1、引言

電動(dòng)機(jī)是電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的原動(dòng)機(jī)，它將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，去拖動(dòng)各種類型生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝的要求，如驅(qū)動(dòng)軋鋼機(jī)的軋輥、龍門刨床的工作臺(tái)、起重機(jī)的提升機(jī)及行走機(jī)構(gòu)等。在很多應(yīng)用中可能要求生產(chǎn)機(jī)械在工作速度、定位精度、快速啟動(dòng)和制動(dòng)、反轉(zhuǎn)等方面達(dá)到一定的水平，而作為系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)則是實(shí)現(xiàn)這些要求的主體，因此提高電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)對于整個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的性能具有重要的意義。隨著電力半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步并得到日益廣泛的應(yīng)用。

近年來，隨著紡織機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)水平的不斷提高，應(yīng)用交流變頻調(diào)速已成為一種趨勢。在大多數(shù)新開發(fā)的紡織機(jī)械產(chǎn)品中幾乎無一例外地應(yīng)用了交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速裝置。對于織造機(jī)械則有漿紗機(jī)、整經(jīng)機(jī)等。另外針織機(jī)、無紡布、化纖機(jī)械、印染機(jī)械上也大量使用了交流變頻調(diào)速器。本文主要介紹了歐姆龍3G3JV系列小型變頻器和PLC在細(xì)紗機(jī)上的應(yīng)用。

2、3G3JV變頻器的特點(diǎn)

3G3JV變頻器歐姆龍公司推出的小型變頻器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，只需簡單的操作就實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的功能，主要特點(diǎn)是：

（1）正面的調(diào)節(jié)旋鈕簡單操作，變更速度方便。

（2）安裝簡便，操作簡單，用途廣泛，可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的有效控制。

（3）通過簡單的操作調(diào)節(jié)速度，通過正面調(diào)整旋鈕，可以簡單地實(shí)現(xiàn)速度調(diào)整。投入電源后，可立即運(yùn)行。

（4）將多種功能集中于小巧機(jī)身內(nèi)，最大可達(dá)8段速的多段速運(yùn)轉(zhuǎn)，加上點(diǎn)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)（最大9段速）及UP/DOWN運(yùn)轉(zhuǎn)燈，可以實(shí)現(xiàn)多種速度運(yùn)轉(zhuǎn)。另外還包含了各種便捷的功能，如滑差補(bǔ)償功能、過轉(zhuǎn)矩檢出功能、速度搜索功能等。維護(hù)簡單，一按即可實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇的脫卸，而且只在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才投入工作，更能延長壽命。

（5）可實(shí)現(xiàn)節(jié)省空間的小巧尺寸，使盤內(nèi)的安裝也變得更為容易。安裝、配線輕松簡單。由于主回路端子的上下排列，可以輕巧的進(jìn)行連接。同時(shí)通過DIN導(dǎo)軌的使用，可以實(shí)現(xiàn)一按就能安裝/脫卸。

（6）對應(yīng)多種輸入/輸出，對應(yīng)0～10V、4～20mA、0～20mA的模擬輸出、多功能輸出端子、模擬監(jiān)控等。多功能輸入上可以實(shí)現(xiàn)PNP/NPN輸入切換。

（7）避免產(chǎn)生高次諧波

高次諧波對電源的干擾使功率因數(shù)降低，產(chǎn)生射頻干擾、噪聲、振動(dòng)等。在調(diào)試時(shí)，普通變頻器對生產(chǎn)線上的PLC、光電開關(guān)、接近開關(guān)產(chǎn)生干擾。只要變頻器控制的電機(jī)開動(dòng)，PLC的信號(hào)就一片混亂，輸入、輸出指示燈無規(guī)則的閃爍，程序不能正常運(yùn)行。為了避免這些問題，一般情況下，必須在變頻器的主電路中加入電抗器，抑制干擾。經(jīng)過改變動(dòng)力線與信號(hào)線排布，分開走線槽，獨(dú)立給PLC供電，外加電抗器，加磁環(huán)濾波等一系列繁瑣工作，有時(shí)，這樣仍不能解決問題。但是3G3JV變頻器載波頻率可調(diào)節(jié)，從l～10kHz范圍限寬，通過調(diào)整載波，就可以消除干擾。

（8）避免產(chǎn)生機(jī)械共振

在變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)升速過程中或運(yùn)行達(dá)到某一速度時(shí)，引起共振，這樣既縮短了機(jī)器的使用壽命，又降低了機(jī)械的精度。3G3JV變頻器有一個(gè)專門的參數(shù)能使升速過程中跳躍一段頻率，可以避免機(jī)械共振。

（9）在保護(hù)功能以及延長使用壽命等方面的新措施

通用變頻器的保護(hù)功能主要包括過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、失速保護(hù)等，通常變頻器的保護(hù)電路都是制作在控制線路板上。3G3JV變頻器是把過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)制作在功率驅(qū)動(dòng)模塊一起，這樣縮短了電信號(hào)的傳輸距離，使得保護(hù)電路反映的速度更加快捷，提高了變頻器的可靠性。

