1、造紙機(jī)傳動(dòng)的變頻應(yīng)用 中國(guó)造紙工業(yè)有效生產(chǎn)能力自1990年以來，特別是自1995年以來一直在持續(xù)增長(zhǎng)。到2002年底為止，我國(guó)有4000多個(gè)造紙廠，其中規(guī)模以上的有2600多家。2002年的總產(chǎn)量達(dá)到了3780萬噸。在今后的l～2年中，還將會(huì)有近1000萬噸的新增生產(chǎn)能力。屆時(shí)，我國(guó)造紙工業(yè)的生產(chǎn)能力總和將會(huì)達(dá)到近5000萬噸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自從2000年以來，全球生產(chǎn)的大型造紙機(jī)有1/2都安裝在中國(guó)。 假設(shè)我國(guó)在今后一段時(shí)間內(nèi)gdp總量以年均7%的速度遞增，同時(shí)，按過去12年的年均人口增長(zhǎng)率0.91%作為今后的年人口凈增長(zhǎng)率，到2010年，我國(guó)的人均gdp達(dá)到13890元人民幣，屆時(shí)人均耗紙量可從目前的不到30公斤上升到50公斤?？梢灶A(yù)測(cè)，到2005年，我國(guó)紙和紙板總消費(fèi)量可達(dá)5020萬噸;而到2010年，總消費(fèi)量將達(dá)6900萬噸。 目前，高檔紙機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的占有率為33％，而且基本上以國(guó)際造紙機(jī)械巨頭如voith、metso、andritz等為主。如2003年山東造紙可投產(chǎn)的五條10萬噸/年以上造紙生產(chǎn)線: ·華泰集團(tuán)有限公司20萬噸/年輕涂紙生產(chǎn)線，全套引進(jìn)福伊特公司設(shè)備; ·博匯實(shí)業(yè)有限公司30萬噸/年涂布白卡紙生產(chǎn)線，總投資10億元人民幣，全套引進(jìn)福伊特公司設(shè)備; ·泉林紙業(yè)公司20萬噸/年銅版紙生產(chǎn)線，2臺(tái)3700造紙機(jī)主要部件流漿箱、頂網(wǎng)、施膠壓榨等引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品，主機(jī)的其它部分由淄博恒星機(jī)電公司制造; ·銀河紙業(yè)集團(tuán)有限公司20萬噸/年高強(qiáng)瓦楞原紙二期10萬噸/年生產(chǎn)線，幅寬4400mm、車速550m/min造紙機(jī)由山東昌華造紙機(jī)械公司制造; ·泰山紙業(yè)股份有限公司10萬噸/年輕涂紙生產(chǎn)線，引進(jìn)法國(guó)阿里盟公司造紙機(jī)。由此可以看出，整機(jī)的紙機(jī)供應(yīng)將基本上以進(jìn)口為主。 由于目前的新增紙機(jī)的傳動(dòng)設(shè)備已經(jīng)有80%以上采用交流傳動(dòng)變頻器，所以在今后每年新增的300～400萬噸的產(chǎn)量中，每年的紙機(jī)傳動(dòng)裝機(jī)容量將非?？捎^。 我們以某廠引進(jìn)的voith產(chǎn)的17.5萬噸/年的紙板機(jī)的裝機(jī)容量為例，它的紙品為雙面涂布白板紙，其幅寬4.2m，包括四層網(wǎng)部、四道壓榨、10組烘缸、1組冷缸、1組施膠壓榨、3道雙輥壓光、4組氣刀涂布、1個(gè)卷紙部等，共計(jì)72個(gè)傳動(dòng)，設(shè)計(jì)克重120～500g/m2、車速600m/min，其紙機(jī)的分部傳動(dòng)（就是指72個(gè)紙機(jī)傳動(dòng)）的變頻容量總計(jì)為5490kw。 由此可以計(jì)算出通用的噸紙容量計(jì)算為31w，那么我們就可以概算出今后每年的變頻裝機(jī)容量大約為為9萬kw左右。以紙機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1kw/2000rmb的計(jì)算，共計(jì)有1.8億rmb左右的傳動(dòng)市場(chǎng)。當(dāng)然在這里面，變頻器品牌基本上是由國(guó)外主要生產(chǎn)廠商abb、siemens、ab、yaskawa等占主導(dǎo)地位。另外，由于我國(guó)目前所有紙機(jī)機(jī)械的生產(chǎn)能力還不到30萬噸/年，所以國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)份額大概不到1/4，其余將全部是國(guó)外的造紙機(jī)械商所占有。 