摘要:本文介紹了中國(guó)紡織行業(yè)以及紡織機(jī)械行業(yè)的基本狀況和發(fā)展趨勢(shì),變頻器作為改善工藝和節(jié)能傳動(dòng)設(shè)備在紡織行業(yè)市場(chǎng)空間巨大。作者通過(guò)對(duì)一些典型的紡織廠和紡機(jī)廠走訪,廣泛與業(yè)內(nèi)專(zhuān)家和實(shí)踐者交流,收集了大量一手資料,對(duì)紡織行業(yè)變頻器的市場(chǎng)和應(yīng)用需求進(jìn)行了分析和總結(jié)。同時(shí)結(jié)合艾默生變頻器產(chǎn)品系列的特點(diǎn),針對(duì)不同紡織機(jī)械的需求,提出了變頻傳動(dòng)的解決方案。
關(guān)鍵詞:紡織 變頻器 市場(chǎng)需求 解決方案
1. 引言
中國(guó)已成為世界最大的紡織產(chǎn)品制造國(guó),纖維生產(chǎn)量占全球總量的27.5%,是紡織機(jī)械最大的消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó)。目前國(guó)內(nèi)已具有生產(chǎn)能力5000-6000萬(wàn)錠,近年來(lái)一直以20%左右的速度快速增長(zhǎng),專(zhuān)家估計(jì)2004年會(huì)適度減速,但在未來(lái)的幾年將繼續(xù)以10%以上的速度增長(zhǎng)。
為了提高生產(chǎn)效率,提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗,變頻器作為改善工藝和節(jié)能傳動(dòng)自90年代初期批量進(jìn)入紡織行業(yè)以來(lái),一直得到快速增長(zhǎng)。尤其是加入WTO以來(lái),紡織品的市場(chǎng)擴(kuò)大了,但競(jìng)爭(zhēng)更加激烈,為此企業(yè)大量投入設(shè)備改造,提高生產(chǎn)力。紡織行業(yè)對(duì)變頻器的需求量越來(lái)越大,要求也不斷提高。積極了解紡織行業(yè)、深入研究紡織機(jī)械對(duì)變頻器的需求,為紡織行業(yè)提供適用的變頻器產(chǎn)品和變頻調(diào)速傳動(dòng)的解決方案是變頻器供應(yīng)商義不容辭的責(zé)任和使命。
2. 紡織行業(yè)的劃分和布局
紡織行業(yè)包括從纖維原料到服裝,日用或產(chǎn)業(yè)用布料、繩、線的工藝過(guò)程中生產(chǎn)企業(yè),以及為這些企業(yè)提供專(zhuān)用設(shè)備的配套企業(yè)。紡織行業(yè)的主工藝流程示意見(jiàn)圖1。
紡織行業(yè)應(yīng)用變頻器的領(lǐng)域主要在天然纖維紡紗、織造、染整和化纖四大塊。對(duì)于服裝、日用品等成品加工的縫紉機(jī)和繡花機(jī),有采用交流伺服電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的趨勢(shì),也有變頻器驅(qū)動(dòng)異步機(jī)的嘗試,但這不在本文討論范圍。
2003年中國(guó)紡織工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,紡織行業(yè)主要集中在江蘇、浙江、上海、山東、廣東、福建等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海省份,其銷(xiāo)售額占全國(guó)的80%。湖北、河北、河南、安徽、天津、遼寧、四川、北京、內(nèi)蒙古、湖南等中部省份占15%,其余省份僅5%。
某紡織廠的電機(jī)功率分布情況如圖2,圖中其他設(shè)備包括空調(diào)、供水供熱、制冷和電梯等。由于變頻器調(diào)速給紡織生產(chǎn)帶來(lái)質(zhì)量和效率的巨大改進(jìn),許多紡織廠正在積極研究和推廣變頻器應(yīng)用技術(shù),他們樂(lè)于接受帶有變頻器調(diào)速的紡機(jī)設(shè)備,對(duì)于舊設(shè)備的變頻化改造熱情越來(lái)越高。
