纺织行业变频器需求分析和应用解决方案

作者：艾默生工业自动化 孟辉

欢迎访问e展厅 展厅 2 变频器展厅 矢量变频器, 变频调速设备, ... 摘要：本文介绍了中国纺织行业以及纺织机械行业的基本状况和发展趋势，变频器作为改善工艺和节能传动设备在纺织行业市场空间巨大。作者通过对一些典型的纺织厂和纺机厂走访，广泛与业内专家和实践者交流，收集了大量一手资料，对纺织行业变频器的市场和应用需求进行了分析和总结。同时结合艾默生变频器产品系列的特点，针对不同纺织机械的需求，提出了变频传动的解决方案。 关键词：纺织；变频器；市场需求；解决方案 1. 引言 中国已成为世界最大的纺织产品制造国，纤维生产量占全球总量的27.5%，是纺织机械最大的消费国和进口国。目前国内已具有生产能力5000-6000万锭，近年来一直以20%左右的速度快速增长，专家估计2004年会适度减速，但在未来的几年将继续以10%以上的速度增长。 为了提高生产效率，提高产品质量和降低能耗，变频器作为改善工艺和节能传动自90年代初期批量进入纺织行业以来，一直得到快速增长。尤其是加入WTO以来，纺织品的市场扩大了，但竞争更加激烈，为此企业大量投入设备改造，提高生产力。纺织行业对变频器的需求量越来越大，要求也不断提高。积极了解纺织行业、深入研究纺织机械对变频器的需求，为纺织行业提供适用的变频器产品和变频调速传动的解决方案是变频器供应商义不容辞的责任和使命。 2. 纺织行业的划分和布局 纺织行业包括从纤维原料到服装，日用或产业用布料、绳、线的工艺过程中生产企业，以及为这些企业提供专用设备的配套企业。纺织行业的主工艺流程示意见图1。 纺织行业应用变频器的领域主要在天然纤维纺纱、织造、染整和化纤四大块。对于服装、日用品等成品加工的缝纫机和绣花机，有采用交流伺服电机、无刷直流电机驱动的趋势，也有变频器驱动异步机的尝试，但这不在本文讨论范围。 2003年中国纺织工业协会的统计数据表明，纺织行业主要集中在江苏、浙江、上海、山东、广东、福建等经济发达的沿海省份，其销售额占全国的80%。湖北、河北、河南、安徽、天津、辽宁、四川、北京、内蒙古、湖南等中部省份占15%，其余省份仅5%。 某纺织厂的电机功率分布情况如图2，图中其他设备包括空调、供水供热、制冷和电梯等。由于变频器调速给纺织生产带来质量和效率的巨大改进，许多纺织厂正在积极研究和推广变频器应用技术，他们乐于接受带有变频器调速的纺机设备，对于旧设备的变频化改造热情越来越高。 3. 纺机行业的布局和发展 纺机行业主要有中纺机集团、上海太平洋、江苏、山东、浙江五大板块。随着国家放开对纺织行业的控制，纺织设备更新换代速度加快。 中国的纺机行业目前正在洗牌：纺纱、织布机械仍然是中纺集团占据主导优势，江苏的一些合资企业尚具有一定竞争力。染整大部分集中在浙江和江苏的一些民营企业，中纺集团和上海太平洋的一些企业仍有一定市场份额。化纤和非织造布生产线的较新的产品，机械方面技术难度大，核心部件还需进口，国内纺机企业正在组织技术攻关。针织机械主要来自福建泉州等地的台资企业，但这些台资企业规模均不大，广州、宜昌等一些老牌国有企业有机会再次崛起。 2003年全国重点纺织机械生产企业产品销售收入达335亿元，同比增长24%。2004年由于去年增长过快，加之钢材涨价，利润降低，纺机行业减缓了增长的步伐。图3为2003年纺机销售额按省份分布的示意。 中国纺织机械器材工业协会提出新型成套设备技术攻关项目：日产200吨及以上涤纶短纤维生产线；粘胶长丝连续纺丝机；高效现代化棉纺生产线（即单电机传动）；机电一体化的无梭织机；纺粘法和溶喷法非制造布生产线（高速、带张力控制）；电脑提花圆纬机；电脑自动横机；高速特里科经编机；染整设备工艺参数在线检测；高效、节能、环保的染整设备。