我們也同時(shí)注意到高檔紙機(jī)的增加量將達(dá)到歷史的最高峰，幅寬的增大和車速的快速提高都促使在新增的紙機(jī)裝機(jī)中大量使用最新的高檔矢量型或dtc控制型變頻器，而目前國(guó)內(nèi)相應(yīng)的成熟變頻器基本沒有，所以大部分為進(jìn)口品牌所擁有，國(guó)內(nèi)品牌的份額不到5%。當(dāng)然我們也注意到，由于中國(guó)日益成為世界工廠，由中國(guó)制造的變頻器將逐漸走向已經(jīng)有本地化機(jī)構(gòu)的國(guó)際紙機(jī)機(jī)械廠家（如美卓紙業(yè)、voith紙業(yè)）的高檔造紙機(jī)。 目前在紙機(jī)分部傳動(dòng)上使用的變頻器必須能同時(shí)具備以下特性: （1） 調(diào)速范圍寬，在全速度范圍內(nèi)，效率必須在90%以上; （2） 功率因數(shù)高于0.9以上; （3） 輸入諧波電流總失真小于3%; （4） 采用可靠性高、技術(shù)成熟的標(biāo)準(zhǔn)器件igbt; （5） 能減少輸出諧波分量并有效降低dv/dt噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果; （6） 利用通訊功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速串行傳輸。 2、造紙機(jī)變頻改造的前景和分析 2.1 造紙機(jī)變頻改造的前景 我們?cè)陉P(guān)注新增紙機(jī)產(chǎn)能的同時(shí)，我們也必須注意到現(xiàn)有紙機(jī)的改造一塊。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，我國(guó)擁有3780多萬噸生產(chǎn)能力，單機(jī)生產(chǎn)能力在5萬噸以上以及紙板機(jī)生產(chǎn)能力在10萬噸以上的不足三分之一，尚有三分之二以上的生產(chǎn)能力需要投入巨資改造，其中至少三分之一的紙機(jī)需要部分或全部更換原來的傳動(dòng)部分（包括機(jī)械齒輪箱和電機(jī)傳動(dòng)），以提高車速或降低能耗。 根據(jù)裝機(jī)功率的概算，我們可以預(yù)估出:在今后五年間大約有30萬kw裝機(jī)功率需要投入改造。按改造系統(tǒng)1kw/1500rmb的計(jì)算，會(huì)將近有4.5億rmb左右的變頻器市場(chǎng)，由于原本涉及國(guó)內(nèi)本地化改造項(xiàng)目，將會(huì)有相當(dāng)數(shù)量地采用國(guó)產(chǎn)變頻器，因此這將是國(guó)產(chǎn)變頻器可以角逐的天地，市場(chǎng)潛力巨大，應(yīng)該引起足夠重視。 我國(guó)造紙機(jī)分部傳動(dòng)設(shè)備，以前采用scr直流調(diào)速方式，由于存在滑環(huán)和炭刷造成可靠性和精度不高，從而導(dǎo)致紙機(jī)的機(jī)械落后，最高車速也只有200m/min左右，很難同國(guó)外的1000m/min的高速紙機(jī)相比。 造紙是一個(gè)連續(xù)生產(chǎn)的過程，因此生產(chǎn)線的連續(xù)和有序控制成為了制約成品紙質(zhì)量和產(chǎn)量的瓶頸。直流調(diào)速系統(tǒng)在紙機(jī)的發(fā)展史上占有重要的地位，但由于直流電機(jī)存在維護(hù)難、適應(yīng)環(huán)境能力差，主要表現(xiàn)如下: （1） 整流子磨損嚴(yán)重, 燒毀整流子的故障, 導(dǎo)致停機(jī)時(shí)間長(zhǎng); （2） 直流電機(jī)維修困難多, 要求高, 修理費(fèi)用也高; （3） 測(cè)速發(fā)電機(jī)易磨損，造成傳動(dòng)系統(tǒng)精度低 （4） 直流調(diào)速控制系統(tǒng)復(fù)雜, 調(diào)試?yán)щy, 一般技工很難調(diào)出好的機(jī)器。 交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電以及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式。它不但具有直流電機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，同時(shí)具有交流電機(jī)簡(jiǎn)單、可靠，因而逐漸被廣泛應(yīng)用。由此看來，造紙機(jī)分部傳動(dòng)機(jī)械的變頻化已是大勢(shì)所趨。 