紙機(jī)變頻傳動(dòng)的現(xiàn)狀與技術(shù)方案分析1孟彥京，郝鵬飛，張攀峰（西北輕工業(yè)學(xué)院自動(dòng)控制工程系，陜西咸陽712081）紙機(jī)變頻傳動(dòng)國(guó)外始于80年代中期，國(guó)內(nèi)大約在90年代初期。變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用在風(fēng)機(jī)水泵等領(lǐng)域取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在某些機(jī)械行業(yè)也發(fā)揮了重要作用。造紙機(jī)是一種負(fù)載基本恒定、轉(zhuǎn)速恒定的穩(wěn)速系統(tǒng)，其比較大的特點(diǎn)是要求速度長(zhǎng)期穩(wěn)定，同時(shí)要求動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間盡可能短。因此，紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)要求的是高穩(wěn)定性和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

　　進(jìn)入90年代，國(guó)內(nèi)一些中小紙廠對(duì)紙機(jī)變頻調(diào)速由嘗試到廣泛應(yīng)用，使得這些企業(yè)確實(shí)收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益。然而一些國(guó)有大中型老紙廠，在設(shè)備改造和引進(jìn)中并沒有選擇變頻傳動(dòng)方案。其原因是什么，變頻傳動(dòng)究竟有哪些優(yōu)勢(shì)，其在造紙機(jī)上應(yīng)用后的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益如何，面對(duì)今后國(guó)有企業(yè)改革，紙機(jī)向高速大型化發(fā)展，傳動(dòng)方案選擇直流還是交流，筆者對(duì)這些問題進(jìn)行了初步探討。

　　1國(guó)內(nèi)紙機(jī)米用變頻傳動(dòng)的背景經(jīng)初步調(diào)查，國(guó)內(nèi)采用變頻傳動(dòng)是從一些技術(shù)和設(shè)備都比較落后的中小企業(yè)開始的。這些紙廠有些發(fā)展成了全國(guó)有名的企業(yè)，如山東臨清、東營(yíng)、壽光、兗州等。而一些資深老牌企業(yè)，如南平、青州、岳陽等大型紙廠反而沒有采用變頻傳動(dòng)這一新技術(shù)。其中的原因我們分析有以下幾種。

　　1.1企業(yè)設(shè)備基礎(chǔ)和技術(shù)素質(zhì)的差別國(guó)有大中型企業(yè)的設(shè)備基礎(chǔ)好，一般都擁有大型高速紙機(jī)。其中一些紙廠如南平、岳陽等在70及80年代就己引進(jìn)和改造了紙機(jī)和傳動(dòng)設(shè)備，這些直流傳動(dòng)紙機(jī)一般都在500m/min以上。加之這些紙廠有大量高等院校畢業(yè)的專業(yè)技術(shù)人員，對(duì)維護(hù)和使用先進(jìn)的設(shè)備起到了可靠的保證作用。因此，在這些紙機(jī)上采用變頻改造顯然不合適也沒有必要。而中小型企業(yè)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)則不然，它們的紙機(jī)大多為低速小型紙機(jī)。其傳動(dòng)部分也五花八門，如滑差電機(jī)、整流子電機(jī)直流傳動(dòng)等。由于設(shè)備陳舊，加之沒有足夠的技術(shù)力量加以維護(hù)和調(diào)整，很難保證機(jī)器的正常運(yùn)行，斷紙和停機(jī)現(xiàn)象普遍。因此，紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和正常成為這些紙廠面臨的較大問題。

　　1.2國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和紙張需求增加刺激了企業(yè)改造90年代起國(guó)內(nèi)書刊報(bào)紙印刷對(duì)紙的需求加。中小企業(yè)相對(duì)大企業(yè)負(fù)擔(dān)輕勞動(dòng)力成本低，因此，盡管變頻改造一次性投資較大，但只要能夠起到穩(wěn)定生產(chǎn)、產(chǎn)的目的，就可以彌補(bǔ)回來。而開環(huán)變頻傳動(dòng)方案的特點(diǎn)恰好滿足了這一要求。變頻器是一種集電力、電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)為一體的一種典型的高科技產(chǎn)品，其操作簡(jiǎn)單，幾乎不要調(diào)整，和普通異步電機(jī)配合基本上形成了一種免維護(hù)無故障運(yùn)行的系統(tǒng)，不需要專門的技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行日常保養(yǎng)和維護(hù)。所以，這種方案一旦被證明可行，立即就在中小紙廠推廣開來，目前這類企業(yè)80%以上都采用了變頻方案。

