直驅(qū)式劍桿織機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用

翟紅英,熊立新

(1.淄博市技師學(xué)院，山東 淄博 255013；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東 淄博 255000)

直驅(qū)式劍桿織機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用

翟紅英1,熊立新2

(1.淄博市技師學(xué)院，山東 淄博 255013；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東 淄博 255000)

為了適應(yīng)劍桿織機(jī)傳動系統(tǒng)高效直驅(qū)、節(jié)能低耗的發(fā)展要求，介紹劍桿織機(jī)運行特性、性能要求，以及國內(nèi)外劍桿織機(jī)用電機(jī)的發(fā)展趨勢，分析開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點，研發(fā)設(shè)計出高啟動轉(zhuǎn)矩的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，采用開、閉環(huán)自動切換技術(shù)和位置預(yù)分技術(shù)，解決直驅(qū)式劍桿織機(jī)的快速啟動、慢速尋緯等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)劍桿織機(jī)的直接驅(qū)動。對731型劍桿織機(jī)進(jìn)行基于該系統(tǒng)的直驅(qū)改造，并進(jìn)行實際應(yīng)用。結(jié)果表明：基于開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的劍桿織機(jī)，減少傳動鏈，實現(xiàn)織機(jī)直驅(qū)；具有織造織物質(zhì)量高、智能自動化水平高、可靠性高、高效節(jié)能等優(yōu)點。

劍桿織機(jī)；直驅(qū)；開關(guān)磁阻電機(jī)；系統(tǒng)；節(jié)能

0 引言

目前常用的無梭織機(jī)分為劍桿織機(jī)、噴氣織機(jī)、噴水織機(jī)和片梭織機(jī)等；其中劍桿織機(jī)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量高，能適應(yīng)不同原料、不同截面形狀、不同號數(shù)的緯紗，有極強(qiáng)的緯紗選色功能[1]，除滿足家用紡織品和時尚服裝面料的要求外，一些特殊織物只能由劍桿織機(jī)織造。

劍桿織機(jī)要求能以正常速度和慢速運行，而慢速運行是為了帶動織機(jī)完成斷緯、織口調(diào)整等功能；還要求電機(jī)過載力矩大，降低開車檔，并能克服織機(jī)的慣性[2]。為保證張力的恒定，并有效地消除開車痕，提高織物質(zhì)量，織機(jī)轉(zhuǎn)速必須在一圈之內(nèi)從零轉(zhuǎn)速加速到額定轉(zhuǎn)速[3]，同時織機(jī)主軸運動達(dá)到以下要求：① 嚴(yán)格地限制起停角，避免停機(jī)后再開機(jī)可能造成的開車痕；② 較寬的調(diào)速范圍，以滿足慢速尋緯時較低的車速；③ 靈敏的響應(yīng)速度和較高的穩(wěn)速精度，以保證主軸轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定[4]。

1 國內(nèi)外劍桿織機(jī)用電機(jī)的發(fā)展趨勢

國際上高檔劍桿織機(jī)均采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，即去掉離合器、皮帶傳動等，電機(jī)直接驅(qū)動織機(jī)主軸運轉(zhuǎn)，減少了傳動鏈，系統(tǒng)效率高，可實現(xiàn)高速運行。

織機(jī)直驅(qū)要求驅(qū)動電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩應(yīng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的5倍以上，無論轉(zhuǎn)速高低、負(fù)載輕重，電機(jī)均能保持較高的效率。由于普通的三相異步感應(yīng)電機(jī)在低速運行和輕載運行時電機(jī)效率不高，因此國際上高檔劍桿織機(jī)都使用開關(guān)磁阻電機(jī)或永磁電機(jī)。永磁電機(jī)的永磁材料在高溫、振動下易發(fā)生退磁問題，導(dǎo)致電機(jī)性能會隨使用時間的延長而逐漸衰減，因此，采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為織機(jī)主軸直驅(qū)電機(jī)越來越獲得認(rèn)可。

英國SRD公司最早將開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用于紡織機(jī)械，并對我國實行技術(shù)和市場壟斷，拒絕向我國織機(jī)制造企業(yè)供貨，給我國研發(fā)高檔直驅(qū)劍桿織機(jī)帶來困難。為打破國外對高檔劍桿織機(jī)驅(qū)動電機(jī)的技術(shù)和市場壟斷，筆者針對國內(nèi)織機(jī)行業(yè)的市場需求，研發(fā)高檔直驅(qū)劍桿織機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)了該電機(jī)的國產(chǎn)化。

2 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點

2.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)

開關(guān)磁阻電機(jī)為定、轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 12/8極定、轉(zhuǎn)子截面

電機(jī)的轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，電機(jī)的運行遵循“磁阻最小原理”。

開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)(SRD)是一種典型的機(jī)電一體化調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)，主要由開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、位置檢測器和控制器等4部分組成，見圖2。

