紙機變頻傳動的現狀與技術方案分析1孟彥京，郝鵬飛，張攀峰（西北輕工業學院自動控制工程系，陜西咸陽712081）紙機變頻傳動國外始于80年代中期，國內大約在90年代初期。變頻調速技術的推廣應用在風機水泵等領域取得了顯著的經濟效益，在某些機械行業也發揮了重要作用。造紙機是一種負載基本恒定、轉速恒定的穩速系統，其比較大的特點是要求速度長期穩定，同時要求動態恢復時間盡可能短。因此，紙機傳動系統要求的是高穩定性和快速動態響應。

　　進入90年代，國內一些中小紙廠對紙機變頻調速由嘗試到廣泛應用，使得這些企業確實收到了良好的經濟效益。然而一些國有大中型老紙廠，在設備改造和引進中并沒有選擇變頻傳動方案。其原因是什么，變頻傳動究竟有哪些優勢，其在造紙機上應用后的節能和經濟效益如何，面對今后國有企業改革，紙機向高速大型化發展，傳動方案選擇直流還是交流，筆者對這些問題進行了初步探討。

　　1國內紙機米用變頻傳動的背景經初步調查，國內采用變頻傳動是從一些技術和設備都比較落后的中小企業開始的。這些紙廠有些發展成了全國有名的企業，如山東臨清、東營、壽光、兗州等。而一些資深老牌企業，如南平、青州、岳陽等大型紙廠反而沒有采用變頻傳動這一新技術。其中的原因我們分析有以下幾種。

　　1.1企業設備基礎和技術素質的差別國有大中型企業的設備基礎好，一般都擁有大型高速紙機。其中一些紙廠如南平、岳陽等在70及80年代就己引進和改造了紙機和傳動設備，這些直流傳動紙機一般都在500m/min以上。加之這些紙廠有大量高等院校畢業的專業技術人員，對維護和使用先進的設備起到了可靠的保證作用。因此，在這些紙機上采用變頻改造顯然不合適也沒有必要。而中小型企業或鄉鎮企業則不然，它們的紙機大多為低速小型紙機。其傳動部分也五花八門，如滑差電機、整流子電機直流傳動等。由于設備陳舊，加之沒有足夠的技術力量加以維護和調整，很難保證機器的正常運行，斷紙和停機現象普遍。因此，紙機傳動控制系統的穩定和正常成為這些紙廠面臨的較大問題。

　　1.2國內經濟形勢和紙張需求增加刺激了企業改造90年代起國內書刊報紙印刷對紙的需求加。中小企業相對大企業負擔輕勞動力成本低，因此，盡管變頻改造一次性投資較大，但只要能夠起到穩定生產、產的目的，就可以彌補回來。而開環變頻傳動方案的特點恰好滿足了這一要求。變頻器是一種集電力、電子、計算機技術和現代技術為一體的一種典型的高科技產品，其操作簡單，幾乎不要調整，和普通異步電機配合基本上形成了一種免維護無故障運行的系統，不需要專門的技術人員對其進行日常保養和維護。所以，這種方案一旦被證明可行，立即就在中小紙廠推廣開來，目前這類企業80%以上都采用了變頻方案。

　　1.3直流和交流在紙機傳動中的技術特點從穩速原理來說，不論直流或交流傳動，只要有閉環和足夠的測速精度，那么穩速效果是一樣的。

　　然而國內的現狀是，可控硅直流傳動自開發成功到定型生產，幾乎是數十年一貫制。一些企業90年代買到的產品還是70年代的工藝和元件，其可靠性和一致性遠不如進口產品和變頻器。因而，對中小型紙廠而言，可控硅直流傳動是一個故障率高和經常要維護的不可靠產品，變頻器的使用使這種反差極為明顯，所以一些企業將剛剛使用了不到一年的直流系統也進行了改造。值得注意的問題是：可靠性差并不是直流傳動系統這一方案自身的問題，而是國產直流產品落后的工藝和質量管理體系造成的。

　　這就是為什么國有大中型企業的高速紙機大部分采用直流傳動，而且能保持長期運轉的原因。

　　從以上分析看，變頻傳動在國內紙機上的流行是有其特殊的歷史背景和條件的。今后造紙行業走向規模化，紙機要向大型高速發展，選擇變頻傳動還是直流傳動，要根據具體情況分析研究決定。

