紡織行業(yè)變頻器需求分析和應(yīng)用解決方案

1、紡織行業(yè)變頻器需求分析和應(yīng)用解決方案摘要：本文介紹了中國紡織行業(yè)以及紡織機(jī)械行業(yè)的基本狀況和發(fā)展趨勢，變頻器作為改善工藝和節(jié)能傳動設(shè)備在紡織行業(yè)市場空間巨大。作者通過對一些典型的紡織廠和紡機(jī)廠走訪，廣泛與業(yè)內(nèi)專家和實(shí)踐者交流，收集了大量一手資料，對紡織行業(yè)變頻器的市場和應(yīng)用需求進(jìn)行了分析和總結(jié)。同時(shí)結(jié)合艾默生變頻器產(chǎn)品系列的特點(diǎn)，針對不同紡織機(jī)械的需求，提出了變頻傳動的解決方案。 關(guān)鍵詞：紡織；變頻器；市場需求；解決方案 1. 引言 中國已成為世界最大的紡織產(chǎn)品制造國，纖維生產(chǎn)量占全球總量的27.5%，是紡織機(jī)械最大的消費(fèi)國和進(jìn)口國。目前國內(nèi)已具有生產(chǎn)能力5000-6000萬錠，近年來一直以2

2、0%左右的速度快速增長，專家估計(jì)2004年會適度減速，但在未來的幾年將繼續(xù)以10%以上的速度增長。 為了提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗，變頻器作為改善工藝和節(jié)能傳動自90年代初期批量進(jìn)入紡織行業(yè)以來，一直得到快速增長。尤其是加入WTO以來，紡織品的市場擴(kuò)大了，但競爭更加激烈，為此企業(yè)大量投入設(shè)備改造，提高生產(chǎn)力。紡織行業(yè)對變頻器的需求量越來越大，要求也不斷提高。積極了解紡織行業(yè)、深入研究紡織機(jī)械對變頻器的需求，為紡織行業(yè)提供適用的變頻器產(chǎn)品和變頻調(diào)速傳動的解決方案是變頻器供應(yīng)商義不容辭的責(zé)任和使命。 2. 紡織行業(yè)的劃分和布局 紡織行業(yè)包括從纖維原料到服裝，日用或產(chǎn)業(yè)用布料、繩、線的工藝

3、過程中生產(chǎn)企業(yè)，以及為這些企業(yè)提供專用設(shè)備的配套企業(yè)。紡織行業(yè)的主工藝流程示意見圖1。 紡織行業(yè)應(yīng)用變頻器的領(lǐng)域主要在天然纖維紡紗、織造、染整和化纖四大塊。對于服裝、日用品等成品加工的縫紉機(jī)和繡花機(jī)，有采用交流伺服電機(jī)、無刷直流電機(jī)驅(qū)動的趨勢，也有變頻器驅(qū)動異步機(jī)的嘗試，但這不在本文討論范圍。 2003年中國紡織工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，紡織行業(yè)主要集中在江蘇、浙江、上海、山東、廣東、福建等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海省份，其銷售額占全國的80%。湖北、河北、河南、安徽、天津、遼寧、四川、北京、內(nèi)蒙古、湖南等中部省份占15%，其余省份僅5%。 某紡織廠的電機(jī)功率分布情況如圖2，圖中其他設(shè)備包括空調(diào)、供水供熱、

4、制冷和電梯等。由于變頻器調(diào)速給紡織生產(chǎn)帶來質(zhì)量和效率的巨大改進(jìn)，許多紡織廠正在積極研究和推廣變頻器應(yīng)用技術(shù)，他們樂于接受帶有變頻器調(diào)速的紡機(jī)設(shè)備，對于舊設(shè)備的變頻化改造熱情越來越高。 3. 紡機(jī)行業(yè)的布局和發(fā)展 紡機(jī)行業(yè)主要有中紡機(jī)集團(tuán)、上海太平洋、江蘇、山東、浙江五大板塊。隨著國家放開對紡織行業(yè)的控制，紡織設(shè)備更新?lián)Q代速度加快。 中國的紡機(jī)行業(yè)目前正在洗牌：紡紗、織布機(jī)械仍然是中紡集團(tuán)占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢，江蘇的一些合資企業(yè)尚具有一定競爭力。染整大部分集中在浙江和江蘇的一些民營企業(yè)，中紡集團(tuán)和上海太平洋的一些企業(yè)仍有一定市場份額?；w和非織造布生產(chǎn)線的較新的產(chǎn)品，機(jī)械方面技術(shù)難度大，核心部件還需進(jìn)口