3. 紡機(jī)行業(yè)的布局和發(fā)展
紡機(jī)行業(yè)主要有中紡機(jī)集團(tuán)、上海太平洋、江蘇、山東、浙江五大板塊。隨著國(guó)家放開(kāi)對(duì)紡織行業(yè)的控制,紡織設(shè)備更新?lián)Q代速度加快。
中國(guó)的紡機(jī)行業(yè)目前正在洗牌:紡紗、織布機(jī)械仍然是中紡集團(tuán)占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì),江蘇的一些合資企業(yè)尚具有一定競(jìng)爭(zhēng)力。染整大部分集中在浙江和江蘇的一些民營(yíng)企業(yè),中紡集團(tuán)和上海太平洋的一些企業(yè)仍有一定市場(chǎng)份額?;w和非織造布生產(chǎn)線的較新的產(chǎn)品,機(jī)械方面技術(shù)難度大,核心部件還需進(jìn)口,國(guó)內(nèi)紡機(jī)企業(yè)正在組織技術(shù)攻關(guān)。針織機(jī)械主要來(lái)自福建泉州等地的臺(tái)資企業(yè),但這些臺(tái)資企業(yè)規(guī)模均不大,廣州、宜昌等一些老牌國(guó)有企業(yè)有機(jī)會(huì)再次崛起。
2003年全國(guó)重點(diǎn)紡織機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品銷(xiāo)售收入達(dá)335億元,同比增長(zhǎng)24%。2004年由于去年增長(zhǎng)過(guò)快,加之鋼材漲價(jià),利潤(rùn)降低,紡機(jī)行業(yè)減緩了增長(zhǎng)的步伐。圖3為2003年紡機(jī)銷(xiāo)售額按省份分布的示意。
中國(guó)紡織機(jī)械器材工業(yè)協(xié)會(huì)提出新型成套設(shè)備技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目:日產(chǎn)200噸及以上滌綸短纖維生產(chǎn)線;粘膠長(zhǎng)絲連續(xù)紡絲機(jī);高效現(xiàn)代化棉紡生產(chǎn)線(即單電機(jī)傳動(dòng));機(jī)電一體化的無(wú)梭織機(jī);紡粘法和溶?chē)姺ǚ侵圃觳忌a(chǎn)線(高速、帶張力控制);電腦提花圓緯機(jī);電腦自動(dòng)橫機(jī);高速特里科經(jīng)編機(jī);染整設(shè)備工藝參數(shù)在線檢測(cè);高效、節(jié)能、環(huán)保的染整設(shè)備。紡織工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展中心提出了紡織工業(yè)技術(shù)進(jìn)步發(fā)展綱要,涉及傳動(dòng)自動(dòng)化設(shè)備的要求:“研究梳棉、并條、粗紗、細(xì)紗、絡(luò)筒等單機(jī)的多電機(jī)獨(dú)立傳動(dòng)和控制系統(tǒng)。在線檢測(cè)和控制技術(shù),單機(jī)自動(dòng)化和工序連續(xù)化,解決國(guó)產(chǎn)清梳聯(lián)、并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。”
4. 主要紡織機(jī)械對(duì)變頻器的需求
由于近幾年紡織行業(yè)技術(shù)改造的主要投入在擴(kuò)展生產(chǎn)能力,加之紡織機(jī)械技術(shù)更新快,目前變頻器80%以上是由紡織機(jī)械廠采購(gòu)配套在主機(jī)設(shè)備中,再銷(xiāo)售給最終用戶(hù)紡織生產(chǎn)廠家的。我們對(duì)變頻器需求量分析只聚焦于這個(gè)配套市場(chǎng),或稱(chēng)為OEM市場(chǎng)。不過(guò)紡織設(shè)備幾乎24小時(shí)連續(xù)工作,損壞和老化的速度快,另外90年代初期上馬的不少電氣系統(tǒng)已進(jìn)入報(bào)廢期,因此變頻器在紡織廠還有一定的改造市場(chǎng),而且所占比例將會(huì)逐年增加。