纺织工业科学技术发展中心提出了纺织工业技术进步发展纲要，涉及传动自动化设备的要求：“研究梳棉、并条、粗纱、细纱、络筒等单机的多电机独立传动和控制系统。在线检测和控制技术，单机自动化和工序连续化，解决国产清梳联、并条机自调匀整系统的稳定性和可靠性。” 4. 主要纺织机械对变频器的需求 由于近几年纺织行业技术改造的主要投入在扩展生产能力，加之纺织机械技术更新快，目前变频器80%以上是由纺织机械厂采购配套在主机设备中，再销售给最终用户纺织生产厂家的。我们对变频器需求量分析只聚焦于这个配套市场，或称为OEM市场。不过纺织设备几乎24小时连续工作，损坏和老化的速度快，另外90年代初期上马的不少电气系统已进入报废期，因此变频器在纺织厂还有一定的改造市场，而且所占比例将会逐年增加。 据作者调查分析，2003年国内纺织化纤机械主机厂对变频器的采购需求约6亿元，由于纺织工艺复杂、机械品种繁多，按纺纱、织造、染整和化纤类整理其需求份额如图4所示。 下面按纺纱、织造、染整和化纤机械对变频器的需求分别介绍： 4.1. 纺纱机械 纺纱机械负责将棉、毛、麻、丝和化学纤维原料进行除杂、开松、牵伸成为均匀柔韧的细纱。工艺流程和主要设备见图5。 大部分纺织设备对传动调速要求一般，保持一定的微张力卷绕控制特性，通用的V/F控制变频器基本满足要求： 1） 调速电机功率范围0.75~37kW； 2） 启动过程要求平稳，变频器启动频率设置尽量低； 3） 制动过程要求快速，平稳； 4） 可编程的多段速度输出； 5） 多电机级联运行要求速度同步； 6） 为使纱均匀地绕在锭子上，要求摆频，即纺织专用三角波频率输出； 7） 配合自调匀整控制系统，对于高速或高性能的并条机需要矢量闭环控制变频器或伺服驱动系统。 虽然近年来空调的引进，清花部分原料采用管道运输使纺纱车间的工作环境有所改善，但大部分纺纱车间仍然是高噪音、高温和多尘絮，这就要求变频器具有更强的恶劣环境下的适应能力。 纺纱机械除了高速并条机、转杯纺机有部分进口外，基本都实现国产化。对变频器的总体要求是可靠性高、低成本，小型化。 4.2. 织造机械 织造机械负责将纤维纱加工成布匹、线绳或针织品。络筒、整经、浆纱是织布前的准备工艺。工艺流程和主要设备见图6。 织布车间和捻线车间的工作条件与纺纱车间相似，其中织布机的噪音更大。针织机的工作环境相对好一些，但大园机一般将变频器安装在机器本体上，这对变频器的抗振动能力有一定要求。 织造机械要求变频器具备的功能和性能： 1） 调速电机功率范围0.2~22kW； 2） 单锭络筒、针织机、整经机要求故障和定长（或满轴时）自动停机； 3） 络筒、并纱、捻线机要求变频器具有摆频功能； 4） 平滑启动和快速制动； 5） 浆纱机要求调速范围大，张力恒定，多电机同步调速。 自动络筒机、高速无梭织机以及高档绣花机仍然有大量的进口，国内主机厂正在努力开发新产品，迫切需要低成本的小功率变频器和无刷直流驱动系统配合。相信这部分的变频器需求量将有较大增长空间。 4.3. 染整机械 染整机械是布匹和纱线后道处理设备。按工艺要求可分为炼漂、染色、印花、整理等工序，在每道工序中，根据加工织物的不同要求，又进行若干单元操作。其中炼漂包括坯布准备——烧毛——退浆——煮炼——漂白——丝光——热定型等工序，新的设计已将这些工序过程组合到退煮漂联合机中。工艺流程和主要设备见图7所示。 一般的染整设备对传动调速要求一般，单方向不可逆，平稳启动和停车，多单元同步，但间歇式染色机和印花机则要求较高。