5、，國內(nèi)紡機(jī)企業(yè)正在組織技術(shù)攻關(guān)。針織機(jī)械主要來自福建泉州等地的臺資企業(yè)，但這些臺資企業(yè)規(guī)模均不大，廣州、宜昌等一些老牌國有企業(yè)有機(jī)會再次崛起。 2003年全國重點(diǎn)紡織機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品銷售收入達(dá)335億元，同比增長24%。2004年由于去年增長過快，加之鋼材漲價(jià)，利潤降低，紡機(jī)行業(yè)減緩了增長的步伐。圖3為2003年紡機(jī)銷售額按省份分布的示意。 中國紡織機(jī)械器材工業(yè)協(xié)會提出新型成套設(shè)備技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目：日產(chǎn)200噸及以上滌綸短纖維生產(chǎn)線；粘膠長絲連續(xù)紡絲機(jī)；高效現(xiàn)代化棉紡生產(chǎn)線（即單電機(jī)傳動）；機(jī)電一體化的無梭織機(jī)；紡粘法和溶噴法非制造布生產(chǎn)線（高速、帶張力控制）；電腦提花圓緯機(jī)；電腦自動橫機(jī)；高速特

6、里科經(jīng)編機(jī)；染整設(shè)備工藝參數(shù)在線檢測；高效、節(jié)能、環(huán)保的染整設(shè)備。紡織工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展中心提出了紡織工業(yè)技術(shù)進(jìn)步發(fā)展綱要，涉及傳動自動化設(shè)備的要求：“研究梳棉、并條、粗紗、細(xì)紗、絡(luò)筒等單機(jī)的多電機(jī)獨(dú)立傳動和控制系統(tǒng)。在線檢測和控制技術(shù)，單機(jī)自動化和工序連續(xù)化，解決國產(chǎn)清梳聯(lián)、并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。” 4. 主要紡織機(jī)械對變頻器的需求 由于近幾年紡織行業(yè)技術(shù)改造的主要投入在擴(kuò)展生產(chǎn)能力，加之紡織機(jī)械技術(shù)更新快，目前變頻器80%以上是由紡織機(jī)械廠采購配套在主機(jī)設(shè)備中，再銷售給最終用戶紡織生產(chǎn)廠家的。我們對變頻器需求量分析只聚焦于這個(gè)配套市場，或稱為OEM市場。不過紡織設(shè)備幾乎24小時(shí)

7、連續(xù)工作，損壞和老化的速度快，另外90年代初期上馬的不少電氣系統(tǒng)已進(jìn)入報(bào)廢期，因此變頻器在紡織廠還有一定的改造市場，而且所占比例將會逐年增加。 據(jù)作者調(diào)查分析，2003年國內(nèi)紡織化纖機(jī)械主機(jī)廠對變頻器的采購需求約6億元，由于紡織工藝復(fù)雜、機(jī)械品種繁多，按紡紗、織造、染整和化纖類整理其需求份額如圖4所示。 下面按紡紗、織造、染整和化纖機(jī)械對變頻器的需求分別介紹： 4.1. 紡紗機(jī)械 紡紗機(jī)械負(fù)責(zé)將棉、毛、麻、絲和化學(xué)纖維原料進(jìn)行除雜、開松、牽伸成為均勻柔韌的細(xì)紗。工藝流程和主要設(shè)備見圖5。 大部分紡織設(shè)備對傳動調(diào)速要求一般，保持一定的微張力卷繞控制特性，通用的V/F控制變頻器基本滿足要求： 1）