據(jù)作者調(diào)查分析,2003年國(guó)內(nèi)紡織化纖機(jī)械主機(jī)廠對(duì)變頻器的采購(gòu)需求約6億元,由于紡織工藝復(fù)雜、機(jī)械品種繁多,按紡紗、織造、染整和化纖類(lèi)整理其需求份額如圖4所示。
下面按紡紗、織造、染整和化纖機(jī)械對(duì)變頻器的需求分別介紹:
4.1. 紡紗機(jī)械
紡紗機(jī)械負(fù)責(zé)將棉、毛、麻、絲和化學(xué)纖維原料進(jìn)行除雜、開(kāi)松、牽伸成為均勻柔韌的細(xì)紗。工藝流程和主要設(shè)備見(jiàn)圖5。
大部分紡織設(shè)備對(duì)傳動(dòng)調(diào)速要求一般,保持一定的微張力卷繞控制特性,通用的V/F控制變頻器基本滿足要求:
1) 調(diào)速電機(jī)功率范圍0.75~37kW;
2) 啟動(dòng)過(guò)程要求平穩(wěn),變頻器啟動(dòng)頻率設(shè)置盡量低;
3) 制動(dòng)過(guò)程要求快速,平穩(wěn);
4) 可編程的多段速度輸出;
5) 多電機(jī)級(jí)聯(lián)運(yùn)行要求速度同步;
6) 為使紗均勻地繞在錠子上,要求擺頻,即紡織專(zhuān)用三角波頻率輸出;
7) 配合自調(diào)勻整控制系統(tǒng),對(duì)于高速或高性能的并條機(jī)需要矢量閉環(huán)控制變頻器或伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
雖然近年來(lái)空調(diào)的引進(jìn),清花部分原料采用管道運(yùn)輸使紡紗車(chē)間的工作環(huán)境有所改善,但大部分紡紗車(chē)間仍然是高噪音、高溫和多塵絮,這就要求變頻器具有更強(qiáng)的惡劣環(huán)境下的適應(yīng)能力。
紡紗機(jī)械除了高速并條機(jī)、轉(zhuǎn)杯紡機(jī)有部分進(jìn)口外,基本都實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。對(duì)變頻器的總體要求是可靠性高、低成本,小型化。
4.2. 織造機(jī)械
織造機(jī)械負(fù)責(zé)將纖維紗加工成布匹、線繩或針織品。絡(luò)筒、整經(jīng)、漿紗是織布前的準(zhǔn)備工藝。工藝流程和主要設(shè)備見(jiàn)圖6。
織布車(chē)間和捻線車(chē)間的工作條件與紡紗車(chē)間相似,其中織布機(jī)的噪音更大。針織機(jī)的工作環(huán)境相對(duì)好一些,但大園機(jī)一般將變頻器安裝在機(jī)器本體上,這對(duì)變頻器的抗振動(dòng)能力有一定要求。
織造機(jī)械要求變頻器具備的功能和性能:
1) 調(diào)速電機(jī)功率范圍0.2~22kW;
2) 單錠絡(luò)筒、針織機(jī)、整經(jīng)機(jī)要求故障和定長(zhǎng)(或滿軸時(shí))自動(dòng)停機(jī);
3) 絡(luò)筒、并紗、捻線機(jī)要求變頻器具有擺頻功能;
4) 平滑啟動(dòng)和快速制動(dòng);
5) 漿紗機(jī)要求調(diào)速范圍大,張力恒定,多電機(jī)同步調(diào)速。
自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)、高速無(wú)梭織機(jī)以及高檔繡花機(jī)仍然有大量的進(jìn)口,國(guó)內(nèi)主機(jī)廠正在努力開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品,迫切需要低成本的小功率變頻器和無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配合。相信這部分的變頻器需求量將有較大增長(zhǎng)空間。
