纸机变频传动的现状与技术方案分析1孟彦京，郝鹏飞，张攀峰（西北轻工业学院自动控制工程系，陕西咸阳712081）纸机变频传动国外始于80年代中期，国内大约在90年代初期。变频调速技术的推广应用在风机水泵等领域取得了显著的经济效益，在某些机械行业也发挥了重要作用。造纸机是一种负载基本恒定、转速恒定的稳速系统，其比较大的特点是要求速度长期稳定，同时要求动态恢复时间尽可能短。因此，纸机传动系统要求的是高稳定性和快速动态响应。

　　进入90年代，国内一些中小纸厂对纸机变频调速由尝试到广泛应用，使得这些企业确实收到了良好的经济效益。然而一些国有大中型老纸厂，在设备改造和引进中并没有选择变频传动方案。其原因是什么，变频传动究竟有哪些优势，其在造纸机上应用后的节能和经济效益如何，面对今后国有企业改革，纸机向高速大型化发展，传动方案选择直流还是交流，笔者对这些问题进行了初步探讨。

　　1国内纸机米用变频传动的背景经初步调查，国内采用变频传动是从一些技术和设备都比较落后的中小企业开始的。这些纸厂有些发展成了全国有名的企业，如山东临清、东营、寿光、兖州等。而一些资深老牌企业，如南平、青州、岳阳等大型纸厂反而没有采用变频传动这一新技术。其中的原因我们分析有以下几种。

　　1.1企业设备基础和技术素质的差别国有大中型企业的设备基础好，一般都拥有大型高速纸机。其中一些纸厂如南平、岳阳等在70及80年代就己引进和改造了纸机和传动设备，这些直流传动纸机一般都在500m/min以上。加之这些纸厂有大量高等院校毕业的专业技术人员，对维护和使用先进的设备起到了可靠的保证作用。因此，在这些纸机上采用变频改造显然不合适也没有必要。而中小型企业或乡镇企业则不然，它们的纸机大多为低速小型纸机。其传动部分也五花八门，如滑差电机、整流子电机直流传动等。由于设备陈旧，加之没有足够的技术力量加以维护和调整，很难保证机器的正常运行，断纸和停机现象普遍。因此，纸机传动控制系统的稳定和正常成为这些纸厂面临的较大问题。

　　1.2国内经济形势和纸张需求增加刺激了企业改造90年代起国内书刊报纸印刷对纸的需求加。中小企业相对大企业负担轻劳动力成本低，因此，尽管变频改造一次性投资较大，但只要能够起到稳定生产、产的目的，就可以弥补回来。而开环变频传动方案的特点恰好满足了这一要求。变频器是一种集电力、电子、计算机技术和现代技术为一体的一种典型的高科技产品，其操作简单，几乎不要调整，和普通异步电机配合基本上形成了一种免维护无故障运行的系统，不需要专门的技术人员对其进行日常保养和维护。所以，这种方案一旦被证明可行，立即就在中小纸厂推广开来，目前这类企业80%以上都采用了变频方案。

　　1.3直流和交流在纸机传动中的技术特点从稳速原理来说，不论直流或交流传动，只要有闭环和足够的测速精度，那么稳速效果是一样的。

　　然而国内的现状是，可控硅直流传动自开发成功到定型生产，几乎是数十年一贯制。一些企业90年代买到的产品还是70年代的工艺和元件，其可靠性和一致性远不如进口产品和变频器。因而，对中小型纸厂而言，可控硅直流传动是一个故障率高和经常要维护的不可靠产品，变频器的使用使这种反差极为明显，所以一些企业将刚刚使用了不到一年的直流系统也进行了改造。值得注意的问题是：可靠性差并不是直流传动系统这一方案自身的问题，而是国产直流产品落后的工艺和质量管理体系造成的。

　　这就是为什么国有大中型企业的高速纸机大部分采用直流传动，而且能保持长期运转的原因。

　　从以上分析看，变频传动在国内纸机上的流行是有其特殊的历史背景和条件的。今后造纸行业走向规模化，纸机要向大型高速发展，选择变频传动还是直流传动，要根据具体情况分析研究决定。

