开设“变频器原理及应用”课程的必要性

王藩　曹成辉

摘 要 针对新型纺织机电专业学生的就业领域及前景，本文通过对变频器的国内外发展现状及变频器在纺织机械设备中的应用现状及前景的详细介绍，说明变频器在现代纺织设备自动控制系统中的重要性，以及该专业开设变频器课程的必要性。

关键词 新型纺织机电技术 变频器 纺织设备 必要性

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.02.022

1 新型纺织机电技术专业简介

新型纺织机电技术专业是培养适应纺织工业发展需求，培养纺织、机电复合型高级技术应用型专业技术人才。培养的学生应熟悉纺织原料、纺织设备工艺流程；会纺织生产基本操作、仪器设备维护保养；具有应用所学知识解决纺织机械电气技术问题的能力。主要从事新型纺织机电设备的操作、维修、调试、保养、管理等工作。现代纺织设备自动化程度和控制精度都越来越高，并且国家提出的节能理念，都使得变频器在纺织设备上的应用越来越广泛。因此，该专业学生应在学习相关的专业核心课程之后，掌握变频器的原理及应用的相关知识。

2 变频器的国内外发展现状

随着全球能源危机，低碳经济已成为当今社会发展的一个永恒的话题。这场绿色革命的浪潮中，节能仍是绿色革命中最具推广意义和边际经济效益的领域。而变频器在节能上具有独一无二的特质，因此，低碳时代又推动了变频器市场的快速发展。根据清洁技术市场情报公司Pike Research发布的报告显示，到2017年，全球再生能源用变频器市场将超越190亿美元。

变频技术快速发展的主要动力来源于变频调速的突出优点及市场的广泛需求，传统的直流调速技术虽然调速性能好，但因体积大故障率高而使应用受到限制。并且随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的快速发展，新的变频技术层出不穷，使其得到了更广泛的应用。

2.1 国外发展现状

20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用。并且在市场大量需求的推动下，以及大功率集成器件以及控制理论和微电子技术迅速发展的技术支持下，使得国外变频器都已形成了较完整的变频器技术产业体系，并且控制方式较多，控制精度高。完善的工艺水平和较高的技术水平使得国外的高端变频器产品迅速抢占了大部分国际市场。例如，法国阿尔斯通和意大利ABB公司在大功率交-交变频调速技术方面抢占大部分市场；德国西门子在中功率变频调速技术方面具有不可替代的地位。日本富士在小功率交流变频调速技术方面比较成熟。①

2.2国内发展现状

20世纪90年代中国企业界才开始认识并尝试使用变频器，但国内的变频器整机技术落后，并没有形成一定的技术和生产规模。差距主要体现在：变频器技术开发难度大，变频器的核心器件始终依赖进口，成为制约变频器国产的瓶颈。性能不够稳定，以及产品性能指标较低，因此，国内企业在变频器发展初期所使用的变频器大部分依靠进口，但由于其价格昂贵，没有得到大面积推广应用。

如今，中国正在坚定不移地推动低碳经济，而节能是实现低碳的主要策略。其中，电动机做为最重要的设备动力源，其耗电量占全国总发电量的60%以上，而且80%为异步电动机，大多数电动机长时间处于轻载运行状态，特别是风机、泵类负载的电动机，电机能耗占比高，节能潜力大，通過使用变频调速装置，使用变频器的电机系统节电率普遍20%～30%，最高甚至可超过50%。2014年11月，国家发改委、工信部印发《重大节能技术与装备产业化工程实施方案》，明确在电机系统领域，将重点推广高压变频器等。同年12月，全国电机能效提升工作会议指出：要将电机能效提升计划作为未来三年工业节能减排领域的重要任务之一。②近年来，随着电机变频调速节能效果日趋显著，变频器产品技术日趋成熟，而且价格不断下调的共同推动下，企业投资改造电机积极性越来越高，驱动了电机变频调速行业快速发展。未来几年，该业务有望保持30%～40%的高速增长。

目前，国产变频器的功能不断得到提升、产品越来越多样化。其中，智能化、全数字化、网络化的产品日趋成熟。另外，矩阵式变频器、绿色变频器等新型变频器也开始进入市场。近年来，国内变频器企业通过自主创新来应对不同应用领域的挑战，变频器行业正在从以往单纯提供产品，向用户提供系统化解决方案转变。多家变频器企业在合同能源管理方面也取得不小成绩，同时也将推动高压变频器实现外延式增长，发掘出新的市场增量需求。步入21世纪后，国产变频器逐步崛起，它们已能挑战国外的品牌，而且这支队伍还在不断扩大，现已逐渐抢占高端市场。例如：利德华福、英威腾、森兰等众多知名国内企业提供量身定制的整体方案及全球联保服务。成都佳灵成功改变了国产变频器停留在V/F控制方式的这一现象，其推出的直接速度控制方式（DSC），则标志着中国在电机控制技术方面取得了质的飞跃。

