针梳机调速自动控制系统的改造

张雪 梁旭 欧飞

摘 ；要：本文介绍了毛条生产线上针梳机调速自动控制系统的基本原理及系统的性能特点，并简要介绍了针梳机的变频调速系统改造，分析了该变频调速系统调试过程中存在的问题及解决的方法。

关键词：针梳机调速自动控制系统 ；PLC ；变频器 ；改造

茂名某毛纺企业针梳机的14台异步交流电动机的调速系统，使用原装进口的AMPACT AM3-415-73L-200针梳机变频器。这种变频器是20世纪80年代末设计的产品，采用非模块化模拟电路设计，电路复杂，长时间运转导致变频器电路元件严重老化，无论是控制回路的线路板还是主回路的整流器、逆变器都陆续出现了电气故障，造成针梳机经常因故障停机、毛条产量低，经济效益锐减，对这批变频器的改造迫在眉睫。

笔者学校电气专业教师与该厂技术骨干人员共同改造了针梳机调速自动控制系统，降低了能耗，提高了生产效益。

一、调速自动控制系统的基本原理

毛条针梳机属于恒转矩负载，针梳机生产线的电气自动控制系统由可编程序控制器（PLC）、变频器、异步电动机、控制线路和相关电气元器件组成，如图所示。

该针梳机生产线采用德国西门子公司的组合式PLC S5-95U型号，组合柜内含1块电源插卡、1块CPU插卡、5块输入插卡和3块输出插卡，其中输入插卡使用金钟穆勒EBE201型号，支持16路模拟信号输入；输出插卡使用金钟穆勒EBE203型号，支持16路模拟0-24V输出信号输出。该PLC能进行无触点的逻辑控制，提高控制系统性能、运行的可靠性，缩小控制装置的体积，降低故障率，减少维护维修的工作量，降低能耗。例如针梳机主轴和前、后罗拉速度通过速度传感器检测，其值输入PLC进行运算后，计算出毛条长度等工艺参数。毛条长度输入PLC与设定值进行比较后，及时调整变频器的输出频率，使针梳机按设定进行毛条梳理，当梳理长度达到设定值时停机（比如每次达到预设值为1500），PLC输出指令，切毛电动机工作带动相关切毛机构切断毛条，然后自动更换毛条落毛桶，再进行下一个生产循环周期。

该针梳机生产线变频器采用V/f控制模式，这种变频器采用正弦波脉宽调制，控制相对简单，变频调速的机械特性硬度较好，能满足对调速要求不高的部分纺织机械的调速要求。主电动机M1变频调速系统经整流、电容滤波后，再由相应的逆变器逆变成变压调频的交流电，实现主电动机的变频调速。

变频调速系统的降速，是通过降低给定频率的方式来实现的。频率降低时，同步转速同时下降，此时电动机转速因惯性（包括负载惯性）作用而不能马上降下来，因而导致电动机运行转速超过同步转速而处于再生制动状态，使电动机转速迅速地跟随频率的下降而下降。

毛条生产线要求调速系统能长期连续、稳定、可靠的工作，也就是一年8000小时连续运转不出故障。

二、调速系统的改造

经过校企专家分析论证，得出结论：修复有故障的变频器的最有效办法是将变频器更新换代，对原调速系统进行技术改造。

参照该生产线主拖动电动机的参数为额定电压380V、额定功率11kW、额定电流20.9A、转速2930r/min，可根据以下7个基本原则选用通用型变频器的型号，并且所选用的变频器要求结构简单、维护方便、运行可靠、耐用。

一是电压等级的选定。选用时注意变频器的电压等级是否与输入电源和所驱动的电动机电压等级相同，此次选用的是380V变频器，电压波动范围在-15%～10%。

二是最大适用电动机容量的选定。选用的变频器最大适用电动机容量是11kW，而且是4极普通异步电动机。

三是通用变频器控制方式的选定。电动机的转速与通用变频器的输出电压之间可以有多种控制方式，一般有V/f控制方式、转差控制方式、矢量控制方式和直接转矩控制方式几种。V/f控制方式是通用变频器使用最多的一种控制方式，也是这次改造所用的控制方式。

