年新增近1000万锭纺纱生产能力，现已具备6000多万锭短纤纺纱能力和400多万锭长纤纺纱能力，拥有10万多家纺织服装生产企业，是世界最大的纺织国。近年来每年生产约2万台细纱机，5000台粗纱机，10万台织布机以及与之相应的各种配套设备。可见，中国也是一个纺织机械生产大国，在新世纪中，中国将要从纺织大国发展为纺织强国。作为纺织工业技术装备基础的纺织机械将呈现质的变化，从纺织大国发展为纺机强国，必将大力开发高效、节能、环保、高水平自动化技术的纺织机械产品，这是一项较长期而艰巨的任务。为实现这一宏伟目标、提升纺织机械自动化技术水平是最主要的关键技术之一。
随着中国加入wto, 其经济更加融入国际经济的大环境中, 欧洲纺织机械厂商已经在全力打入亚洲市场，包括中国市场。中国纺机生产面临着更加激烈的竞争, 促使纺机和纺机自动化技术发展呈现新的特点, 例如变频调速技术、运动控制技术、可编程控制器技术、网络技术等, 已在纺机上推广应用。现主要介绍纺织机械对变频调速技术的应用特点。
2 纺织机械变频调速的技术特点和要求
变频器技术随着电力电子技术、变流技术、现代控制理论和计算机技术的发展而得到快速发展。高档变频器均采用矢量控制或直接转矩控制技术、参数自调试、自识别和智能化控制，国产变频器多数尚属一般v/f开环控制，运转稳定性、可靠性和变频器整体技术水平还不理想。因此高档纺织机械大多采用欧洲、日本等进口变频器，中国纺织工业每年需用10万余台变频器，容量从0.1kw至315kw，1.5kw至30kw应用最为普遍。
纺织机械变频调速大多为一般交流异步电机变频调速，开环控制，调速范围10:1以内，但也有不少纺织机械对变频调速有较高或特殊要求。
2.1 多段速度调速
例如:细纱机锭子速度分段变速，一落纱从起动→分段升速→稳速→分段降速→停止，一般分为8~10段速度运行:升速为4~6段、降速为3~5段。这样有利于提高纺纱速度，减少断(纱)头率，提高纺纱质量。
纺纱长度与锭子转速的关系参见表1。
锭子转速有最佳纺纱曲线，可根据生产工艺摸索。
表1 纺纱长度与锭子转速的关系
表2 锭子转速随纺织长度变化关系表
例如纺纱长l=4000m,锭子转速最高19560r/min，l0=0时锭子起动，升速至r=12500~15000r/min，纺纱100m后，(即l)、锭子转速为r=13500~16200r/min。
图1 细纱机多段调速曲线图
表2所示为锭子转速随纺纱长度变化关系表。
即纺纱长达4000m时，全机停机，锭速迅速下降至零，完成一落纱。由纺纱曲线可见在小纱段锭子速度是匀速增加的，在大纱段，锭子速度是匀速降低的，小纱段不宜长，小纱段纺纱长度为一落纱总长度的20%左右，大纱段亦不宜长，大纱段纺纱长度为一落纱总长度的10%左右。
全机控制由plc实现，具有数据处理和逻辑控制两大功能。细纱机主轴、前、后罗拉速度s1、s2、s3速度传感器检测，其数值送plc，经plc进行数值运算和处理后，得出牵伸倍数，捻度等纺纱工艺参数，并按照预先设定的纺纱曲线调整主轴电机转速。
2.2 三角波调速
为了满足纱线卷绕成型好无叠线和塌边等的要求，纺丝卷绕头由摩擦辊、槽筒横动装置和筒管夹头等组成，而槽筒横动装置电机调速必须按图2所示的三角波规律进行调节，该图是以变频器输出率进行标注的，此种调速规律通常是由摆频发生器控制变频器输出频率来实现的。
图2 卷线头横动装置三角波调速曲线图
图2中: f1—三角波下限频率;
(t2—t1)—三角波下降时间;
f2—三角波上限频率;
(t3—t2)—三角波上升时间;
(f2—fj2)或者(fj1-f1)—跳跃频率;
t1—起动升速时间, 指变频器从0起动加速到上限频率所用的时间;
(t3—t1)—横动周期;
(tj1—t1)或者(tj2—t2)—跳跃时间;
由图2可见，当变频器驱动横动电机达到上限频率或下限频率时，频率应突变，下降为(f2—fj2)或上升为(fj1—f1)，突变频率(f2—fj2)或(fj1—f1)幅值一般为基本频率f1的1%左右，突变频率的时间，理论上要求是0，但实际上，由于横动装置和电机有惯性，使得电机速度不可能突变而有一过渡时间(fj1—f1)或(tj2—t2)，该过渡时间通常在0.1s以上。