8、 調(diào)速電機(jī)功率范圍0.7537kW； 2） 啟動過程要求平穩(wěn)，變頻器啟動頻率設(shè)置盡量低； 3） 制動過程要求快速，平穩(wěn)； 4） 可編程的多段速度輸出； 5） 多電機(jī)級聯(lián)運(yùn)行要求速度同步； 6） 為使紗均勻地繞在錠子上，要求擺頻，即紡織專用三角波頻率輸出； 7） 配合自調(diào)勻整控制系統(tǒng)，對于高速或高性能的并條機(jī)需要矢量閉環(huán)控制變頻器或伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 雖然近年來空調(diào)的引進(jìn)，清花部分原料采用管道運(yùn)輸使紡紗車間的工作環(huán)境有所改善，但大部分紡紗車間仍然是高噪音、高溫和多塵絮，這就要求變頻器具有更強(qiáng)的惡劣環(huán)境下的適應(yīng)能力。 紡紗機(jī)械除了高速并條機(jī)、轉(zhuǎn)杯紡機(jī)有部分進(jìn)口外，基本都實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。對變頻器的總體要求是

9、可靠性高、低成本，小型化。 4.2. 織造機(jī)械 織造機(jī)械負(fù)責(zé)將纖維紗加工成布匹、線繩或針織品。絡(luò)筒、整經(jīng)、漿紗是織布前的準(zhǔn)備工藝。工藝流程和主要設(shè)備見圖6。 織布車間和捻線車間的工作條件與紡紗車間相似，其中織布機(jī)的噪音更大。針織機(jī)的工作環(huán)境相對好一些，但大園機(jī)一般將變頻器安裝在機(jī)器本體上，這對變頻器的抗振動能力有一定要求。 織造機(jī)械要求變頻器具備的功能和性能： 1） 調(diào)速電機(jī)功率范圍0.222kW； 2） 單錠絡(luò)筒、針織機(jī)、整經(jīng)機(jī)要求故障和定長（或滿軸時(shí)）自動停機(jī)； 3） 絡(luò)筒、并紗、捻線機(jī)要求變頻器具有擺頻功能； 4） 平滑啟動和快速制動； 5） 漿紗機(jī)要求調(diào)速范圍大，張力恒定，多電機(jī)同步調(diào)

10、速。 自動絡(luò)筒機(jī)、高速無梭織機(jī)以及高檔繡花機(jī)仍然有大量的進(jìn)口，國內(nèi)主機(jī)廠正在努力開發(fā)新產(chǎn)品，迫切需要低成本的小功率變頻器和無刷直流驅(qū)動系統(tǒng)配合。相信這部分的變頻器需求量將有較大增長空間。 4.3. 染整機(jī)械 染整機(jī)械是布匹和紗線后道處理設(shè)備。按工藝要求可分為煉漂、染色、印花、整理等工序，在每道工序中，根據(jù)加工織物的不同要求，又進(jìn)行若干單元操作。其中煉漂包括坯布準(zhǔn)備燒毛退漿煮煉漂白絲光熱定型等工序，新的設(shè)計(jì)已將這些工序過程組合到退煮漂聯(lián)合機(jī)中。工藝流程和主要設(shè)備見圖7所示。 一般的染整設(shè)備對傳動調(diào)速要求一般，單方向不可逆，平穩(wěn)啟動和停車，多單元同步，但間歇式染色機(jī)和印花機(jī)則要求較高。染整設(shè)備的工

11、作環(huán)境是高溫和潮濕。 1） 調(diào)速電機(jī)的功率范圍1.530kW，十幾千瓦以上的占多數(shù)； 2） 間歇式染色機(jī)要求調(diào)速范圍寬，張力卷繞控制，快速正反轉(zhuǎn)； 3） 印花機(jī)要求調(diào)速范圍寬，平滑快速起制動，對花定位高精度（定位驅(qū)動多采用伺服系統(tǒng)）； 4） 水洗機(jī)負(fù)載慣性大，要求變頻器快速制動； 5） 后整理線的多電機(jī)傳動要求速度同步精度高，張力控制； 6） 一些場合要求變頻器采取公共直流母線方案，以省去制動電阻以及能量損耗。 中國紡機(jī)協(xié)會指出2003年洗滌、漂白、染色機(jī)和后道整理機(jī)器有9000臺6.3億美元的進(jìn)口，金額幾乎與國產(chǎn)設(shè)備的銷售額相當(dāng)，說明染整設(shè)備的國產(chǎn)化道路依然寬闊，市場增長空間大。 4.4.