（10）變頻器的壽命延長

很多變頻器的損壞是由于元器件老化造成的。變頻器由于冷卻風(fēng)扇壽命較短，冷卻風(fēng)扇在變頻器上電的時(shí)候開始工作，到了風(fēng)扇的使用壽命，風(fēng)扇損壞停止工作，造成整流器件、逆變功率器件超過正常工作溫度燒毀，修復(fù)成本很高，基本無修復(fù)價(jià)值。這樣就由于一個(gè)風(fēng)扇影響了變頻器的壽命。3G3JV變頻器的控制風(fēng)扇可以在變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以延長冷卻風(fēng)扇的壽命，也就延長了變頻器的壽命。

3G3JV系列小型變頻器突出的優(yōu)點(diǎn)在于多功能輸入輸出接點(diǎn)，引入了多功能變頻器的優(yōu)點(diǎn)，使控制方法更簡便、更完善,從而使得它非常適合紡織生產(chǎn)工藝流程的變化。

3、工藝要求

棉紡過程有開纖（開棉、除塵、混棉），制紗（梳棉、制棉條），粗紡（將棉條進(jìn)一步延伸，稍加搓捻），最后是精紡（將粗紗延伸、搓捻成細(xì)紗）。細(xì)紗機(jī)是棉紡過程的最后一道工序，精紡機(jī)械的紡織時(shí)間最長，而且需要強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力。該道工序的好壞直接影響到棉紗的產(chǎn)量和質(zhì)量，所以選擇細(xì)紗機(jī)的傳動(dòng)裝置是十分重要的。

細(xì)紗機(jī)是將粗紗或條子紡成一定支數(shù)細(xì)紗的紡織機(jī)器。它的控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定與否直接影響到生產(chǎn)成本。采用PLC和變頻器控制細(xì)紗機(jī)，操作簡單，接線少，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，成紗質(zhì)量好，且維修方便，便于管理。

細(xì)紗機(jī)有低速運(yùn)行、高速運(yùn)行、吹吸風(fēng)、落紗等過程。落紗分為自動(dòng)落紗和中途落紗（暫停工作），自動(dòng)落紗又分定長落紗和定時(shí)落紗。自動(dòng)落紗的方式、落紗時(shí)間及長度均可設(shè)置，并能掉電保持。細(xì)紗機(jī)所需的電氣傳動(dòng)裝置應(yīng)滿足如下條件：

（1）高效率

細(xì)紗機(jī)所需的傳動(dòng)動(dòng)力占棉紡過程的50%以上，且連續(xù)運(yùn)行。所以傳動(dòng)裝置的效率直接影響到整個(gè)棉紡過程。

（2）可軟啟動(dòng)

啟動(dòng)時(shí)如果受到過大的的張力或者張力變化急劇都會(huì)造成斷紗。

（3）良好的速度控制性能

高生產(chǎn)率的紡紗速度是斷紗少的最高速度，但斷紗由于種種原因而變化，紡紗速度也應(yīng)對應(yīng)于各種條件進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)紡紗過程的工藝要求，采用松下的FP0型PLC和3G3JV小型變頻器可以滿足上述要求，3G3JV變頻器的模塊化設(shè)計(jì)理念、快速的I/O處理時(shí)間和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)靈活地配置控制系統(tǒng)。

在系統(tǒng)中采用FP0型PLC對各個(gè)變頻器進(jìn)行集中監(jiān)控，PLC和變頻器之間通過RS-485總線相連，變頻器和電動(dòng)機(jī)的各個(gè)參數(shù)如電機(jī)電流、電機(jī)運(yùn)行的最大和最小頻率、變頻器的斜坡上升和下降時(shí)間等都可以由PLC通過通信口來實(shí)時(shí)地訪問和修改。這樣就增強(qiáng)了系統(tǒng)的控制性能，減少了系統(tǒng)的布線和調(diào)試時(shí)間，降低了工程施工的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，方便了系統(tǒng)的維護(hù)，降低了維護(hù)費(fèi)用。

4、系統(tǒng)配置

一臺(tái)細(xì)紗機(jī)通常有250～400個(gè)紗錠，紡紗錠數(shù)一般用細(xì)紗機(jī)臺(tái)數(shù)×40來表示。細(xì)紗機(jī)本身的紡紗能力用紗錠的轉(zhuǎn)速表示。細(xì)紗機(jī)的運(yùn)行模式分為高、低速兩檔。在啟動(dòng)開繞和繞滿停車時(shí)，為了防止斷紗而實(shí)行軟啟動(dòng)和停車。系統(tǒng)中用了16臺(tái)內(nèi)置EMC濾波器的變頻器和16臺(tái)三相250W的電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)采用 PLC。所有的變頻器都由PLC通過RS485串行通信口來控制。這樣不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的控制性能，而且還減少了系統(tǒng)布線和調(diào)試的時(shí)間?？刂葡到y(tǒng)的框圖如圖1所示。運(yùn)行模式如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行模式