四是输出频率范围的选定。选择最小频率和最高频率要适当。

五是输出频率精度的选定，要求在选定范围中。

六是制动方式选定。通用变频器的电气制动有内部制动和外部制动两种方式，本次变频器的制动方式为内部制动。

七是功率因素的选定。本生产线对功率因素无特殊要求。

经反复分析国内可大量供货的变频器，综合了各项技术参数，确定了以富士FRENIC 5000G11S系列变频器（具体型号为FRN11G11S-4CX）作为老式变频器的换代品。

富士FRENIC 5000G11S系列变频器具有高性能和多功能的优点，适用于一般工业负载。这种变频器采用了低噪声控制电源系统，能大大减小对周围传感器等设备的噪声干扰影响；22kW以下标准产品采用全封闭结构IP40，耐环境性好；面板能显示和确认运行状态、输入/输出状态和跳闸时的详细参数，由此能较容易地进行异常原因分析和提出对策。

控制系统主电路接线图见后。

根据生产需要，针梳机要求有快车和慢车两种速度。PLC输出快车和慢车信号输出电压是24V，为防止对变频器信号串扰，需加装一块转换板，使用2组24V欧姆龙继电器，通过继电器的常开触点，转换变频器的快车开关和慢车开车信号。通过控制器的快车按钮连线600、慢车按钮连线634和停止按钮连线635将信号输入PLC中，PLC经处理后再通过转换板控制变频器的快慢车及停车。

变频器的频率设定是使用外置的1kΩ的电位器进行设定，分别连接变频器的13、12、11接线端子。变频器的30A端子连接PLC的线727作为变频器报警连线到PLC的连线，报警时PLC显示变频器闭锁停机。其他连线参照旧变频器和PLC的连接方式连接。新变频器的尺寸比旧变频器小20%左右，有利于变频器的安装固定和变频器元器件的散热。在安装完变频器连线后，需重新对新变频器参数进行设置，未列入的变频器参数在出厂时已预设好。

三、在调试和试生产过程中遇到的问题及解决方法

在生产调试中，设备间运转出现不匹配卡毛、堵毛等现象，经反复试验与论证，最终找到了问题的原因及解决方法。

一是变频器的加速和减速时间设置不合理，造成针梳机内针辊卷毛，针片损坏严重。经查是因为变频器的加速和减速时间过快，毛束在经过皮辊拉断区时速度较快，在经过针辊梳理区时速度较慢，当启动或停机时就容易发生卷毛故障。经多次调试，设置加速时间为4.9s，减速时间为6s，毛束传送正常。

二是针梳机正常运转一段时间PLC报警停机，查相关参数是主电动机M1过热保护。用万用表和摇表查主电动机M1，电动机M1正常。查PLC输入，PLC输入插卡第三块板第4脚的线729动作，线729是连接到变频器的过热保护端子。查变频器参数F11（OL设定值），问题的原因是由于F11值过低造成的。将值更改为19.6后，PLC报警停机信号消失，针梳机正常运转。

经反复多次调试，并听取厂家和专业专家的建议，我们终于完成厂内针梳机变频器技术改造工作。改造后的数字变频器运行和操作效果明显好于老式模拟变频器，为企业创造了经济效益。

四、成效

在毛条生产线机械设备调速系统改造过程中，我们对该系统进行了优化和部分整改，经过生产实际应用，在控制精度及可靠性方面均取得了满意的效果。

一是新变频器采用数字式调节参数，控制精度高。二是维护量小，故障率低。设备具备的监控保护与故障自诊断功能，运转率相当高，减少了维护人员的工作量。三是对笔者学校专业教师的专业知识和技能水平是一次考验和提升。四是陆续对其余十几套变频器调速系统进行类似的改造，通过长达5年的观察，这一批次的变频器精度准确、性能稳定，长期运转均无大的故障。

我们通过对变频调速系统进行改造，圆满地解决了变频器存在的问题，提高了变频器的工作效率，同时减轻了电气维护人员的工作量，更好地保证了生产工艺的精度、质量，减少了设备停机对生产所造成的严重影响，达到了预期的改造目的。

参考文献：

[1]王树编.变频调速系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]康梅，朱莉，陈山.变频器使用指南[M].北京：化学工业出版社，2009.

[3]高孝纲.变频器、PLC在纺织工业中的应用[M].北京：机械工业出版社，2009.