染整设备的工作环境是高温和潮湿。 1） 调速电机的功率范围1.5~30kW，十几千瓦以上的占多数； 2） 间歇式染色机要求调速范围宽，张力卷绕控制，快速正反转； 3） 印花机要求调速范围宽，平滑快速起制动，对花定位高精度（定位驱动多采用伺服系统）； 4） 水洗机负载惯性大，要求变频器快速制动； 5） 后整理线的多电机传动要求速度同步精度高，张力控制； 6） 一些场合要求变频器采取公共直流母线方案，以省去制动电阻以及能量损耗。 中国纺机协会指出2003年洗涤、漂白、染色机和后道整理机器有9000台6.3亿美元的进口，金额几乎与国产设备的销售额相当，说明染整设备的国产化道路依然宽阔，市场增长空间大。 4.4. 化纤机械 化纤机械包括纺丝机、后处理生产线、弹力丝机、非织造布生产线等。工艺流程和主要设备示意见图8。 纺丝机是关键设备，分长丝纺丝机和短丝纺丝机，工作原理相同。纺丝机将化纤原料如涤纶、锦纶、丙纶、氨纶、复合，高温溶化，送料鼓风机加压，从计量泵吹出丝，再通过热牵伸辊和高速卷绕头纺出丝。短丝后加工生产线包括多道牵伸、高温定型、叠丝、卷曲、烘干、切断和打包，产品主要用于轮胎等工业用途或掺到棉花中混纺，长丝后加工生产线有牵伸、络筒以及弹力丝机等，产品主要用于非织造布、线绳和针织品的生产。非织造布生产线由铺网、热轧、收卷组成。 相对纺织染整机械，化纤机械对变频器的性能和功能指标要求更高，而工作的环境条件也要好一些。 1） 功率范围：0.75-280kW，公共整流装置的功率到800kW； 2） 要求采用公共直流母线方案； 3） 纺丝机采用永磁同步机驱动，保证各驱动点转速高精度同步； 4） 牵伸电机在运行和停止时都要求保持化纤丝的张力恒定，变频器应具有零伺服功能和张力卷绕控制功能； 5） 上下双辊分别驱动的热轧机要求负荷平衡控制功能。 最近2年，化纤机械的增长速度一直明显高于一般纺织机械，特别是汽车轮胎、房地产高速增长的带动，化纤产品供不应求。2003年的化纤机械进口高达4.9亿美元，为了减少进口，国内的各大主机厂正处于消化、吸收、改进、创新的过程，新的工艺、新的产品和新的传动方案不断出现，这给变频器厂家带来新的机会。 5. 艾默生变频器针对纺织行业应用的解决方案 艾默生变频器是国际品牌本地化的结晶，是在国际领先的技术研究、产品开发、采购制造、质量控制平台上的研制出来的，但产品的开发完全取决于国内市场和用户需求的深入调研结果，专注于满足国内用户的需求和愿望。自99年产品面市以来，艾默生变频器深得供水和水处理、塑料、纺织、建材、电梯、印刷、包装、冶金、造纸、石化、线缆等各行各业用户的青睐；目前，产品销售量累计超过22万台，其中纺织行业5万余台，在国内通用低压变频器市场的占有率已经进入前五位。 艾默生变频器不断推陈出新，已形成丰富的产品系列，近90个规格。主要的产品系列如图9所示。 高性能矢量闭环型变频器TD3000、多功能通用型变频器EV2000（已替代TD2000）、EV1000（已替代TD1000）和灵巧配套型变频器TD900在纺织行业有广泛的应用，最近推出的EV2000和EV1000的功能中集成了大量的纺织专用功能。下面按纺织机械的调速传动特点分别讨论艾默生变频器的解决方案。 1. 要求在纺织、染整车间多尘絮和潮湿的工作环境中可靠运行 所有艾默生变频器在结构设计上均得到改进，模块散热器的风道与控制板隔离，控制板和器件均实行了专门的防尘和防潮湿的措施，可靠性大大提高。 2. 