变频器在造纸行业的应用和分析 
长沙盛拓电子科技有限公司   小夏 
一、 造纸行业的应用背景
造纸行业是我国的基础工业之一，在整个国民经济中占有重要的地位。造纸变频的最主要应用是多电机分部传动。由于老式纸机很多采用单直流电机传动，且通过机械分配转速的方式进行调速，在生产过程中经常由于机械磨损、皮带的打滑等因素造成速度匹配失调，容易形成断纸、厚薄不均等现象，同时由于现场高温潮湿而使电机维护量增加。为了优化产品质量，提高劳动生产率，很多现场已将其改为多电机分部传动，在每一个传动分部安装交流电机并配置相应的变频器，同时采用交流多点传动方式，结合速度控制、张力控制、负荷控制等不同的方式进行传动配置。为了生产过程中纸页特性变化的需要，造纸机的分部传动除了保证高精度的同步控制外，还必须能够在一定范围内调节车速，且各个分部的速度能单独调节。
同时，造纸行业也是风机水泵类负载的大户，而且该类负载的运行时间都是连续的，根据实际的工作情况，需要进行不同程度的调节，这就使变频器在造纸行业的应用而为企业带来极大的经济效益。

二、 造纸行业变频传动配置的发展趋势
造纸是一个连续生产的过程，因此生产线的连续和有序控制成为了制约成品纸质量和产量的瓶颈。变频调速正好满足了这个要求。
传动作为造纸机的核心部分，其发展要求是提高车速和自动化程度。现在运行中的一些国产造纸机，最快的只有500-600米/分，而国外造纸机运行速度已达1600-1800米/分，某些甚至超过2000米/分，差距甚大。车速越快效率则越高。同时目前国产造纸机多为人工控制，其自动控制纸机，其自动控制程度也不高，而国外大型造纸机，其自动化程度相当高，随着纸机的高速和大型化，靠人工控制已是很难的事。
在这里，我们将从着重阐述数字化网络、可控张力和转矩、直接传动系统三个不同的方面来阐述纸机传动配置的发展趋势。
1、数字化网络的造纸机传动控制系统
目前的造纸机上，对于传动的控制基本上有两种：
（1）模拟控制：模拟控制的传动控制系统结构简单、容易操作作，对用户技术方面要求不高，速度精度可以满足用户的需求，且稳定可靠，同时具有速度统调、微调满足生产工艺的要求，并可以根据负载结构的变化，灵活的改变控制方式，它还有良好的显示界面，操作者能够实施控制设备运行状况。但它只能适用低速纸机，且不易实现管控一体化。
（2）数字控制：数字控制的传动控制系统，可以广泛应用于线路较长、分部传动数量较多的中大型高速纸机。它利用通讯方式实现系统的全数字控制，抗干扰能力强、信号衰减差，分辨率高，可实现高精度控制，同时可以根据纸机工艺要求及负载情况控制更灵活。
无论是二级控制系统或者三级控制系统，全数字技术的运用不但大幅度提高了纸机车速，而且减轻了工人劳动强度和减少了维修时间。使产量和经济效益大幅度提高。
2、可控张力和转矩
在纸和纸板工业生产中，通常都需要进行张力和卷取控制，如超级压光机、复卷机、切纸机等。目前，变频器对于转矩和张力的控制已基本满足工艺的要求，其采用的方式主要有两种：闭环张力控制和开环张力控制。
张力闭环，是通过张力检测装置反馈张力信号与张力的设定值构成PID闭环，然后调整变频器的输出频率命令（速度模式）或输出转矩指令（转矩模式）。此方案可以适用于高精度的张力控制场合，如复卷机的张力控制。
但对于要求并不要求严格、又要求性价比高的收卷来说，可以采用比较实用的矢量变频器限转矩方法，可以省去张力传感器、PID控制器，而只需要简单的变频器加PLC控制即可。在这种控制方式下，实际张力还是必须要知道的，无非它是通过变频器内部的检测和计算来获取的，从而省去张力检测装置，降低了系统的成本和难度。
矢量控制的变频器是通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，可以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。
3、直接传动系统
长沙盛拓电子科技有限公司从事纸机传动系统的供应已经有多年的历史了。在通常的纸机传动中，齿轮电机的速度通常都是在1500转/分到1800转/分。然后通过选择合适的齿轮比就可以获取合适的纸机运行速度。而在直接传动中，电机的额定转速通常是在300转/分到600转/分。使用一个传统的异步电机在此速度下运行，电机的尺寸将至少会是现在的2倍。很明显这样既不实用也不有效，因此这也是我们要发展新电机的一个原因。在新的永磁电机中，用永磁体替代了异步电机的鼠笼式导体。