紡紗過程中由電機(jī)來帶動(dòng)紗錠（線軸）工作。電機(jī)在變頻器的控制下運(yùn)轉(zhuǎn)而帶動(dòng)紗錠進(jìn)行紡紗。紡紗的質(zhì)量取決于變頻器能否在負(fù)載變化時(shí)保持穩(wěn)定的運(yùn)行。系統(tǒng)中采用歐姆龍3G3JV變頻器來控制紗錠電機(jī)的運(yùn)行，3G3JV變頻器具有很高的動(dòng)態(tài)性能容許負(fù)載快速變化，其FCC控制功能可以提供非常平穩(wěn)的運(yùn)行速度，從而減少了斷紗，提高了紡紗的質(zhì)量。3G3JV變頻器具有快速的捕捉再啟動(dòng)功能，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)可以快速地再同步紗錠速度，以避免斷紗的產(chǎn)生。 3G3JV變頻器可以控制電機(jī)在負(fù)載變化時(shí)從靜止到輸出650Hz平穩(wěn)地運(yùn)行。所有的變頻器和電機(jī)的參數(shù)，如電機(jī)的實(shí)際速度、電機(jī)電流、電機(jī)的輸出力矩以及變頻器和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)都可以通過串行口來訪問。

細(xì)紗機(jī)的運(yùn)行模式分為高速和低速兩檔。在系統(tǒng)開繞到低速以及由低速到高速的加速過渡過程中，電機(jī)帶動(dòng)紗錠在變頻器的控制下在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)均勻加速。在由高速到低速以及由低速到繞滿停車的減速過渡過程中，電機(jī)在變頻器的控制下在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)均勻減速，如系統(tǒng)的運(yùn)行模式圖所示。在啟動(dòng)開繞和繞滿停車時(shí)，變頻器實(shí)行軟啟動(dòng)和停車，以避免斷紗的出現(xiàn)。低速和高速的持續(xù)時(shí)間由PLC控制，而具體的運(yùn)行速度是通過對變頻器的設(shè)定來確定的。

接通電源后，吸風(fēng)電動(dòng)機(jī)開始工作。同時(shí)，鋼領(lǐng)板升降電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，鋼領(lǐng)板上升。當(dāng)鋼領(lǐng)板升到了始紡位置時(shí)，其復(fù)位開關(guān)動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)停止。按下低速起動(dòng)按鈕，主機(jī)開始低速運(yùn)行，進(jìn)行細(xì)紗接頭。按下高速起動(dòng)按鈕，轉(zhuǎn)換為高速運(yùn)轉(zhuǎn)，全機(jī)進(jìn)入正常紡紗階段。

紡紗滿管后，鋼領(lǐng)板復(fù)位開關(guān)動(dòng)作，滿管信號(hào)燈亮。進(jìn)入工作位置，主機(jī)停止開關(guān)接通，此時(shí)，主機(jī)高速接觸器釋放，鋼領(lǐng)板升降中間繼電器吸合，主機(jī)斷電保持慣性回轉(zhuǎn)。隨后，鋼領(lǐng)板升降電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，鋼領(lǐng)板開始下降，降到極限位置時(shí)，鋼領(lǐng)板下降限位開關(guān)動(dòng)作，停止下降。撐爪電磁鐵吸合時(shí)，將撐爪打開，主軸制動(dòng)電磁鐵吸合，主軸制動(dòng)剎車。經(jīng)過一段延時(shí)后，切斷控制電源，落紗完畢。

需要中途停車時(shí)，按下中途停車按鈕，主機(jī)即可停車，并自行制動(dòng)。需要提前落紗時(shí)，按下中途落紗按鈕即可。當(dāng)機(jī)器發(fā)生意外時(shí)，按下緊急停車擇鈕，可使全機(jī)立即停車。

在程序中設(shè)置了各個(gè)過程、設(shè)備之間的聯(lián)鎖保護(hù)，使生產(chǎn)過程更加安全、合理。

5、結(jié)束語

系統(tǒng)中采用的3G3JV變頻器的防護(hù)等級(jí)為IP20，為了保證變頻器長期可靠地運(yùn)行，在系統(tǒng)工作過程中需要注意以下幾個(gè)方面：

（1）由于紡織生產(chǎn)本身的工藝要求，要保持車間一定的溫度和濕度，在炎熱的夏季一定要注意變頻器柜體的溫度不要超限，要確保柜體的通風(fēng)。

（2）由于紡紗車間的粉塵較多，如果變頻器的柜體設(shè)計(jì)密封程度不夠，粉塵進(jìn)入變頻器內(nèi)堆積，吸附在電力、電子元件上，將會(huì)導(dǎo)致絕緣降低，引起變頻器故障。因此在設(shè)計(jì)柜體時(shí)要注意防塵，并定期清理柜子的過濾器。

（3）由于供電質(zhì)量低以及同一電網(wǎng)連接多臺(tái)變頻器，故需考慮在每臺(tái)變頻器的輸入端加進(jìn)線電抗器，以保護(hù)變頻器長久地正常運(yùn)行。