　　1.3直流和交流在紙機(jī)傳動(dòng)中的技術(shù)特點(diǎn)從穩(wěn)速原理來說，不論直流或交流傳動(dòng)，只要有閉環(huán)和足夠的測(cè)速精度，那么穩(wěn)速效果是一樣的。

　　然而國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀是，可控硅直流傳動(dòng)自開發(fā)成功到定型生產(chǎn)，幾乎是數(shù)十年一貫制。一些企業(yè)90年代買到的產(chǎn)品還是70年代的工藝和元件，其可靠性和一致性遠(yuǎn)不如進(jìn)口產(chǎn)品和變頻器。因而，對(duì)中小型紙廠而言，可控硅直流傳動(dòng)是一個(gè)故障率高和經(jīng)常要維護(hù)的不可靠產(chǎn)品，變頻器的使用使這種反差極為明顯，所以一些企業(yè)將剛剛使用了不到一年的直流系統(tǒng)也進(jìn)行了改造。值得注意的問題是：可靠性差并不是直流傳動(dòng)系統(tǒng)這一方案自身的問題，而是國(guó)產(chǎn)直流產(chǎn)品落后的工藝和質(zhì)量管理體系造成的。

　　這就是為什么國(guó)有大中型企業(yè)的高速紙機(jī)大部分采用直流傳動(dòng)，而且能保持長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的原因。

　　從以上分析看，變頻傳動(dòng)在國(guó)內(nèi)紙機(jī)上的流行是有其特殊的歷史背景和條件的。今后造紙行業(yè)走向規(guī)模化，紙機(jī)要向大型高速發(fā)展，選擇變頻傳動(dòng)還是直流傳動(dòng)，要根據(jù)具體情況分析研究決定。

　　2變頻傳動(dòng)紙機(jī)的工作現(xiàn)狀21生產(chǎn)效率明顯提高由于技術(shù)原理上的差別，變頻器開環(huán)工作的穩(wěn)定性明顯高于直流或其它傳動(dòng)方案。將直流電機(jī)和交流電機(jī)的特性方程進(jìn)行比較，即可看出這一步。

　　3%，因此異步電動(dòng)機(jī)在開環(huán)運(yùn)行時(shí)靜差率己具有較小的值，幾乎可以和帶比例放大器的直流系統(tǒng)相比。這一特點(diǎn)是變頻開環(huán)傳動(dòng)的紙機(jī)比直流閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)大。實(shí)踐表明，在200m/min以下車速的紙機(jī)，開環(huán)變頻傳動(dòng)基本可以滿足要求。由于省掉了測(cè)速發(fā)電機(jī)、閉環(huán)調(diào)整等環(huán)節(jié)，故障率大大降低，因而生產(chǎn)效率得到提高。以臨清廠的6機(jī)改造為例，由直流傳動(dòng)改變頻傳動(dòng)后，月產(chǎn)量由500t提高到700t. 22電耗下降從紙機(jī)的工作特性上看，直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)本無節(jié)能與否的區(qū)別，因而造紙機(jī)本身不存在如風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載那樣的節(jié)能特性。但在實(shí)踐中，由直流改變頻后，能耗的確下降許多，一般節(jié)能率都在10%以上。如寶雞五一紙廠一臺(tái)1880薄頁紙機(jī)從輸入交流電流表上觀察，改造前直流傳動(dòng)電流為70A左右，而改成變頻傳動(dòng)后，車速由原來的90m/min提高到100m/min，電流卻下降到35~除功率因數(shù)影響，節(jié)電達(dá)2（%以上，此效果是如何產(chǎn)生的，可做如下解釋：交流電機(jī)效率普遍比直流高，一般可以高出6%~10%.直流系統(tǒng)附屬設(shè)備，如勵(lì)磁電源、變壓器電抗器均有不同程度的能耗，而交流系統(tǒng)沒有這些附屬設(shè)備，大約可以節(jié)能晚~5%.直流系統(tǒng)功率因數(shù)隨T角變化，出于穩(wěn)速目的，T角一般都大于30°因此，在車速達(dá)到額定值之前功率因數(shù)就更低，通常在0. 0. 7之間。而變頻器相對(duì)電網(wǎng)近似為容性負(fù)載，且這種性質(zhì)隨負(fù)載和車速下降更為顯著，其功率因數(shù)一般在0.9以上。這也是電流下降的原因。