高速纺卷绕头横动装置三角波调速的参数数值:
上限频率为206hz，下限频率为194hz;
跳跃频率为±2hz, 上升时间为3s;
下降时间为3s, 跳跃时间为0.1s。
并纱机槽筒也类似上述三角波进行调速，但三角波参数不同，因并纱机槽筒的转速远低于卷绕头槽筒，并纱机槽筒调速规律如图3所示。
图3 并纱机槽筒三角波运转曲线图
图3中: t02—t01为纺纱起动等待时间;
f02—f01为纺纱跳跃频率;
其余参数与图2相同。
2.3 恒张力恒线速卷绕调速
例如:浆纱机织轴卷绕、卷染或卷轧染机卷布辊等均要求随着纱线或布在轴上卷绕的直径逐步增大，(即卷径增大)要求轴的转速相应地逐步降低，以保证线布或布张力的稳定。即要求变频器内置卷径计算功能(输入线速度和角速度，相除后再乘以系数1/πd)。
2.4高精度同步调速和共直流母线调速
例如:平网印花机各印花单元同步调速，园网印花机印花导带和烘燥等同步调速，粘胶短纤维设备中的大网辊和托压辊、高压轧车上下辊的同步调速，采用高速光电编码器检测速度，输出的脉冲数与给定速度比较的闭环控制，实现高精度同步调速。
多电机同步协调运转在纺机中应用较多，特别是染整联合机，目前均为一台电机用一台变频器单独供电，这样不经济，采用共直流母线分组供电更合理，例如一组可供3~5台电机调速，也就是一套整流电源的直流电源直接供电3~5台逆变器并制成一个整体分别供3~5台电机调速，既可缩小体积，又可节省成本，染整联合机中电机容量大多为1.3kw~2.2kw。
2.5 通讯功能
变频器与开放式总线相连，设有rs485通讯口。当现场使用变频器台数多(例如10以上)、距离远，变频器与plc的i/o接口多、配线数量大、安装维护工作量大、费用高时，采用现场总线控制系统是合理的，例如大型涤纶纺丝后处理联合机等均采用此方案。为此，变频器必须挂接在开放式的现场总线上运行。变频器作为总线的从站、借助于总线可实现变频器从运行、停止、调频和修改参数等功能;变频器的频率、电流、电压等状态信号和过流、超频、欠压等故障信号均能实现中央监控，变频器的网络控制主要是将多台变频器通过串行口与上位机相连，采用人机界面实现对变频器的操作、运行、状况监视以及故障报警，这是技术发展趋势。
2.6 计长、定长功能
并条机，短纤盛丝桶装置，整经机等均要求棉条、丝、纱线应有计长、定长控制，即运行到规定长度时，自动报警, 停车。
2.7 电机零速伺服控制系统
例如:涤线、锦纶、粘胶等短纤维后处理联合机中各牵伸机分单元传动时, 为保证再起动、升速、运转和降速时，线束牵伸倍数恒定, 当停车过程速度降至零速以下时, 变频器应自动由速度控制模式切换到位置控制模式, 即要求在零速时保持转矩输出, 否则丝束将回缩、牵伸比随之变化。
2.8 防尘、防潮
纺织厂特别是清钢联、梳棉、并条、粗纱，细纱等机械设备使用环境中有较多的飞花(棉超短纤维)，如飞花凝聚在变频器散热片上，将影响变频器的散热，可能使变频器出现不应有的热跳脱，甚至损坏变频器。而染整机械特别是前处理设备和部分染色机械的使用环境中有可能蒸汽较多，甚至凝聚成水滴，将影响变频器的绝缘，甚至损坏变频器。因此，用于该场合的变频器应有一定的防护措施，如提高变频器的防护等级，或变频器的散热片可安装在拒外通风道或者变频器控制拒采取必要的密封等措施。
其他，还有定位功能、 简单plc功能等要求, 不详述。
3 结束语
纺织机械种类繁多，对电气传动系统的调速性能要求的高低也不一致。但总的来说，随着科技的进步，纺织机械的发展，对电气传动的调速性能的要求越来越高，变频调速的应用也越来越普遍。认识和深入了解各种纺织机械的特点及对调速性能的要求，是应用好变频器的关键问题之一。
参考文献
[1] 高孝纲. 我国的纺织机械机电一体化[j]. 纺织导报,2001,5.
[2] 张燕宾. 变频调速应用实践[m]. 北京:机械工业出版社,2002.
作者简介
高孝纲 男 教授级高工 曾任中国纺织总会机电研究所所长, 并兼任天津工业大学硕士研究生导师，中国纺织科学研究院特邀研究员。从事纺织机械电气传动、自动化技术研究、设计和技术管理工作40余年。
本文关键字：机械 设计参考，变频技术 - 设计参考