造紙機(jī)傳動(dòng)的變頻改造有非常好的效果，如從工藝上改善紙品、增加產(chǎn)能、降低能耗、延長(zhǎng)停機(jī)檢修周期。 以某廠改造一臺(tái)長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)為例，它有兩個(gè)分部:一個(gè)是烘缸（干部），一個(gè)是網(wǎng)部（濕部）。根據(jù)工藝要求抄紙速度為20～100m/min，紙頁(yè)定量為9～30g/m2。一般紙機(jī)的傳動(dòng)精度要求達(dá)到1～3‰，由于速度變化范圍大，最低定量為9g/m2,要求紙機(jī)的傳動(dòng)精度更高。因此，選擇紙機(jī)的傳動(dòng)控制方案閉環(huán)系統(tǒng)。 2.2 效益分析 （1） 節(jié)能效果分析 根據(jù)該廠改造前和改造后紙機(jī)能耗，對(duì)比如下: 改造前的電功率: 90m的車速p90 =74a×180v＋3×220=13980w=13.98kw（直流傳動(dòng)）按一年生產(chǎn)300天計(jì): 整機(jī)用電=300×24×13.98=100656kwh 改造后的電功率: 90m的車速p90 =1.732×16a×380v=10530w=10.53kw（變頻傳動(dòng)） 整機(jī)用電=300×24×10.53=75816kwh 全年可節(jié)電=100656－75816=24840kwh 由此可以得出應(yīng)用變頻器后實(shí)際節(jié)能為:25% （2） 工藝效益分析 改造前后的產(chǎn)品質(zhì)量情況如附表所示: 由上可以看出: ·紙機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率提高:27%以上（由月平均產(chǎn)量得到，已排除其他因素）; ·成品率提高:1.6%　 綜上所述，采用變頻器后提高紙機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，進(jìn)一步提高了經(jīng)濟(jì)效益。 3、造紙機(jī)附屬設(shè)備的變頻器應(yīng)用分析 造紙機(jī)的輔助設(shè)施包括以下幾個(gè)系統(tǒng):供漿系統(tǒng)、白水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、化學(xué)品制備及傳送系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)等。為了使造紙機(jī)能夠連續(xù)均衡地運(yùn)轉(zhuǎn)，它的輔助設(shè)施能力，一般應(yīng)超過造紙機(jī)的最大生產(chǎn)能力的15%～30%。 該處應(yīng)用尚未引起足夠重視，這也是提高變頻器份額的最有效手段和方法。 3.1 供漿系統(tǒng)的變頻器應(yīng)用 供漿系統(tǒng)必須滿足下列幾個(gè)條件: （1） 向造紙機(jī)輸送的漿料要穩(wěn)定，誤差不能超過±5%; （2） 漿料的配比和濃度要穩(wěn)定均勻; （3） 貯備一定的漿料量，使供漿能力可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)造紙機(jī)車速和品種的改變; （4） 對(duì)漿料進(jìn)行凈化精選; （5） 處理造紙機(jī)各部分損紙。 通常情況下，供漿系統(tǒng)由供漿管路的漿泵、沖漿泵和凈化設(shè)施的壓力篩、除渣器組成，要達(dá)成以上五點(diǎn)目的，最主要就是要對(duì)漿泵和沖漿泵從全速運(yùn)行改造為速度可調(diào)節(jié)的變頻運(yùn)行，最終滿足供漿自動(dòng)化。 以沖漿泵為例來說明變頻器的速度控制流程:該變頻控制宜采用雙閉環(huán)系統(tǒng)的速度控制方式，外環(huán)是速度閉環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)。沖漿泵速度的設(shè)定值一方面是由漿速和網(wǎng)速比變化而獲得，另一方面是來自于流漿箱的壓力控制器。前者是主調(diào)，后者是微調(diào)。紙機(jī)的漿速和網(wǎng)速比基本上是恒定的，因此紙機(jī)的網(wǎng)速一旦變化，沖漿泵的轉(zhuǎn)速也跟隨變化;為了提高速度調(diào)節(jié)器的精確性和反映流漿箱的實(shí)際工藝過程，通常還需取流漿箱的壓力pid控制輸出值的±５％的變化來作為沖漿泵附加的速度設(shè)定值。