　　2變頻傳動紙機的工作現狀21生產效率明顯提高由于技術原理上的差別，變頻器開環工作的穩定性明顯高于直流或其它傳動方案。將直流電機和交流電機的特性方程進行比較，即可看出這一步。

　　3%，因此異步電動機在開環運行時靜差率己具有較小的值，幾乎可以和帶比例放大器的直流系統相比。這一特點是變頻開環傳動的紙機比直流閉環系統的優勢大。實踐表明，在200m/min以下車速的紙機，開環變頻傳動基本可以滿足要求。由于省掉了測速發電機、閉環調整等環節，故障率大大降低，因而生產效率得到提高。以臨清廠的6機改造為例，由直流傳動改變頻傳動后，月產量由500t提高到700t. 22電耗下降從紙機的工作特性上看，直流傳動和交流傳動本無節能與否的區別，因而造紙機本身不存在如風機、泵類負載那樣的節能特性。但在實踐中，由直流改變頻后，能耗的確下降許多，一般節能率都在10%以上。如寶雞五一紙廠一臺1880薄頁紙機從輸入交流電流表上觀察，改造前直流傳動電流為70A左右，而改成變頻傳動后，車速由原來的90m/min提高到100m/min，電流卻下降到35~除功率因數影響，節電達2（%以上，此效果是如何產生的，可做如下解釋：交流電機效率普遍比直流高，一般可以高出6%~10%.直流系統附屬設備，如勵磁電源、變壓器電抗器均有不同程度的能耗，而交流系統沒有這些附屬設備，大約可以節能晚~5%.直流系統功率因數隨T角變化，出于穩速目的，T角一般都大于30°因此，在車速達到額定值之前功率因數就更低，通常在0. 0. 7之間。而變頻器相對電網近似為容性負載，且這種性質隨負載和車速下降更為顯著，其功率因數一般在0.9以上。這也是電流下降的原因。

　　除上述本質差別外，由于系統簡化車速提高和故障率降低等，使得單位產量能耗下降，也是節能的一個方面。

　　總之，直流改變頻后從能耗上看有不同程度的下降。

　　23居護工作量減少，居護費用上升7.國產直流系統的缺點m障aalgi維護量較大，但費用不變頻系s統則相反，維護；工作量大大減少，而費用卻不同程度上升。如寧夏某紙廠一臺12分部的1760紙機，采用L系列的三肯變頻器多次出現故障，其維護費用幾乎占了設備費用的10%.這一現象除了使用和系統設計上的某些不利因素外，主要是產品選擇問題。L系列變頻器與其它變頻器相比，故障率明顯高，因此選擇時應進行調查了解。

　　變頻器與可控硅直流系統有一個根本性差別就是技術手段和元件性質不同。可控硅是半控器件，但技術成熟，可用快速容電器給予保護，這就決定了其安全保障是低成本的。而變頻器則不同，至今半導體技術還不能對可關斷器件實施可靠的低成本的保護，它的唯一保障措施只能靠關斷基極來實現。

　　因此，一旦線路或元件故障往往造成功率器件損壞，而功率器件的成本占到變頻器價格的1 /3以上，所以這是變頻器維護費用高的主要原因。

　　24變頻器的正確使用和參數優化有待研究目前大多數企業選用變頻器都是按出廠參數經過簡單設置后投入運行的，操作程序和匹配關系也有一定的隨意性，這些都對變頻器安全和高效的運行有一定的影響。例如轉矩提升和加減速時間的配合問題，不同部位變頻器和電動機的匹配問題都值得研究。對于恒轉矩負載，合理的配合應當是變頻器和電動機相差一個數量級，而實際上多數用戶都沒這樣做，這對變頻器的安全使用是不利的。

　　25效率和速度精度對生產的影響雖然在200m/min以下的紙機開環基本上可以滿足要求，但調查表明，在多數紙機上個別分部如網部和烘干部之間容易斷紙、引紙困難及占用時間較長，是開環低速紙機無法克服的問題。如果能夠簡單的閉環改造或引入更好的控制方法，可望進一步提高產品質量和生產效率。