　　2变频传动纸机的工作现状21生产效率明显提高由于技术原理上的差别，变频器开环工作的稳定性明显高于直流或其它传动方案。将直流电机和交流电机的特性方程进行比较，即可看出这一步。

　　3%，因此异步电动机在开环运行时静差率己具有较小的值，几乎可以和带比例放大器的直流系统相比。这一特点是变频开环传动的纸机比直流闭环系统的优势大。实践表明，在200m/min以下车速的纸机，开环变频传动基本可以满足要求。由于省掉了测速发电机、闭环调整等环节，故障率大大降低，因而生产效率得到提高。以临清厂的6机改造为例，由直流传动改变频传动后，月产量由500t提高到700t. 22电耗下降从纸机的工作特性上看，直流传动和交流传动本无节能与否的区别，因而造纸机本身不存在如风机、泵类负载那样的节能特性。但在实践中，由直流改变频后，能耗的确下降许多，一般节能率都在10%以上。如宝鸡五一纸厂一台1880薄页纸机从输入交流电流表上观察，改造前直流传动电流为70A左右，而改成变频传动后，车速由原来的90m/min提高到100m/min，电流却下降到35~除功率因数影响，节电达2（%以上，此效果是如何产生的，可做如下解释：交流电机效率普遍比直流高，一般可以高出6%~10%.直流系统附属设备，如励磁电源、变压器电抗器均有不同程度的能耗，而交流系统没有这些附属设备，大约可以节能晚~5%.直流系统功率因数随T角变化，出于稳速目的，T角一般都大于30°因此，在车速达到额定值之前功率因数就更低，通常在0. 0. 7之间。而变频器相对电网近似为容性负载，且这种性质随负载和车速下降更为显著，其功率因数一般在0.9以上。这也是电流下降的原因。

　　除上述本质差别外，由于系统简化车速提高和故障率降低等，使得单位产量能耗下降，也是节能的一个方面。

　　总之，直流改变频后从能耗上看有不同程度的下降。

　　23居护工作量减少，居护费用上升7.国产直流系统的缺点m障aalgi维护量较大，但费用不变频系s统则相反，维护；工作量大大减少，而费用却不同程度上升。如宁夏某纸厂一台12分部的1760纸机，采用L系列的三肯变频器多次出现故障，其维护费用几乎占了设备费用的10%.这一现象除了使用和系统设计上的某些不利因素外，主要是产品选择问题。L系列变频器与其它变频器相比，故障率明显高，因此选择时应进行调查了解。

　　变频器与可控硅直流系统有一个根本性差别就是技术手段和元件性质不同。可控硅是半控器件，但技术成熟，可用快速容电器给予保护，这就决定了其安全保障是低成本的。而变频器则不同，至今半导体技术还不能对可关断器件实施可靠的低成本的保护，它的唯一保障措施只能靠关断基极来实现。

　　因此，一旦线路或元件故障往往造成功率器件损坏，而功率器件的成本占到变频器价格的1 /3以上，所以这是变频器维护费用高的主要原因。

　　24变频器的正确使用和参数优化有待研究目前大多数企业选用变频器都是按出厂参数经过简单设置后投入运行的，操作程序和匹配关系也有一定的随意性，这些都对变频器安全和高效的运行有一定的影响。例如转矩提升和加减速时间的配合问题，不同部位变频器和电动机的匹配问题都值得研究。对于恒转矩负载，合理的配合应当是变频器和电动机相差一个数量级，而实际上多数用户都没这样做，这对变频器的安全使用是不利的。

　　25效率和速度精度对生产的影响虽然在200m/min以下的纸机开环基本上可以满足要求，但调查表明，在多数纸机上个别分部如网部和烘干部之间容易断纸、引纸困难及占用时间较长，是开环低速纸机无法克服的问题。如果能够简单的闭环改造或引入更好的控制方法，可望进一步提高产品质量和生产效率。