速度的實(shí)際值取自傳動(dòng)電機(jī)的實(shí)際速度采樣，可通過旋轉(zhuǎn)測(cè)速電機(jī)或光電旋轉(zhuǎn)編碼器等檢測(cè)裝置獲取。電流的設(shè)定值取自速度環(huán)的輸出信號(hào)，電流的實(shí)際值取自各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的交流變頻器輸出端電流互感器的測(cè)量值。因此對(duì)于沖漿泵的變頻調(diào)速而言，需要對(duì)其進(jìn)行pid控制，需正確選擇速度反饋方式和pid的各類參數(shù)。了解這一點(diǎn)，對(duì)選擇變頻器的型號(hào)非常重要。 3.2 壓縮空氣系統(tǒng)的變頻器應(yīng)用 壓縮空氣常用于造紙機(jī)網(wǎng)部與壓榨部的氣動(dòng)加壓升降裝置、網(wǎng)毯的校正裝置、氣墊式流漿箱、引紙?jiān)O(shè)備、涂布?xì)獾兑约案鞣N氣動(dòng)儀表和調(diào)節(jié)裝置等處。 壓縮空氣系統(tǒng)中，主要設(shè)備有空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、減壓閥、空氣過濾器、汽水分離器及安全閥等，造紙機(jī)上通常壓力需要為5～6bar左右。在大多數(shù)紙廠中，都通過2臺(tái)以上的空壓機(jī)并列運(yùn)行，然后通過儲(chǔ)氣罐來保持壓力恒定。 由于壓縮機(jī)功率較大且控制壓力一般都通過加載或卸載來調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)始終處于全速運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)踐表明該控制方式耗能巨大，浪費(fèi)嚴(yán)重。所以目前都已趨向于采用由一臺(tái)變頻器控制、多臺(tái)直接工頻運(yùn)行的方式來控制壓縮機(jī)組，并組成壓力閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)。 3.3 化學(xué)品制備及傳送系統(tǒng)的變頻器應(yīng)用 由于在脫墨、制漿、涂布、施膠等部位要用到大量的化學(xué)品，其使用的量與紙機(jī)多傳動(dòng)的速度成正比，所以在化學(xué)品的傳送系統(tǒng)（如泵）必須采用無級(jí)交流調(diào)速系統(tǒng)，其首選為變頻器。主要是基于該化學(xué)品泵的功率較小，一般都在0.4kw～5.5kw之間，而這一功率段的變頻器的性能價(jià)格比已經(jīng)屬于最優(yōu)，多年前還在廣泛使用的電磁調(diào)速和無級(jí)調(diào)速齒輪泵都已經(jīng)面臨淘汰。根據(jù)最新市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，中等品牌的最低功率變頻器已經(jīng)跌至千元/kw以下。 在化學(xué)品制備中要用到大量的研磨設(shè)備，如球磨、膠體磨、砂磨、高切變分散攪拌器等，他們最大的特點(diǎn)就是高功率、高耗能、使用環(huán)境惡劣。目前已經(jīng)有廠家在研磨設(shè)備上采用變頻器取得了良好的效果。 以砂磨機(jī)為例，其工作原理是將待研磨的涂料經(jīng)送料泵輸入筒體后，在高速旋轉(zhuǎn)的分散盤帶動(dòng)下，遭到研磨介質(zhì)的強(qiáng)烈撞擊、研磨而被分散混合到溶劑中，制成合格的涂料，然后經(jīng)頂篩過濾流出。該設(shè)備的主電機(jī)為200kw，在未使用變頻器之前，通常是在啟動(dòng)前期，采用點(diǎn)動(dòng)方式多次（3次以上）重復(fù)以使涂料與研磨介質(zhì)混合均勻;針對(duì)不同的涂料，有時(shí)需要不同的工藝轉(zhuǎn)速，但實(shí)際上只能滿速運(yùn)行;無法掌握進(jìn)料量，來保證主電機(jī)不過載;耗能非常嚴(yán)重。而使用200kw變頻器就很好地解決了以上問題，可以方便地設(shè)置點(diǎn)動(dòng)速度和慢速運(yùn)行時(shí)間，確保涂料與介質(zhì)混合達(dá)到最均勻;可以在線無級(jí)調(diào)速，不同品種使用不同的研磨速度;進(jìn)料量只要從電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行電流就可以來控制進(jìn)料量，且有過載預(yù)報(bào)警功能和免跳閘功能;節(jié)能率，一般可達(dá)20%以上;降低了齒輪箱的損耗，避免了工頻啟動(dòng)對(duì)齒輪箱的沖擊;由于啟動(dòng)時(shí)，電流平緩，避免了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。