在新的转子设计中，已经充分注意到降低转矩谐振以满足纸机运行所需要的光滑转矩特性。既然转子是实际上不耗能的，电机就能设计成更高的功率段，而且允许有更高的定子能量损耗。由于转子是永磁体，定子电流不再需要用做转子的励磁部分，因此能够产生更有效的转矩。几乎由定子产生的损耗如采用水冷式还能达到更高的负载稳定性能。
用户将从直接传动中获益，采用直接传动的好处主要有：
（1）由于采用更少的机械传动部件可以使工厂节省工程施工成本和安装费用；
（2）直接采用同步电机，降低了转矩脉动，能更好地保证纸机运行可靠性；
（3）更少的机械传动部件和省去了编码器使得纸机具有更高的可靠性；
（4）由于采用更少的零部件使得系统更加简单，维修成本也大为降低；
（5）更低的能量损耗。

三、造纸行业变频改造的好处
1、纸机分部传动的变频改造
造纸是一个连续生产的过程，因此生产线的连续和有序控制成为了制约成品纸质量和产量的瓶颈。直流调速系统在纸机的发展史上占有重要的地位，但由于直流电机存在维护难、抗环境能力差，主要表现如下：
（1）.整流子磨损严重,烧毁整流子的故障,导致停机时间长；
（2）.直流电机维修困难多,要求高,修理费用也高；
（3）.测速发电机易磨损，造成传动系统精度低；
（4）.直流调速控制系统复杂,调试困难,一般技工很难调出好的机器。
目前我国造纸机分部传动设备，以前采用SCR直流调速方式，由于存在滑环和炭刷造成可靠性和精度不高，从而导致纸机的机械落后，最高车速也只有200m/min左右，很难同国外的1000m/min的高速纸机相比。
纸机传动的变频改造有非常好的效果，如从工艺上改善纸品、增加产能、降低能耗、延长停机检修周期。为了生产过程纸页特性变化的需要，纸机的变频传动能够保证在一定范围内调节车速，且各个分部的速度能单独调节。
2、造纸附属设备的变频改造
造纸机的辅助设施包括以下几个系统：供浆系统、白水系统、真空系统、压缩空气系统、化学品制备及传送系统、供水系统、蒸汽系统等。为了使造纸机能够连续均衡地运转，它的辅助设施能力，一般应超过造纸机的最大生产能力的15%-30%。该处应用尚未引起足够重视，这也是提高变频器份额的最有效手段和方法。
A、供浆系统的变频应用
供浆系统必须满足下列几个条件：（1）向造纸机输送的浆料要稳定，误差不能超过±5%；（2）浆料的配比和浓度要稳定均匀；（3）贮备一定的浆料量，使供浆能力可以调节，以适应造纸机车速和品种的改变；（4）对浆料进行净化精选；（5）处理造纸机各部分损纸。
通常情况下，供浆系统由供浆管路的浆泵、冲浆泵和净化设施的压力筛、除渣器组成，要达成以上五点目的，最主要就是要对浆泵和冲浆泵从全速运行变为可速度调节变频运行，最终满足供浆自动化。
B、压缩空气系统的变频应用
压缩空气常用于造纸机网部与压榨部的气动加压升降装置、网毯的校正装置、气垫式流浆箱、引纸设备、涂布气刀以及各种气动仪表和调节装置等处。压缩空气系统中，主要设备有空气压缩机、储气罐、减压阀、空气过滤器、汽水分离器及安全阀等，造纸机上通常压力需要为5-6BAR左右。在大多数纸厂中，都通过2台以上的空压机并列运行，然后通过储气罐来保持压力恒定。
由于压缩机功率较大且控制压力一般都通过加载或卸载来调节，电动机始终处于全速运行状态。实践表明该控制方式耗能巨大，浪费严重。所以目前都已趋向产用一台变频多台工频的方式来控制压缩机组，并组成压力闭环。
C、化学品制备及传送系统的变频应用
由于在脱墨、制浆、涂布、施胶等部位要用到大量的化学品，其使用的量与纸机多传动的速度成正比，所以在化学品的传送系统（如泵）必须采用无级交流调速系统，其首选为变频器。主要是基于该化学品泵的功率较小，一般都在0.4KW-5.5KW之间，而这一功率段的变频器的性能价格比已经属于最优，多年前还在广泛使用的电磁调速和无级调速齿轮泵都已经面临淘汰
在化学品制备中要用到大量的研磨设备，如球磨、胶体磨、砂磨、高切变分散搅拌器等，他们最大的特点就是高功率、高耗能、使用环境恶劣。目前已经有厂家在研磨设备上采用变频器取得了良好的效果。
以砂磨机