　　除上述本質(zhì)差別外，由于系統(tǒng)簡(jiǎn)化車速提高和故障率降低等，使得單位產(chǎn)量能耗下降，也是節(jié)能的一個(gè)方面。

　　總之，直流改變頻后從能耗上看有不同程度的下降。

　　23居護(hù)工作量減少，居護(hù)費(fèi)用上升7.國(guó)產(chǎn)直流系統(tǒng)的缺點(diǎn)m障aalgi維護(hù)量較大，但費(fèi)用不變頻系s統(tǒng)則相反，維護(hù)；工作量大大減少，而費(fèi)用卻不同程度上升。如寧夏某紙廠一臺(tái)12分部的1760紙機(jī)，采用L系列的三肯變頻器多次出現(xiàn)故障，其維護(hù)費(fèi)用幾乎占了設(shè)備費(fèi)用的10%.這一現(xiàn)象除了使用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的某些不利因素外，主要是產(chǎn)品選擇問題。L系列變頻器與其它變頻器相比，故障率明顯高，因此選擇時(shí)應(yīng)進(jìn)行調(diào)查了解。

　　變頻器與可控硅直流系統(tǒng)有一個(gè)根本性差別就是技術(shù)手段和元件性質(zhì)不同。可控硅是半控器件，但技術(shù)成熟，可用快速容電器給予保護(hù)，這就決定了其安全保障是低成本的。而變頻器則不同，至今半導(dǎo)體技術(shù)還不能對(duì)可關(guān)斷器件實(shí)施可靠的低成本的保護(hù)，它的唯一保障措施只能靠關(guān)斷基極來實(shí)現(xiàn)。

　　因此，一旦線路或元件故障往往造成功率器件損壞，而功率器件的成本占到變頻器價(jià)格的1 /3以上，所以這是變頻器維護(hù)費(fèi)用高的主要原因。

　　24變頻器的正確使用和參數(shù)優(yōu)化有待研究目前大多數(shù)企業(yè)選用變頻器都是按出廠參數(shù)經(jīng)過簡(jiǎn)單設(shè)置后投入運(yùn)行的，操作程序和匹配關(guān)系也有一定的隨意性，這些都對(duì)變頻器安全和高效的運(yùn)行有一定的影響。例如轉(zhuǎn)矩提升和加減速時(shí)間的配合問題，不同部位變頻器和電動(dòng)機(jī)的匹配問題都值得研究。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，合理的配合應(yīng)當(dāng)是變頻器和電動(dòng)機(jī)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，而實(shí)際上多數(shù)用戶都沒這樣做，這對(duì)變頻器的安全使用是不利的。

　　25效率和速度精度對(duì)生產(chǎn)的影響雖然在200m/min以下的紙機(jī)開環(huán)基本上可以滿足要求，但調(diào)查表明，在多數(shù)紙機(jī)上個(gè)別分部如網(wǎng)部和烘干部之間容易斷紙、引紙困難及占用時(shí)間較長(zhǎng)，是開環(huán)低速紙機(jī)無法克服的問題。如果能夠簡(jiǎn)單的閉環(huán)改造或引入更好的控制方法，可望進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

　　3紙機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和方案的選擇從以上國(guó)內(nèi)紙機(jī)變頻傳動(dòng)的應(yīng)用背景和現(xiàn)狀看，變頻傳動(dòng)技術(shù)的采用和紙業(yè)市場(chǎng)及企業(yè)內(nèi)在因素有密切的聯(lián)系。隨著市場(chǎng)由賣方向買方的轉(zhuǎn)換，企業(yè)自身規(guī)模的擴(kuò)大和素質(zhì)的不斷提高，開環(huán)變頻傳動(dòng)必將由閉環(huán)取代，這是由生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益要求決定的。車速的提高及綜合經(jīng)濟(jì)效益的比較，從一次性投入到日常維修費(fèi)用、耗能的指標(biāo)的核算，都必然對(duì)目前紙機(jī)傳動(dòng)方案產(chǎn)生影響。那么交流機(jī)和直流機(jī)比較究竟哪個(gè)方案更合理、更經(jīng)濟(jì)，從技術(shù)的角度如何選擇判斷這兩種方案，以下談幾點(diǎn)粗淺的認(rèn)識(shí)。

　　3.1系統(tǒng)構(gòu)成隨著車速和工藝復(fù)雜性提高，新型紙機(jī)傳動(dòng)決不是僅靠開環(huán)或閉環(huán)措施就能滿足要求的，它必然帶來系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)向復(fù)雜化發(fā)展，如張力控制、負(fù)荷分配控制以及各種連動(dòng)控制的程序化等。因此，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜后變頻器開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)就不在存在，而閉環(huán)后直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的復(fù)雜性上己無大的區(qū)別，選用可靠性和技術(shù)結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單而便于操作和維護(hù)的系統(tǒng)將影響方案的決定和選擇。