目前在山東、黑龍江、海南等地的造紙企業(yè)已經(jīng)有了小批量應(yīng)用。 3.4 烘干部通風(fēng)系統(tǒng)的變頻器應(yīng)用 在烘干部，紙頁(yè)中蒸發(fā)出來的所有水汽被空氣吸收后，必須通過強(qiáng)制通風(fēng)不斷地從造紙車間排除。烘干部通風(fēng)良好與否，直接影響到紙頁(yè)中水分的蒸發(fā)速度和整個(gè)烘干過程的經(jīng)濟(jì)性;通風(fēng)良好，可降低空氣中的蒸汽飽和度，從而減低烘缸蒸汽的消耗量，提高烘干速度。 排除烘干部蒸發(fā)水量所必需的空氣量，與進(jìn)入以及排出的空氣溫度和濕度有關(guān)，也與采用的通風(fēng)系統(tǒng)、氣候條件和季節(jié)有關(guān)。通常，在現(xiàn)代紙機(jī)中采用強(qiáng)制的空氣循環(huán)以求高效，用進(jìn)氣鼓風(fēng)機(jī)將加熱到80度左右的干燥空氣送進(jìn)烘干部下層，使在烘缸之間吸附熱汽形成向上的氣流，然后通過排氣抽風(fēng)機(jī)將匯集在氣罩中的濕熱空氣抽出室外（最后回收余熱）。在高速紙機(jī)中，由于烘缸數(shù)量的增多，通常都分成幾段的鼓風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)組。采用變頻器之后，可以根據(jù)通風(fēng)空氣量的專家計(jì)算公式，隨時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量（鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速）和排氣量（排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速），而無須采用傳統(tǒng)的風(fēng)門控制，進(jìn)一步降低能耗，降低風(fēng)機(jī)的噪音，提高機(jī)械壽命。 3.5 水系統(tǒng)的變頻器應(yīng)用 紙機(jī)是個(gè)耗水大戶，包括白水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、密封水系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、清水系統(tǒng)等，通常情況下都需要用到管網(wǎng)恒壓力供水，但傳統(tǒng)的控壓都是通過旁路和調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行，很少用到變頻器。但是由于中國(guó)國(guó)內(nèi)水資源的普遍缺乏，而變頻器的應(yīng)用將可以節(jié)水10%和節(jié)能30%，必然會(huì)降低紙廠的日常運(yùn)行成本。 變頻器使用在水系統(tǒng)上通常有二種模式:即變頻固定方式、變頻循環(huán)方式。 （1） 變頻固定方式 變頻器變頻輸出固定控制一臺(tái)泵而其余各泵由工頻電網(wǎng)直接供電，它們的啟停信號(hào)由plc進(jìn)行邏輯控制; （2） 變頻循環(huán)方式 變頻器按照一定順序輪流驅(qū)動(dòng)各泵運(yùn)行。變頻器能根據(jù)壓力閉環(huán)控制要求自動(dòng)確定運(yùn)行泵臺(tái)數(shù)（在設(shè)定范圍內(nèi)），同一時(shí)刻只有一臺(tái)泵由變頻驅(qū)動(dòng)。當(dāng)變頻器驅(qū)動(dòng)的泵運(yùn)行到設(shè)定的上限頻率而需要增加泵時(shí)，變頻器將該泵切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)驅(qū)動(dòng)另一臺(tái)泵變頻運(yùn)行。 4、結(jié)束語 隨著中國(guó)造紙工業(yè)的快速發(fā)展，變頻器也將在造紙工業(yè)中大顯身手，但是我們必須注意到由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈而導(dǎo)致高中低端紙機(jī)的變頻器正在日益分化中，如何抓住機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，將是國(guó)內(nèi)變頻器業(yè)者需要商討和應(yīng)對(duì)的問題。