（宁波捷创技术有限公司） 李方园

    在合成纤维工业诸如涤纶、锦纶、丙纶的生产中，基本上都是采用熔体法纺丝，如一台纺丝机有许多纺丝位(12部位、24部位，甚至更多部位)，同一功能的不同纺位的电动机几十台，同一纺位不同功能的电动机几台，它们对电气传动的要求非常严格。
    纺丝机对电气传动的要求可以概括为："四高"和"一少"。"四高"：即高同步性(一台纺丝机不同纺位的电机转速要求横向转速一致，纵向比例同步)；高精确性(转速稳定，精确度高达0.1％～0.01％)；高转速(在没有升速齿轮箱条件下，电机转速高达8000～9000r／min，甚至12000 r／min)；高可靠性(至少保证一年安全连续运行8000h)。一少：即少维修或免维修，毋需看顾。总之，化纤纺丝机是一个多电机、小功率的同步驱动系统(含比例同步驱动系统)。对于湿纺工艺的晴纶、维纶及人造纤维中的粘胶纤维，对电气传动要求也类似。
    由于同步电动机转速精度仅决定于供电频率精度，与负荷变化无关。为此，在化纤设备中通常采用高精度的变频调速器和永磁同步电动机构成系统，无需采用闭环控制，就可保证电机转速精度达到0.1％～0.01％。另外对于涤纶高速纺POY和超高速纺工艺来讲，转速8000～12000 r／min，这样高的电机速度也是非变频调速莫属。
    为了保证纤维的纤度均匀，采用了高精度的变频调速器和永磁式同步电动机，无需采用闭环控制，就可以保证电机转速精度达到0.1％~0.01％水平。在众多的变频器品牌中，艾默生EV2000变频器具有优化空间矢量PWM调制、高转矩、高精度、宽调速驱动等一系列功能，并且该产品具有超出同类产品的防跳闸性能和适应恶劣电网、温度、湿度和粉尘能力，极大提高了产品的可靠性，已经在很多机械制造业(包括化纤纺丝机)都得到了广泛的应用。
    本文论述的就是变频器EV2000在化纤同步电动机上的应用。
2  化纤纺丝的同步电动机应用和变频控制
2．1  化纤纺丝的同步电动机应用
    图1所示为短纤维纺丝工作原理(其他化纤的应用也类似)，原料经高温加热熔解后从螺杆挤出机挤压到管路中，再通过数个纺丝计量泵进行纺丝后经油轮下牵到同一丝束中，然后通过六辊牵伸机同步牵伸，最后通过喂入轮进入到盛丝筒中，这样就完成了短纤的前纺过程。
    在纺丝中，计量泵和六辊牵伸为了达到速度高度一致的要求，通常都采用变频器控制的同步电动机。主要是由于同步电动机具有以下主要性能：
    (1)调速精度高、调速度误差在1／30000，提高了应用行业产品的制造工艺水平；
    (2)调速范围宽，可达1：80；
    (3)体积小，重量轻，比同功率异步电机缩小1～2个机座号；
    (4)控制简便、可靠性高，电机采用开环控制，使得整个变频控制系统可靠性提高、价格降低；
    (5)节能效果明显，与普通异步电机相比，提高效率、功率因数高达0．95以上；
    (6)该系列电机与变频控制、计算机联网组成全自动调速控制系统，性能优于传统的其它类调速电机；
    (7)电机的恒转矩输出和转速不随负载波动的特性。通过变频器有效控制，可使其输出转速保持恒定。
    因此在实际的化纤设备制造中，对计量泵和六辊牵伸的驱动，都采用几个同步电动机(比例同步)的变频传动，非常容易实现共用变频电源的多电机传动方案(它是最简单最理想的方案)。