功率變換器是系統(tǒng)能量交換的通道；位置檢測器用來確定電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的相對位置，根據(jù)位置信號對電機(jī)進(jìn)行控制；電流檢測、電壓檢測部分的作用是采集電機(jī)相繞組輸出母線上的電流、電壓信息；檢測部分通常使用霍爾傳感器采樣；控制器是系統(tǒng)的控制中樞，它綜合處理電流傳感器、位置傳感器等的反饋信息，可根據(jù)采集的信息進(jìn)行閉環(huán)控制實現(xiàn)對電機(jī)的控制。

圖2 SRD基本構(gòu)成

2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)的特點

與傳統(tǒng)的直流、交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)比較，開關(guān)磁阻電機(jī)具有以下優(yōu)點：① 結(jié)構(gòu)簡單、堅固，制造成本低，可做成水冷防爆結(jié)構(gòu)，無需特殊維護(hù)；② 在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)能保持高效率運行；③ 啟動電流小，對電網(wǎng)無沖擊，啟動轉(zhuǎn)矩大，適用于重載啟動；④ 可頻繁正、反轉(zhuǎn)，調(diào)速范圍大，四象限運行，具有串級電機(jī)的機(jī)械特性；⑤ 制動性能較好，能實現(xiàn)再生制動，節(jié)能效果顯著；⑥ 無刷結(jié)構(gòu)適于在高粉塵、高速、易燃、易爆等惡劣環(huán)境下運行。

從功率因數(shù)、效率、調(diào)速范圍、起動轉(zhuǎn)矩及制動等方面分析可知，開關(guān)磁阻電機(jī)非常適合作為劍桿織機(jī)的主驅(qū)動電機(jī)，既能滿足布面均勻等技術(shù)要求，也能達(dá)到節(jié)能的目的，提升了織機(jī)檔次和加工水平。

3 直驅(qū)織機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計

3.1 直驅(qū)系統(tǒng)要求

傳統(tǒng)織機(jī)的主傳動結(jié)構(gòu)由異步電機(jī)通過皮帶傳動飛輪，再由飛輪通過離合器帶動織機(jī)運轉(zhuǎn)；另加一套慢速離合器和慢速電機(jī)單獨驅(qū)動織機(jī)，織機(jī)調(diào)速可通過更換皮帶輪或用雙速電機(jī)來實現(xiàn)。

開關(guān)磁阻電機(jī)通過齒輪組直接驅(qū)動開口機(jī)構(gòu)，而它與主軸之間由類似于以前慢速離合盤的一個雙齒連接器來完成可控制的驅(qū)動。當(dāng)織機(jī)正常運轉(zhuǎn)或開慢車時，雙齒連接器咬合，電機(jī)驅(qū)動主軸和開口機(jī)構(gòu)；當(dāng)織機(jī)尋緯時，雙齒連接器脫開，電機(jī)只驅(qū)動開口機(jī)構(gòu)以達(dá)到防止停車檔的目的。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，采用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢。

a) 新機(jī)械結(jié)構(gòu)降低了織機(jī)的能耗，改變了過去主電機(jī)不停運轉(zhuǎn)中消耗大量電能問題；而新結(jié)構(gòu)只有當(dāng)織機(jī)運轉(zhuǎn)時電機(jī)才轉(zhuǎn)動，降低了織機(jī)能耗。

b) 根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的特性，電機(jī)能在瞬間產(chǎn)生很大的扭矩而迅速啟動，保證第一緯有足夠的打緯力，避免第一緯打緯力不足造成開車稀檔的問題，布面質(zhì)量明顯優(yōu)于三相異步電機(jī)系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

為了減少傳動鏈、實現(xiàn)直驅(qū)，首先應(yīng)研究電機(jī)建模與電磁計算的新方法，對電機(jī)的電磁參數(shù)、鐵芯長度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，采用寬槽多跨距等技術(shù)提高了啟動轉(zhuǎn)矩，并對電機(jī)自身的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行了優(yōu)化，使電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的5倍以上，滿足織機(jī)直驅(qū)的要求。

開關(guān)磁阻電機(jī)采用三相12/8極結(jié)構(gòu)，各相獨立控制、靈活可靠，可實現(xiàn)缺相運行。高性能開關(guān)磁阻電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 高性能開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)指標(biāo)

項目技術(shù)指標(biāo)額定功率/kW7.5峰值功率/kW37.5額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)2000調(diào)速范圍/(r·min-1)100～2500額定轉(zhuǎn)矩/(N·m)36啟動時最大轉(zhuǎn)矩/(N·m)202額定轉(zhuǎn)速時最大轉(zhuǎn)矩/(N·m)179