12、化纖機(jī)械 化纖機(jī)械包括紡絲機(jī)、后處理生產(chǎn)線、彈力絲機(jī)、非織造布生產(chǎn)線等。工藝流程和主要設(shè)備示意見圖8。 紡絲機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備，分長絲紡絲機(jī)和短絲紡絲機(jī)，工作原理相同。紡絲機(jī)將化纖原料如滌綸、錦綸、丙綸、氨綸、復(fù)合，高溫溶化，送料鼓風(fēng)機(jī)加壓，從計(jì)量泵吹出絲，再通過熱牽伸輥和高速卷繞頭紡出絲。短絲后加工生產(chǎn)線包括多道牽伸、高溫定型、疊絲、卷曲、烘干、切斷和打包，產(chǎn)品主要用于輪胎等工業(yè)用途或摻到棉花中混紡，長絲后加工生產(chǎn)線有牽伸、絡(luò)筒以及彈力絲機(jī)等，產(chǎn)品主要用于非織造布、線繩和針織品的生產(chǎn)。非織造布生產(chǎn)線由鋪網(wǎng)、熱軋、收卷組成。 相對紡織染整機(jī)械，化纖機(jī)械對變頻器的性能和功能指標(biāo)要求更高，而工作的環(huán)境條

13、件也要好一些。 1） 功率范圍：0.75-280kW，公共整流裝置的功率到800kW； 2） 要求采用公共直流母線方案； 3） 紡絲機(jī)采用永磁同步機(jī)驅(qū)動，保證各驅(qū)動點(diǎn)轉(zhuǎn)速高精度同步； 4） 牽伸電機(jī)在運(yùn)行和停止時(shí)都要求保持化纖絲的張力恒定，變頻器應(yīng)具有零伺服功能和張力卷繞控制功能； 5） 上下雙輥分別驅(qū)動的熱軋機(jī)要求負(fù)荷平衡控制功能。 最近2年，化纖機(jī)械的增長速度一直明顯高于一般紡織機(jī)械，特別是汽車輪胎、房地產(chǎn)高速增長的帶動，化纖產(chǎn)品供不應(yīng)求。2003年的化纖機(jī)械進(jìn)口高達(dá)4.9億美元，為了減少進(jìn)口，國內(nèi)的各大主機(jī)廠正處于消化、吸收、改進(jìn)、創(chuàng)新的過程，新的工藝、新的產(chǎn)品和新的傳動方案不斷出現(xiàn)，這

14、給變頻器廠家?guī)硇碌臋C(jī)會。 5. 艾默生變頻器針對紡織行業(yè)應(yīng)用的解決方案 艾默生變頻器是國際品牌本地化的結(jié)晶，是在國際領(lǐng)先的技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)、采購制造、質(zhì)量控制平臺上的研制出來的，但產(chǎn)品的開發(fā)完全取決于國內(nèi)市場和用戶需求的深入調(diào)研結(jié)果，專注于滿足國內(nèi)用戶的需求和愿望。自99年產(chǎn)品面市以來，艾默生變頻器深得供水和水處理、塑料、紡織、建材、電梯、印刷、包裝、冶金、造紙、石化、線纜等各行各業(yè)用戶的青睞；目前，產(chǎn)品銷售量累計(jì)超過22萬臺，其中紡織行業(yè)5萬余臺，在國內(nèi)通用低壓變頻器市場的占有率已經(jīng)進(jìn)入前五位。 艾默生變頻器不斷推陳出新，已形成豐富的產(chǎn)品系列，近90個(gè)規(guī)格。主要的產(chǎn)品系列如圖9所示。 高