　　3紙機傳動技術的發展和方案的選擇從以上國內紙機變頻傳動的應用背景和現狀看，變頻傳動技術的采用和紙業市場及企業內在因素有密切的聯系。隨著市場由賣方向買方的轉換，企業自身規模的擴大和素質的不斷提高，開環變頻傳動必將由閉環取代，這是由生產經濟效益要求決定的。車速的提高及綜合經濟效益的比較，從一次性投入到日常維修費用、耗能的指標的核算，都必然對目前紙機傳動方案產生影響。那么交流機和直流機比較究竟哪個方案更合理、更經濟，從技術的角度如何選擇判斷這兩種方案，以下談幾點粗淺的認識。

　　3.1系統構成隨著車速和工藝復雜性提高，新型紙機傳動決不是僅靠開環或閉環措施就能滿足要求的，它必然帶來系統的結構向復雜化發展，如張力控制、負荷分配控制以及各種連動控制的程序化等。因此，系統整體結構復雜后變頻器開環系統的優勢就不在存在，而閉環后直流系統和交流系統的復雜性上己無大的區別，選用可靠性和技術結構盡可能簡單而便于操作和維護的系統將影響方案的決定和選擇。

　　3.2能耗和可靠性現代的直流傳動電機和系統結構經過不斷改進，效率有所提高，可以省掉一些如變壓器電抗器等附件，但總的效率比交流要低些，加上功率因數影響，交流系統比直流系統節能，估計在6%~ 10%之間。能耗指標的另一個影響因素就是停機時間和整體生產效率。可靠性和可修復性及維修成本與維修時間等，對整體能耗指標將產生較大的影響。在技術力量有保證的前提下，變頻器和直流傳動相比可維修性要低得多，且維修時間和成本都會大于直流系統。在系統的可靠性方面，進口直流傳動也采用了類似變頻器的結構和工藝等，就目前的技術而言，可靠性反而高于變頻器。這是因為：（1）系統控制為大規模集成電路和計算機數字技術；（2）直流系統主回路和交流相比過載能力高得多；（3）直流和交流相比耐故障能力強。例如當主回路某一驅動或元件故障時，系統負荷不大時仍可以帶病工作。而變頻器則不能有絲毫故障，否則立即停機。

　　3.3系統的造價和使用費用對單機容量不超過50kW的交流系統，通用變頻器加異步電機的價格和直流系統相比不相上下。

　　但直流系統為閉環系統，交流系統為開環系統，在技術指標上交流系統更高些。如果交流系統也采用閉環和專用變頻器，則造價比直流系統高。隨著專用變頻器價格下降，二者會接近理論上交流系統造價比直流系統造價比較終要低，這是因為半導體材料和軟件技術費用要下降，而銅和加工工藝費用要上升。

　　在50kW以上的系統，直流系統將明顯占有價格優勢，這主要是變頻器的價格隨功率大而近似線形加，而直流系統除電動機外，功率加價格加較少。

　　在使用費用上，如果功率不大且開環，則交流系統費用低于直流系統，這里主要是能源費和人工費。然而由于故障維修和備件費用，交流系統又可能大于直流系統。

　　10年），交流系統更新和維修費用會大于直流系統，因為直流系統主要是電動機的維修費用較大，控制系統較低。而變頻器不論維修或更換，其費用都比直流系統高的多，5~ 10年變頻器至少有50%要維修和更新，而直流系統只要部分維修和更新，自然節省費用。

　　4結論紙機正在朝高速大型化發展，隨著生產效率和效益的不斷提高，以往低速開環的紙機必將被閉環取代。

　　在200m/min以下的開環紙機中，仍存在個別分部如網部和烘干部傳動之間速度失調問題，以及開環系統在引紙過程造成的浪費。進行簡單可靠的閉環改造，將現有的開環系統得到升速效的作用。

　　大型紙機的維護和使用都離不開具有較高素質和水平的工程技術人員，人才問題應當引起企業特別是新發展起來的企業的重視。

　　在技術力量不高的情況下，中低速紙機選用變頻方案，將利于減少故障率和提高生產率，但變頻器的選型很重要。

　　大型高速紙機（500m/min以上和寬幅3m以上），就目前的傳動技術和工業水平而言，交流系統雖節能，但風險較大，成本也偏高，而直流系統易于維護且風險較小。在管理和技術水平較低的企業，直流系統雖能耗大些，但便于使用和維護。