新型粗紗機變頻調速系統分析

1 引言
　　 粗紗機適用于普梳和精梳棉型纖維，60mm以下的化學纖維及其它混紡纖維，將并條后的熟條加工成不同號數和捻度的粗紗，供細紗機紡制細紗。

　　根據紡紗工藝的要求，粗紗機將棉條經羅拉牽伸后，由前羅拉出紗，進行加捻，然后按照卷裝形成的要求，將紗卷繞在筒管上，由于前羅拉出紗速度是恒定的，而卷繞速度是隨著卷繞直徑的增大而降速，傳統的粗紗機采用機械式錐輪變速機構，皮帶在上、下錐輪上平行移動，達到改變卷繞和升降速度，完成粗紗卷繞成形。

　　傳統粗紗機主傳動由一臺交流異步電動機驅動，為了解決電機起動時升速太快引起粗紗的斷頭或者產生粗紗條干不均勻等質量問題，而在交流電機主回路中串聯電抗器，實現電動機的軟起動，另外在紡制不同品種需要改變全機速度時，由人工替換皮帶輪方式實現變速，20世紀90年代中開始用新型的懸錠粗紗機逐步取代托錠粗紗機并在懸錠粗紗機上推廣了變頻調速，然而，由于錐輪變速傳動速度的穩定性較差，操作難度大，易引起粗紗質量不穩定。因而多家廠商又推出了多電動機傳動的新型粗紗機，有2臺電機、3臺電機、4臺電機和7臺電機傳動的粗紗機，其中采用4臺電機傳動的粗紗機應用較普遍。

　　2 主要的技術特征 錠翼速度 最高速1500 r/min～1800 r/min 錠 數 132、120、108等 控制參數 起動、停止時間控制（起動時間6 s ～16s，停止時間8 s ～3s），粗紗張力控制，即恒張力卷繞。

　　3 傳動 高速懸錠粗紗機取消了傳統粗紗機中的錐輪（俗稱鐵炮），成形機構、差動機構、擺動機構和換向機構等，還取消了捻度、升降、卷繞、張力、成形角度等變換齒輪，而采用4臺電機分別傳動牽伸羅拉（產生牽伸倍數），錠翼（使粗紗繞卷到紗管上），筒管（使粗紗產生捻度）和龍筋升降（完成卷繞形狀）。羅拉、錠翼、筒管和龍筋升降分別為4kW、4kW、5.5kW和0.55kW交流異步電機傳動，變頻調速。采用4臺電動機傳動后，除簡化了機械結構，取消了上述機構齒輪外，還降低了噪聲，提高了車速，減少粗紗斷頭，增加單機產量（主機速度提高了30%以上）保證粗紗質量穩定，同時改變工藝簡便、快捷。

　　4 控制系統 目前4電機傳動的粗紗機控制有二種控制方案。

　　第一種方案，采用PLC或PCC加觸摸屏，通過RS-485通訊方式或CAN BUS現場總線控制4臺變頻器和電動機的運轉。

　　第二種方案，采用單片機自制的專用控制器，通過RS-485通訊控制4臺變頻器和電動機的運轉，此種方案造價低，但可靠性和通用性不如第一種方案。本文不詳述。

　　采用PLC可編程控制器或PCC可編程計算機控制器加觸摸屏通過CAN BUS現場總線控制4臺變頻器和相應電動機的運行速度，如EJK211型粗紗機全機控制采用了PCC加觸摸屏和CAN BUS總線的控制系統，系統原理框圖如圖1。 圖1 粗紗機控制系統原理框圖

　　該系統中PCC或PLC作為上位機，采用CAN通訊適配卡與CAN總線連接。CAN總線上的各部件（變頻器等）必須具有CAN標準通訊接口。變頻器（4 臺）采用共直流母線供電方式，共直流母線供電可以采用將4臺通用變頻器的直流電源相互并聯方式或采用將一臺變頻器的直流電源供電給其余3臺逆變器的方式。