3 变频器在纺织设备上的应用现状

3.1 纺织设备采用变频调速的必要性

随着人们生活水平的不断提高，消费者对纺织产品的质量及舒适性的要求越来越高，而纺织工艺的水平取决于纺织机械，用自动化、微电子信息方面的新技术改造传统纺织机械行业已经非常迫切。③如今的国内纺织设备生产厂商主要采用PLC及32位高速微处理器作为设备的控制中心，并且大多采用变频调速实现控制要求。变频技术的运用能有效的简化设备结构，从而提高了电机驱动效率、方便工艺调节和降低维护量、缩短新机械设备的规划开发周期。而且提高了纺织设备的可靠性、加工精度，扩大了品种的种类和适应性。

温度和湿度是提高纺织品产量和质量的重要环境因素，而控制纺织车间温度和湿度的常用机械设备是空调设备和水泵，而带动风机和泵类负载的电动机，通常工作在轻载运行状态，电机运行状况较差。当使用变频调速器控制后，其节能效果非常显著，大大降低了功耗，节省了用电支出。④因此，大多数纺织加工企业都要求纺织设备采用变频调速技术，以降低生产成本，节能减排。

早期的纺织设备其机械结构非常复杂，不仅耗电量大，而且控制精度差。采用变频调速可大大简化设备的传动机构，并可提高设备的调速性能，进而提高产品的质量。

3.2 变频调速器在纺织中的应用现状

交流变频调速技术在纺织设备上的应用是必要的，对传统的纺织设备推广应用也是可行的。变频器在纺织设备中的应用主要体现在两个方面：一方面是对原有旧设备的升级改造，另一方面是研发采用变频技术的新纺织机械设备。目前，粗纱机、细纱机、络筒机及各种化纤机械都已经使用了变频技术，另外，对于织造机械中的浆纱机、整经机以及针织机、无纺布、化纤机械、印染机械上也大量使用了交流变频调速器。

为了满足市场需求，扩大国产纺织机械在国内市场的占有量，我国的纺织机械的机电一体化的水平应不断提高。而不断开发有我国自主知识产权的高质量、高水平的变频器以及交流伺服电机控制器，并更好地将其应用于纺织机械的控制之中， 是行之有效的方法之一。目前，变频器在纺织设备中的应用越来越广泛，下面以在粗纱机和浆纱机中的应用为例来分析一下其应用现状。

3.2.1 粗纱机

筒管卷绕与前罗拉的转速在开停时容易产生差异，造成粗纱张力的过大与过小，这样就很容易形成粗纱的粗细节。传统粗纱机的防细节装置采用的是低压电子器件与机构相配合的方式实现，这种防细节装置在实际使用过程中存在严重缺陷，且在实际生产中能保持的很少，粗纱的防细节问题没有得到很好的解决。⑤目前新型粗纱机及老机改造采用交流变频技术，使这一工艺难题得以解决。

无锡宏源机电科技有限公司研制的FA415A、ASFA411A型粗纱机，是吸收国际先进技术研制的高速悬锭粗纱机，它的能效之高已被国内外用户所公认。最高锭速可达1300 rpm，其主电机采用变频器调速装置，实行柔性起动和调速，速度平稳，无机械冲击，纺大纱时PLC能自动控制扁平装置多级降低主电机速度，减少大纱离心力对粗纱张力影响，使张力处于最佳状态，以降低断头率，提高纺纱质量。

3.2.2 针织大圆机

针织大圆机是将棉纱织成筒状的棉布，设备经常要求有急停，并要求有灵活的点动运行功能。工作过程要求电机平滑运行且启动转矩要求高。

高性能矢量变频器很好地满足了针织大圆机快速响应，平稳运行，快速停机等要求。在速度控制上針织大圆机要求两个速度，一是点动运行速度，二是正常运行速度，点动是6HZ左右，二是正常速度40HZ左右，并且要求能够根据所织布情况随时调整电机速度。这些要求只有采用变频调速采用实现，因此，变频器在针织大圆机的控制系统中几乎成为标配件。并且变频器的平滑软启功能减少设备对电网的冲击，优越的保护功能大大改善了设备的工艺，提高了产品的质量。

4 开设变频器课程的必要性

通过前面对变频器的纺织机械设备中的应用现状的介绍，使我们深刻地意识到：要想提高国产纺织机械设备的机电一体化水平和产品质量，缩小其与国际先进水平之间的差距，我们应把交流变频技术更好地应用于纺织机械的控制之中。不仅可以大大简化纺织设备的结构，提高纺织设备的控制精度，并顺应了低碳节能的社会发展需要。新型纺织机电技术专业的原有培养计划中并没有变频器原理及应用这门课程，随着变频器在纺织设备调速控制中重要性的不断提高，对于毕业后将主要从事纺织电气设备维修、调试、保养、管理等工作的学生来讲，掌握变频器技术的相关知识，已成为其必须掌握的技能之一，因此，开设变频器原理及应用这门课程是非常必要的。

注释

① 张祥星，杜慧慧等.变频器的现状及发展趋势[J].装备制造技术，2011（9）.

② 吕明磊.浅谈变频器应用现状与发展趋势[J].机电信息，2012（3）.

③ 周建明，顾明等.变频器在纺织行业应用调查：应用空间待突破 节能前景更广泛[J].变频器世界，2012（10）.

④ 青惠年.变频器在纺织设备的应用浅析[J].轻纺工业与技术，2013（5）.

⑤ 刘荣清.变频技术在纺织机械上的应用[J].纺织器材，2013（S1）.