　　3.2能耗和可靠性現(xiàn)代的直流傳動(dòng)電機(jī)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)過不斷改進(jìn)，效率有所提高，可以省掉一些如變壓器電抗器等附件，但總的效率比交流要低些，加上功率因數(shù)影響，交流系統(tǒng)比直流系統(tǒng)節(jié)能，估計(jì)在6%~ 10%之間。能耗指標(biāo)的另一個(gè)影響因素就是停機(jī)時(shí)間和整體生產(chǎn)效率。可靠性和可修復(fù)性及維修成本與維修時(shí)間等，對(duì)整體能耗指標(biāo)將產(chǎn)生較大的影響。在技術(shù)力量有保證的前提下，變頻器和直流傳動(dòng)相比可維修性要低得多，且維修時(shí)間和成本都會(huì)大于直流系統(tǒng)。在系統(tǒng)的可靠性方面，進(jìn)口直流傳動(dòng)也采用了類似變頻器的結(jié)構(gòu)和工藝等，就目前的技術(shù)而言，可靠性反而高于變頻器。這是因?yàn)椋海?）系統(tǒng)控制為大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)；（2）直流系統(tǒng)主回路和交流相比過載能力高得多；（3）直流和交流相比耐故障能力強(qiáng)。例如當(dāng)主回路某一驅(qū)動(dòng)或元件故障時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷不大時(shí)仍可以帶病工作。而變頻器則不能有絲毫故障，否則立即停機(jī)。

　　3.3系統(tǒng)的造價(jià)和使用費(fèi)用對(duì)單機(jī)容量不超過50kW的交流系統(tǒng)，通用變頻器加異步電機(jī)的價(jià)格和直流系統(tǒng)相比不相上下。

　　但直流系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，交流系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，在技術(shù)指標(biāo)上交流系統(tǒng)更高些。如果交流系統(tǒng)也采用閉環(huán)和專用變頻器，則造價(jià)比直流系統(tǒng)高。隨著專用變頻器價(jià)格下降，二者會(huì)接近理論上交流系統(tǒng)造價(jià)比直流系統(tǒng)造價(jià)比較終要低，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料和軟件技術(shù)費(fèi)用要下降，而銅和加工工藝費(fèi)用要上升。

　　在50kW以上的系統(tǒng)，直流系統(tǒng)將明顯占有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，這主要是變頻器的價(jià)格隨功率大而近似線形加，而直流系統(tǒng)除電動(dòng)機(jī)外，功率加價(jià)格加較少。

　　在使用費(fèi)用上，如果功率不大且開環(huán)，則交流系統(tǒng)費(fèi)用低于直流系統(tǒng)，這里主要是能源費(fèi)和人工費(fèi)。然而由于故障維修和備件費(fèi)用，交流系統(tǒng)又可能大于直流系統(tǒng)。

　　10年），交流系統(tǒng)更新和維修費(fèi)用會(huì)大于直流系統(tǒng)，因?yàn)橹绷飨到y(tǒng)主要是電動(dòng)機(jī)的維修費(fèi)用較大，控制系統(tǒng)較低。而變頻器不論維修或更換，其費(fèi)用都比直流系統(tǒng)高的多，5~ 10年變頻器至少有50%要維修和更新，而直流系統(tǒng)只要部分維修和更新，自然節(jié)省費(fèi)用。

　　4結(jié)論紙機(jī)正在朝高速大型化發(fā)展，隨著生產(chǎn)效率和效益的不斷提高，以往低速開環(huán)的紙機(jī)必將被閉環(huán)取代。

　　在200m/min以下的開環(huán)紙機(jī)中，仍存在個(gè)別分部如網(wǎng)部和烘干部傳動(dòng)之間速度失調(diào)問題，以及開環(huán)系統(tǒng)在引紙過程造成的浪費(fèi)。進(jìn)行簡(jiǎn)單可靠的閉環(huán)改造，將現(xiàn)有的開環(huán)系統(tǒng)得到升速效的作用。

　　大型紙機(jī)的維護(hù)和使用都離不開具有較高素質(zhì)和水平的工程技術(shù)人員，人才問題應(yīng)當(dāng)引起企業(yè)特別是新發(fā)展起來的企業(yè)的重視。

　　在技術(shù)力量不高的情況下，中低速紙機(jī)選用變頻方案，將利于減少故障率和提高生產(chǎn)率，但變頻器的選型很重要。

　　大型高速紙機(jī)（500m/min以上和寬幅3m以上），就目前的傳動(dòng)技術(shù)和工業(yè)水平而言，交流系統(tǒng)雖節(jié)能，但風(fēng)險(xiǎn)較大，成本也偏高，而直流系統(tǒng)易于維護(hù)且風(fēng)險(xiǎn)較小。在管理和技術(shù)水平較低的企業(yè)，直流系統(tǒng)雖能耗大些，但便于使用和維護(hù)。