　　4臺電動機均帶編碼器實現速度閉環控制，保證高精度調速。

　　PCC可編程計算機控制器通過CAN BUS現場總線控制4臺變頻器和電動機按多個數學模型或根據實測粗紗張力進行控制。

　　4臺變頻器和電動機按工藝所需的規律運轉。例如錠翼卷繞速度隨卷繞直徑的增大而降速，保證恒張力卷繞。牽伸羅拉、錠翼、筒管和龍筋升降傳動的4臺電動機的運轉速度按工藝要求，應保持一定比例關系，如牽伸倍數、粗紗捻度需改變，則綻翼速度，筒管速度也應相應的改變，4臺變頻器和電動機的頻率和轉速按工藝要求在觸摸屏上設定，采用RS-485通訊方式輸入PCC，再通過CAN BUS總線控制變頻器和電動機運轉。

　　 觸摸屏用于工藝參數的設定、修改、調用、儲存和顯示，設定、修改、調用和儲存的工藝參數有最高車速，粗紗支數、捻度、牽伸倍數，徑向卷繞密度、軸向卷繞密度、卷繞系數、紡紗系數等，顯示上述工藝參數外，還有單錠時產量，一落紗中紡紗累計長度，單班產量累計、各變頻器的輸出頻率、電流、電壓以及故障報警等。

　　4.1 共直流母線供電的變頻調速

　　多電機傳動的粗紗機采用共直流母線供電的方式，主要有兩種。

　　（1）4臺變頻器的直流電路相互并聯

　　此種共直流母線供電方式如圖2。將4臺變頻器的直流側電路相互并聯，在起動、升速、降速、停車過程中若M1和M4處于電動運行狀態，M2和M3處于發電運行狀態，其再生能量足以消耗在處于電動運行的M1和M4中，因而，直流母線的電壓不會升高，各臺電動機的轉速比例關系可保持穩定。

　　（2）將其中一臺變頻器的直流電源供電給其它三臺逆變器

　　此種共直流母線供電方式如圖3。其中主變頻器的整流橋容量需適當放大，以滿足其余3臺逆變器所需的直流電源。

　　這兩種共直流母線供電方式工作原理沒有本質差別，只是第二種方式將整流電源做在主變頻器內，其他3臺變頻器改為逆變器，這樣簡化了電路，降低了成本。

　　粗紗機采用共直流母線供電的變頻調速、獲得較好的效果。例如，提高了牽伸羅拉、錠翼、筒管和龍筋升降傳動電動機在升速、降速、起動和停止過程中的同步協調運作能力，如當全機一旦出現失電時，可以保持粗紗不斷頭。

　　4.2 CAN總線

　　 CAN總線是專門為傳輸短小，實時的控制信息而設計的適用于小范圍分布式實時系統，如汽車是最早采用CAN總線的行業，現在各種機械設備（包括紡織機械）樓宇自動化等廣泛推廣應用。CAN即是控制器局域網絡，是一種總線式串行通訊網絡，主要特征有。 圖2 各變頻器直流電路并聯的共直流母線電路圖 圖3 主變頻器直流電源供其他逆變器的共直流母線電路圖

　　（1） 采用多種方式工作，網絡上任一節點均可在任何時刻主動向網絡上其它節點發送信息，而無需占用地址等節點信息，因此可方便地構成多機備份系統，同時還可接收總線上的信息。

　　（2） CAN的直接通訊距離最大可達10km（對應速率5kbps以下），通訊速率最高可達1Mbps（對應傳送距離40m）。

　　（3）CAN網絡上的節點信息分成不同的優先級，可滿足不同的實時要求，當兩個以上節點同時向總線發送信息時，優先級低的節點主動退出發送，而最高優先的節點可不受影響地繼續傳輸數據。

　　（4）CAN的通信介質可為雙絞線，同軸電纜或光纖，選擇較靈活。

　　（5）CAN采用短幀傳送，每幀的有效字節數為8個，傳輸時間短，受干擾的概率低，當節點出錯時，可自動關閉，抗干擾能力強，可靠性高。

　　 5 結束語 粗紗機是棉紡設備中的主要機臺之一，近兩年粗紗機年產量達4000臺以上，配用變頻器5000臺以上，因目前銷售還是單電機傳動粗紗機占有較大比例，主要是價格較低，但多電機傳動粗紗機已逐年增加，相信這是粗紗機的發展趨勢。