4.3. 染整機(jī)械
染整機(jī)械是布匹和紗線后道處理設(shè)備。按工藝要求可分為煉漂、染色、印花、整理等工序,在每道工序中,根據(jù)加工織物的不同要求,又進(jìn)行若干單元操作。其中煉漂包括坯布準(zhǔn)備——燒毛——退漿——煮煉——漂白——絲光——熱定型等工序,新的設(shè)計(jì)已將這些工序過(guò)程組合到退煮漂聯(lián)合機(jī)中。工藝流程和主要設(shè)備見(jiàn)圖7所示。
一般的染整設(shè)備對(duì)傳動(dòng)調(diào)速要求一般,單方向不可逆,平穩(wěn)啟動(dòng)和停車(chē),多單元同步,但間歇式染色機(jī)和印花機(jī)則要求較高。染整設(shè)備的工作環(huán)境是高溫和潮濕。
1) 調(diào)速電機(jī)的功率范圍1.5~30kW,十幾千瓦以上的占多數(shù);
2) 間歇式染色機(jī)要求調(diào)速范圍寬,張力卷繞控制,快速正反轉(zhuǎn);
3) 印花機(jī)要求調(diào)速范圍寬,平滑快速起制動(dòng),對(duì)花定位高精度(定位驅(qū)動(dòng)多采用伺服系統(tǒng));
4) 水洗機(jī)負(fù)載慣性大,要求變頻器快速制動(dòng);
5) 后整理線的多電機(jī)傳動(dòng)要求速度同步精度高,張力控制;
6) 一些場(chǎng)合要求變頻器采取公共直流母線方案,以省去制動(dòng)電阻以及能量損耗。
中國(guó)紡機(jī)協(xié)會(huì)指出2003年洗滌、漂白、染色機(jī)和后道整理機(jī)器有9000臺(tái)6.3億美元的進(jìn)口,金額幾乎與國(guó)產(chǎn)設(shè)備的銷(xiāo)售額相當(dāng),說(shuō)明染整設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化道路依然寬闊,市場(chǎng)增長(zhǎng)空間大。
4.4. 化纖機(jī)械
化纖機(jī)械包括紡絲機(jī)、后處理生產(chǎn)線、彈力絲機(jī)、非織造布生產(chǎn)線等。工藝流程和主要設(shè)備示意見(jiàn)圖8。
紡絲機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備,分長(zhǎng)絲紡絲機(jī)和短絲紡絲機(jī),工作原理相同。紡絲機(jī)將化纖原料如滌綸、錦綸、丙綸、氨綸、復(fù)合,高溫溶化,送料鼓風(fēng)機(jī)加壓,從計(jì)量泵吹出絲,再通過(guò)熱牽伸輥和高速卷繞頭紡出絲。短絲后加工生產(chǎn)線包括多道牽伸、高溫定型、疊絲、卷曲、烘干、切斷和打包,產(chǎn)品主要用于輪胎等工業(yè)用途或摻到棉花中混紡,長(zhǎng)絲后加工生產(chǎn)線有牽伸、絡(luò)筒以及彈力絲機(jī)等,產(chǎn)品主要用于非織造布、線繩和針織品的生產(chǎn)。非織造布生產(chǎn)線由鋪網(wǎng)、熱軋、收卷組成。
相對(duì)紡織染整機(jī)械,化纖機(jī)械對(duì)變頻器的性能和功能指標(biāo)要求更高,而工作的環(huán)境條件也要好一些。
1) 功率范圍:0.75-280kW,公共整流裝置的功率到800kW;
2) 要求采用公共直流母線方案;
3) 紡絲機(jī)采用永磁同步機(jī)驅(qū)動(dòng),保證各驅(qū)動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速高精度同步;
4) 牽伸電機(jī)在運(yùn)行和停止時(shí)都要求保持化纖絲的張力恒定,變頻器應(yīng)具有零伺服功能和張力卷繞控制功能;
5) 上下雙輥分別驅(qū)動(dòng)的熱軋機(jī)要求負(fù)荷平衡控制功能。