15、性能矢量閉環(huán)型變頻器TD3000、多功能通用型變頻器EV2000（已替代TD2000）、EV1000（已替代TD1000）和靈巧配套型變頻器TD900在紡織行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，最近推出的EV2000和EV1000的功能中集成了大量的紡織專用功能。下面按紡織機(jī)械的調(diào)速傳動特點(diǎn)分別討論艾默生變頻器的解決方案。 1. 要求在紡織、染整車間多塵絮和潮濕的工作環(huán)境中可靠運(yùn)行 所有艾默生變頻器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上均得到改進(jìn)，模塊散熱器的風(fēng)道與控制板隔離，控制板和器件均實(shí)行了專門的防塵和防潮濕的措施，可靠性大大提高。 2. 要求在電網(wǎng)側(cè)質(zhì)量較差的條件下可靠運(yùn)行 針對中國電網(wǎng)電壓波動大，艾默生變頻器具有寬電壓工作范圍的

16、特點(diǎn)，可在320V460V電壓范圍內(nèi)正常工作； 當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時(shí)掉電現(xiàn)象，艾默生變頻器具有“瞬停不?！惫δ?，能利用負(fù)載慣性能量使變頻器保持運(yùn)行一段時(shí)間； 當(dāng)電網(wǎng)側(cè)由于開關(guān)動作或雷擊引起浪涌沖擊，艾默生變頻器內(nèi)置防雷板，滿足IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的要求，具有較強(qiáng)的防護(hù)能力。 3. 清鋼聯(lián)、染整線等設(shè)備是多電機(jī)級聯(lián)運(yùn)行，要求速度同步 EV2000/EV1000均具有多種速度級聯(lián)同步的方式，有模擬量輸入輸出，脈沖列輸入輸出和現(xiàn)場總線通訊。頻率給定有豐富的運(yùn)算和輔助量補(bǔ)償功能，可滿足不同用戶和不同使用要求的選擇。 4. 梳棉、粗紗、細(xì)紗等大部分紡織設(shè)備要求平滑啟動、快速制動 艾默生變頻器均具有S形

17、加減速曲線功能，EV系列可以低頻運(yùn)行至0.5Hz以下仍能提供額定轉(zhuǎn)矩，可以確保機(jī)械的平滑啟動；通過制動電阻能耗制動和直流制動可方便實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)制動。 5. 紡紗機(jī)械要求多段速度運(yùn)行 艾默生變頻器內(nèi)置了16個(gè)或8個(gè)預(yù)設(shè)的頻率給定，可以通過外部端子控制切換，也可以按照內(nèi)部的PLC指令切換。 6. 粗紗、細(xì)紗、轉(zhuǎn)杯紡和絡(luò)筒等設(shè)備為使紗均勻地繞在錠子上，要求擺頻輸出 EV2000/EV1000內(nèi)部集成了紡織專用的擺頻功能，中心頻率和三角波的形狀可以單獨(dú)設(shè)置，并且還可以與內(nèi)部的PLC功能或閉環(huán)控制功能配合使用。 7. 單錠絡(luò)筒、針織機(jī)、整經(jīng)機(jī)要求故障和定長（或滿軸時(shí)）自動停機(jī) EV2000/EV1000/TD900均內(nèi)置有計(jì)數(shù)器功能，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到指定值時(shí)能自動啟動報(bào)警或停機(jī)動作指令。 8. 并條機(jī)要求羅拉的速度快速跟隨棉條厚度信號的變化 TD3000閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間小于100ms。更高性能的伺服型變頻器正在開發(fā)。 9. 漿紗機(jī)、間歇式染色機(jī)以及印花機(jī)要求調(diào)速范圍大，張力恒定 TD3000加一個(gè)張力控制的專用軟件包，可以自動計(jì)算卷徑、慣量和布料的張力，方便實(shí)現(xiàn)低成本的卷繞張力控制系統(tǒng)。 10. 化纖牽伸設(shè)備在運(yùn)行和停止時(shí)都要求保持化纖絲的張力恒定 TD3000具有零伺服功能和張力卷繞控制功能。 11. 化纖生產(chǎn)線、染整后處理線等多傳動設(shè)備要求變頻器采取公共直流母線方案，以省去制動電阻以及