　　3纸机传动技术的发展和方案的选择从以上国内纸机变频传动的应用背景和现状看，变频传动技术的采用和纸业市场及企业内在因素有密切的联系。随着市场由卖方向买方的转换，企业自身规模的扩大和素质的不断提高，开环变频传动必将由闭环取代，这是由生产经济效益要求决定的。车速的提高及综合经济效益的比较，从一次性投入到日常维修费用、耗能的指标的核算，都必然对目前纸机传动方案产生影响。那么交流机和直流机比较究竟哪个方案更合理、更经济，从技术的角度如何选择判断这两种方案，以下谈几点粗浅的认识。

　　3.1系统构成随着车速和工艺复杂性提高，新型纸机传动决不是仅靠开环或闭环措施就能满足要求的，它必然带来系统的结构向复杂化发展，如张力控制、负荷分配控制以及各种连动控制的程序化等。因此，系统整体结构复杂后变频器开环系统的优势就不在存在，而闭环后直流系统和交流系统的复杂性上己无大的区别，选用可靠性和技术结构尽可能简单而便于操作和维护的系统将影响方案的决定和选择。

　　3.2能耗和可靠性现代的直流传动电机和系统结构经过不断改进，效率有所提高，可以省掉一些如变压器电抗器等附件，但总的效率比交流要低些，加上功率因数影响，交流系统比直流系统节能，估计在6%~ 10%之间。能耗指标的另一个影响因素就是停机时间和整体生产效率。可靠性和可修复性及维修成本与维修时间等，对整体能耗指标将产生较大的影响。在技术力量有保证的前提下，变频器和直流传动相比可维修性要低得多，且维修时间和成本都会大于直流系统。在系统的可靠性方面，进口直流传动也采用了类似变频器的结构和工艺等，就目前的技术而言，可靠性反而高于变频器。这是因为：（1）系统控制为大规模集成电路和计算机数字技术；（2）直流系统主回路和交流相比过载能力高得多；（3）直流和交流相比耐故障能力强。例如当主回路某一驱动或元件故障时，系统负荷不大时仍可以带病工作。而变频器则不能有丝毫故障，否则立即停机。

　　3.3系统的造价和使用费用对单机容量不超过50kW的交流系统，通用变频器加异步电机的价格和直流系统相比不相上下。

　　但直流系统为闭环系统，交流系统为开环系统，在技术指标上交流系统更高些。如果交流系统也采用闭环和专用变频器，则造价比直流系统高。随着专用变频器价格下降，二者会接近理论上交流系统造价比直流系统造价比较终要低，这是因为半导体材料和软件技术费用要下降，而铜和加工工艺费用要上升。

　　在50kW以上的系统，直流系统将明显占有价格优势，这主要是变频器的价格随功率大而近似线形加，而直流系统除电动机外，功率加价格加较少。

　　在使用费用上，如果功率不大且开环，则交流系统费用低于直流系统，这里主要是能源费和人工费。然而由于故障维修和备件费用，交流系统又可能大于直流系统。

　　10年），交流系统更新和维修费用会大于直流系统，因为直流系统主要是电动机的维修费用较大，控制系统较低。而变频器不论维修或更换，其费用都比直流系统高的多，5~ 10年变频器至少有50%要维修和更新，而直流系统只要部分维修和更新，自然节省费用。

　　4结论纸机正在朝高速大型化发展，随着生产效率和效益的不断提高，以往低速开环的纸机必将被闭环取代。

　　在200m/min以下的开环纸机中，仍存在个别分部如网部和烘干部传动之间速度失调问题，以及开环系统在引纸过程造成的浪费。进行简单可靠的闭环改造，将现有的开环系统得到升速效的作用。

　　大型纸机的维护和使用都离不开具有较高素质和水平的工程技术人员，人才问题应当引起企业特别是新发展起来的企业的重视。

　　在技术力量不高的情况下，中低速纸机选用变频方案，将利于减少故障率和提高生产率，但变频器的选型很重要。

　　大型高速纸机（500m/min以上和宽幅3m以上），就目前的传动技术和工业水平而言，交流系统虽节能，但风险较大，成本也偏高，而直流系统易于维护且风险较小。在管理和技术水平较低的企业，直流系统虽能耗大些，但便于使用和维护。