最近2年,化纖機(jī)械的增長(zhǎng)速度一直明顯高于一般紡織機(jī)械,特別是汽車(chē)輪胎、房地產(chǎn)高速增長(zhǎng)的帶動(dòng),化纖產(chǎn)品供不應(yīng)求。2003年的化纖機(jī)械進(jìn)口高達(dá)4.9億美元,為了減少進(jìn)口,國(guó)內(nèi)的各大主機(jī)廠正處于消化、吸收、改進(jìn)、創(chuàng)新的過(guò)程,新的工藝、新的產(chǎn)品和新的傳動(dòng)方案不斷出現(xiàn),這給變頻器廠家?guī)?lái)新的機(jī)會(huì)。
5. 艾默生變頻器針對(duì)紡織行業(yè)應(yīng)用的解決方案
艾默生變頻器是國(guó)際品牌本地化的結(jié)晶,是在國(guó)際領(lǐng)先的技術(shù)研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、采購(gòu)制造、質(zhì)量控制平臺(tái)上的研制出來(lái)的,但產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)完全取決于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)和用戶(hù)需求的深入調(diào)研結(jié)果,專(zhuān)注于滿足國(guó)內(nèi)用戶(hù)的需求和愿望。自99年產(chǎn)品面市以來(lái),艾默生變頻器深得供水和水處理、塑料、紡織、建材、電梯、印刷、包裝、冶金、造紙、石化、線纜等各行各業(yè)用戶(hù)的青睞;目前,產(chǎn)品銷(xiāo)售量累計(jì)超過(guò)22萬(wàn)臺(tái),其中紡織行業(yè)5萬(wàn)余臺(tái),在國(guó)內(nèi)通用低壓變頻器市場(chǎng)的占有率已經(jīng)進(jìn)入前五位。
艾默生變頻器不斷推陳出新,已形成豐富的產(chǎn)品系列,近90個(gè)規(guī)格。主要的產(chǎn)品系列如圖9所示。
高性能矢量閉環(huán)型變頻器TD3000、多功能通用型變頻器EV2000(已替代TD2000)、EV1000(已替代TD1000)和靈巧配套型變頻器TD900在紡織行業(yè)有廣泛的應(yīng)用,最近推出的EV2000和EV1000的功能中集成了大量的紡織專(zhuān)用功能。下面按紡織機(jī)械的調(diào)速傳動(dòng)特點(diǎn)分別討論艾默生變頻器的解決方案。
1. 要求在紡織、染整車(chē)間多塵絮和潮濕的工作環(huán)境中可靠運(yùn)行
所有艾默生變頻器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上均得到改進(jìn),模塊散熱器的風(fēng)道與控制板隔離,控制板和器件均實(shí)行了專(zhuān)門(mén)的防塵和防潮濕的措施,可靠性大大提高。
2. 要求在電網(wǎng)側(cè)質(zhì)量較差的條件下可靠運(yùn)行
針對(duì)中國(guó)電網(wǎng)電壓波動(dòng)大,艾默生變頻器具有寬電壓工作范圍的特點(diǎn),可在320V~460V電壓范圍內(nèi)正常工作;
當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時(shí)掉電現(xiàn)象,艾默生變頻器具有“瞬停不?!惫δ?,能利用負(fù)載慣性能量使變頻器保持運(yùn)行一段時(shí)間;
當(dāng)電網(wǎng)側(cè)由于開(kāi)關(guān)動(dòng)作或雷擊引起浪涌沖擊,艾默生變頻器內(nèi)置防雷板,滿足IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的要求,具有較強(qiáng)的防護(hù)能力。
3. 清鋼聯(lián)、染整線等設(shè)備是多電機(jī)級(jí)聯(lián)運(yùn)行,要求速度同步
EV2000/EV1000均具有多種速度級(jí)聯(lián)同步的方式,有模擬量輸入輸出,脈沖列輸入輸出和現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。頻率給定有豐富的運(yùn)算和輔助量補(bǔ)償功能,可滿足不同用戶(hù)和不同使用要求的選擇。