要求在电网侧质量较差的条件下可靠运行 针对中国电网电压波动大，艾默生变频器具有宽电压工作范围的特点，可在320V~460V电压范围内正常工作； 当电网出现瞬时掉电现象，艾默生变频器具有“瞬停不停”功能，能利用负载惯性能量使变频器保持运行一段时间； 当电网侧由于开关动作或雷击引起浪涌冲击，艾默生变频器内置防雷板，满足IEC61000-4-5标准的要求，具有较强的防护能力。 3. 清钢联、染整线等设备是多电机级联运行，要求速度同步 EV2000/EV1000均具有多种速度级联同步的方式，有模拟量输入输出，脉冲列输入输出和现场总线通讯。频率给定有丰富的运算和辅助量补偿功能，可满足不同用户和不同使用要求的选择。 4. 梳棉、粗纱、细纱等大部分纺织设备要求平滑启动、快速制动 艾默生变频器均具有S形加减速曲线功能，EV系列可以低频运行至0.5Hz以下仍能提供额定转矩，可以确保机械的平滑启动；通过制动电阻能耗制动和直流制动可方便实现快速平稳制动。 5. 纺纱机械要求多段速度运行 艾默生变频器内置了16个或8个预设的频率给定，可以通过外部端子控制切换，也可以按照内部的PLC指令切换。 6. 粗纱、细纱、转杯纺和络筒等设备为使纱均匀地绕在锭子上，要求摆频输出 EV2000/EV1000内部集成了纺织专用的摆频功能，中心频率和三角波的形状可以单独设置，并且还可以与内部的PLC功能或闭环控制功能配合使用。 7. 单锭络筒、针织机、整经机要求故障和定长（或满轴时）自动停机 EV2000/EV1000/TD900均内置有计数器功能，当计数达到指定值时能自动启动报警或停机动作指令。 8. 并条机要求罗拉的速度快速跟随棉条厚度信号的变化 TD3000闭环控制的转矩响应时间小于100ms。更高性能的伺服型变频器正在开发。 9. 浆纱机、间歇式染色机以及印花机要求调速范围大，张力恒定 TD3000加一个张力控制的专用软件包，可以自动计算卷径、惯量和布料的张力，方便实现低成本的卷绕张力控制系统。 10. 化纤牵伸设备在运行和停止时都要求保持化纤丝的张力恒定 TD3000具有零伺服功能和张力卷绕控制功能。 11. 化纤生产线、染整后处理线等多传动设备要求变频器采取公共直流母线方案，以省去制动电阻以及能量损耗 艾默生变频器均设计了直流母线的端子，可以方便连接配置保护器件，实现公共直流均衡母线方案。另外，正在开发的EV3000系列，功率范围将覆盖化纤设备的需求，并推出公共直流回路母线方案。 6. 结束语 中国的纺织行业方兴未艾，纺机设备技术进步和更新换代的速度将越来越快。变频器作为纺机设备的配套部件，将在提高纺机性能、改善纺织工艺、节约能源等诸多方便表现出越来越重要的作用。面对巨大的、高速增长的和快速变化的变频器需求市场，艾默生公司将一如既往地与纺机厂、纺织厂紧密合作，挖掘对纺织行业对变频器最新的需求，及时开发出新的产品，为纺织行业提供更好的、更适用的变频器。 7. 参考文献 [1] 中国纺织机械器材工业协会 吴永生主编 纺织工业技术手册 2000-9 [2] 中国纺织工业协会 中国纺织工业发展报告2003/2004 [3] 中国工业信息网 中国纺织、服装、皮革工业专用设备 制造业行业分析报告2003 [4] 中国纺织信息中心 2003-2004中国印染行业购销服务指南 [5] 吕渭贤 我国纺织行业机电一体化技术现状与发展趋势 变频器世界2003-4 [6] 中国机械工业年鉴 2003，纺织机械，第205-206页 [7] 艾默生网络能源有限公司 变频器用户使用手册(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/14/2008)