2．2  同步电动机的基本控制原理
    交流同步电动机，它的特点是电动机的转速与电源频率完全成正比。
    Ns=60?／p  (r／min)
式中  ?-电源频率；
      p-极对数；
      Ns-同步转速。
    而交流异步电动机，它与同步电动机的区别在于：转速与电源频率不成正比，其转速始终比同步电动机还要低，其转差率S为：
    N=(1-s)Ns  (r／min)
    S=(Ns-N)／Ns·100％
    但是变频器对同步电机的控制要比普通电机复杂的多，因此国外不少变频器供应商已和同步电机供应商合作，根据电机的压频比曲线，生产操作简易的专用变频器。而本文在第3章将介绍如何利用通用的EV2000来实现同步电动机的控制。
    在化纤纺丝工业中应用最为广泛的是稀土永磁同步电动机，稀土永磁同步电动机由于应用了高磁能积的永磁材料，其电动机的运行过程将比异步电动机具有不定的特性，该电动机一般也制成与异步电动机相似的电动机，即电动机的定子与异步电动机一样，转子为高磁能的永磁材料。电机在起动过程中，起动电流将比异步电动机起动更大。原因是在起动过程中永磁体将发出电机的能量，电机起动时，不但消耗异步电机起动时的能量(产生空载起动电流)，还将克服发电机的能量，因此它的起动电流是很大的。永磁磁能级越高，转子用的永磁材料体积越大，电流也更大。因此对稀土永磁同步电动机在起动过程中必须要有足够大的电流(一般比同容量异步电动机大2～3倍)，但一旦达到稳定工作状态(异步电动机在稳定工作状态下，转子将从定子中取得一定的电能来维持正常工作一鼠笼有短路电流)，其永磁转子不从定子取得电能，而是依靠永磁磁场，紧跟定自旋转磁场旋转。
    永磁同步电动机与变频器的配合中，关键是个压频比的问题。通用变频器根据不同的电机特性可以设置不同的压频比。在实践中发现，当电机不在自己的运行曲线下，电机将发生下列现象(1)不能启动；(2)电流增大；(3)噪音；(4)振动；(5)温升过高。
2．3  化纤纺丝机变频调速控制方案的选择
    通常情况下，如采用变频调速闭环系统虽可达0.5％～0.01％指标，但是几十个闭环系统调整到相同的转速精度十分艰难麻烦。另外，每个闭环系统都有速度传感器，故障率会高些，变频工作的可靠性这个指标往往不能满足实际化纤工业的需求，故此方案不宜被采用。
由于同步电动机转速精度决定于供电频率精度，与负荷变化无关。为此，通常采用高精度的变频调速器和永磁同步电动机构成系统，无需采用闭环控制，就可保证电机转速精度达到0．1％～0．01％，以最终保证纤维的纤度均匀，系统的简单可靠高效。   
在变频调速系统主电路方案中，同步电动机的控制基本都采用大变频调速器驱动，即由一台大功率变频器来驱动多台永磁同步电动机，多台同步电动机并联接在公共的变频器上，由统一的转速给定信号同时调节各电机的转速，带定子压降补偿的函数发生器保证了变频装置的恒压频比控制。
3  通用变频器EV2000在同步电动机中的调试
3．1  变频器的功率选择
    一般来说，我们使用多大功率的电机，就得配上多大功率的变频电源，这是无可置疑的。但是同步电动机(如稀土永磁同步电机)的起动特性是很复杂的，至今尚无比较权威的计算理论资料。从特性分析：首先由于电机的转子表面具鼠笼装置，要依靠转子的鼠笼对电机进行通电后的自启动。因此，在启动过程中具有典型的异步电动机的特性。第二，由于转子内放置有相对的永磁体，如果我们将转子旋转起来，电机的定子发出电来，即成为发电机。而永磁同步电动机在启动过程中存在发电机的效应，因此，为了让永磁同步电机启动运转起来，必须要克服发电效应的阻力矩，电动机才能启动，也就是说要消耗更多的空载功率才能达到。因此说永磁同步电动机比异步电动机启动要困难得多，消耗的电功率大的永磁体越多，消耗的电功率也越大，所以永磁同步电动机在启动过程中必须要有比较大的电流才行。据测算，同步电机的启动电流一般是异步电机的1～4倍左右。
    EV2000变频器独有免跳闸功能设计，通过对负载电流的实时控制，自动限定其不超过一定的限流水平，因此对于同步电动机的启动非常有意义。同时，该系列变频器具有200％的过载能力和0．5Hzl80％的启动转矩可以得到更好的工作特性。
    在功率的选择中，如果一拖一，则变频器的功率依据同步电动机的电流而定；如果一拖多，则变频器的功率依据多个同步电动机的电流之和乘以1．1系数即可。
3．2  变频器y／F曲线
    电机的压频比即V／F曲线必须根据电机的参数输入，通常在电机的铭牌中都有，如工作电压113V-283V-340V和工作频率20 Hz-50Hz-60Hz的参数，这就是电机的基本V／F曲线。
    EV2000可以通过参数F0.15-F0.20灵活地白定义各种V／F曲线，以满足不同的负载要求。如图2(A)所示，在通常的基础上，EV2000采用增加(V1，F1)、(V2，F2)、(V3，F3)三点折线方式定义V／F曲线，Fe为额定频率，Vb为补偿低频转矩特性的转矩提升。

3．3变频器启动
    同步电动机启动费事是众所周知的，但是应用了变频器之后，既然频率可以由低调到高，转速也就可以提高。当然另外一点，同步电动机在和变频器的配合中，必须考虑到失步问题。由于变频器控制的是定子的电压，在刚启动过程中，转子的速度必然会落后，一旦转子落后的角度太大，便会造成失步。
    在图2(B)中，EV2000可以利用启动频率(功能码P2．01)和启动频率保持时间(功能码殿．02)的功能设置就能解决变频器的启动问题。其中启动频率是指变频器启动时的初始频率，如图中的Fs；启动频率保持时间是指变频器在启动过程中，在启动频率下保持运行的时间，如t1。
    另外为了让同步电机启动运转起来，必