4. 梳棉、粗紗、細(xì)紗等大部分紡織設(shè)備要求平滑啟動(dòng)、快速制動(dòng)
艾默生變頻器均具有S形加減速曲線功能,EV系列可以低頻運(yùn)行至0.5Hz以下仍能提供額定轉(zhuǎn)矩,可以確保機(jī)械的平滑啟動(dòng);通過(guò)制動(dòng)電阻能耗制動(dòng)和直流制動(dòng)可方便實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)制動(dòng)。
5. 紡紗機(jī)械要求多段速度運(yùn)行
艾默生變頻器內(nèi)置了16個(gè)或8個(gè)預(yù)設(shè)的頻率給定,可以通過(guò)外部端子控制切換,也可以按照內(nèi)部的PLC指令切換。
6. 粗紗、細(xì)紗、轉(zhuǎn)杯紡和絡(luò)筒等設(shè)備為使紗均勻地繞在錠子上,要求擺頻輸出
EV2000/EV1000內(nèi)部集成了紡織專(zhuān)用的擺頻功能,中心頻率和三角波的形狀可以單獨(dú)設(shè)置,并且還可以與內(nèi)部的PLC功能或閉環(huán)控制功能配合使用。
7. 單錠絡(luò)筒、針織機(jī)、整經(jīng)機(jī)要求故障和定長(zhǎng)(或滿軸時(shí))自動(dòng)停機(jī)
EV2000/EV1000/TD900均內(nèi)置有計(jì)數(shù)器功能,當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到指定值時(shí)能自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警或停機(jī)動(dòng)作指令。
8. 并條機(jī)要求羅拉的速度快速跟隨棉條厚度信號(hào)的變化
TD3000閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間小于100ms。更高性能的伺服型變頻器正在開(kāi)發(fā)。
9. 漿紗機(jī)、間歇式染色機(jī)以及印花機(jī)要求調(diào)速范圍大,張力恒定
TD3000加一個(gè)張力控制的專(zhuān)用軟件包,可以自動(dòng)計(jì)算卷徑、慣量和布料的張力,方便實(shí)現(xiàn)低成本的卷繞張力控制系統(tǒng)。
10. 化纖牽伸設(shè)備在運(yùn)行和停止時(shí)都要求保持化纖絲的張力恒定
TD3000具有零伺服功能和張力卷繞控制功能。
11. 化纖生產(chǎn)線、染整后處理線等多傳動(dòng)設(shè)備要求變頻器采取公共直流母線方案,以省去制動(dòng)電阻以及能量損耗
艾默生變頻器均設(shè)計(jì)了直流母線的端子,可以方便連接配置保護(hù)器件,實(shí)現(xiàn)公共直流均衡母線方案。另外,正在開(kāi)發(fā)的EV3000系列,功率范圍將覆蓋化纖設(shè)備的需求,并推出公共直流回路母線方案。
6. 結(jié)束語(yǔ)
中國(guó)的紡織行業(yè)方興未艾,紡機(jī)設(shè)備技術(shù)進(jìn)步和更新?lián)Q代的速度將越來(lái)越快。變頻器作為紡機(jī)設(shè)備的配套部件,將在提高紡機(jī)性能、改善紡織工藝、節(jié)約能源等諸多方便表現(xiàn)出越來(lái)越重要的作用。面對(duì)巨大的、高速增長(zhǎng)的和快速變化的變頻器需求市場(chǎng),艾默生公司將一如既往地與紡機(jī)廠、紡織廠緊密合作,挖掘?qū)徔椥袠I(yè)對(duì)變頻器最新的需求,及時(shí)開(kāi)發(fā)出新的產(chǎn)品,為紡織行業(yè)提供更好的、更適用的變頻器。
7. 參考文獻(xiàn)
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