由表1可以看出，開關(guān)磁阻電機(jī)的峰值功率能達(dá)到其額定功率的5倍，且啟動時最大轉(zhuǎn)矩能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的5倍以上，滿足了高端劍桿織機(jī)的性能要求。

3.3 電機(jī)控制技術(shù)

常規(guī)的開關(guān)磁阻電機(jī)控制中，電機(jī)開通角隨著轉(zhuǎn)速相對固定，控制簡單。由于織機(jī)在運行中經(jīng)常在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載等工況下切換，為更好地控制電機(jī)狀態(tài)、提高電機(jī)效率，作者研究了開關(guān)磁阻電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，將電機(jī)控制與精確數(shù)字仿真技術(shù)相結(jié)合，在線計算磁鏈直接控制各相繞組的導(dǎo)通關(guān)斷，單獨控制每一相繞組的電流波形，優(yōu)化開通角度，增大單位電流輸出轉(zhuǎn)矩的能力，減小IGBT開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率。由于織機(jī)主軸由電機(jī)直接驅(qū)動，去掉了慢車機(jī)構(gòu)，因此要求開關(guān)磁阻電機(jī)必須能在織機(jī)慢速尋緯時以非常低的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，且在織機(jī)需要快速啟動時，電機(jī)能滿足啟動要求與調(diào)速運行要求?，F(xiàn)在的開關(guān)磁阻電機(jī)控制一般采用電流閉環(huán)、轉(zhuǎn)矩開環(huán)的方式，這種控制方式難以兼顧織機(jī)慢速尋緯和快速啟動的性能要求；筆者采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的方式，將電流開環(huán)控制與PID閉環(huán)控制相結(jié)合，并根據(jù)位置預(yù)判信息進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，實現(xiàn)在不同工況下電流、轉(zhuǎn)矩間的無縫切換，使電機(jī)在啟動織機(jī)時能快速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，在慢速尋緯時又能保證轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性，以低速平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

4 應(yīng)用實例

高密市某紡織公司采用開關(guān)磁阻電機(jī)代替三相異步電機(jī)對GA731-Ⅱ型撓性劍桿織機(jī)進(jìn)行了節(jié)能改造，改造前后節(jié)能效果見表2。

表2 GA731-Ⅱ型撓性劍桿織機(jī)節(jié)能改造前后對比

項目改造前改造后織布長度L/m81102耗電量W/(kW·h)41.634.5每米布耗電量M/(kW·h)0.510.34 注:織布長度、耗電量以24h計。

由表2可知，在滿足正常生產(chǎn)要求的情況下，將劍桿織機(jī)原配的三相異步電機(jī)更換為開關(guān)磁阻電機(jī)后，其節(jié)電率為33.3%?？梢婇_關(guān)磁阻電機(jī)適合在劍桿織機(jī)上應(yīng)用，節(jié)電效果顯著。

5 結(jié)語

高端劍桿織機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是高性能電機(jī)及控制技術(shù)，筆者根據(jù)劍桿織機(jī)的發(fā)展要求研發(fā)了開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，可使啟動轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的5倍以上，且去掉離合器等傳動部件，實現(xiàn)了織機(jī)直驅(qū)。經(jīng)紡織企業(yè)實際應(yīng)用表明，基于開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計的織機(jī)節(jié)能達(dá)30%以上，織機(jī)的綜合性能和自動化程度均有了較大提高。由于該電機(jī)售價遠(yuǎn)低于國外進(jìn)口設(shè)備，且性能穩(wěn)定、性價比高，能滿足國內(nèi)紡織企業(yè)設(shè)備更新?lián)Q代的需要，可以替代進(jìn)口，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，市場前景廣闊。

[1] 代金友.劍桿織機(jī)的發(fā)展趨勢與品種適應(yīng)性[J].科技信息，2012(14)：428.

[2] 宋志軍.劍桿織機(jī)車間功率因數(shù)過低的影響與對策[J]. 紡織機(jī)械,2011(3):24-26.

[3] 吳和福.劍桿織機(jī)的開車痕探討[J].化纖與紡織技術(shù)， 2014，43(1)：37-41.

[4] 閆志平.開關(guān)磁阻電機(jī)用于織機(jī)主軸驅(qū)動的可行性分析[J].紡織機(jī)械,2004(2):24-27.

Design and Application of Direct Driven Motors with Switched Reluctance of Rapier Loom

ZHAI Hongying1,XIONG Lixin2

(1.Zibo Technician College,Zibo 255013,China;2.Shandong Kehui Power Automation Co.,Ltd.,Zibo 255000,China)

To conform with the requirement of the rapier loom driving system with high direct drive and low energy consumption,introduction is given to the operation characteristics and performance of the rapier loom,as well as the domestic and foreign motor development trend.Analysis is done to the structure and characteristics of the motor with switched reluctance.A new driving system of motors with switched reluctance is introduced with high starting torque,adopting automatic switching technology with the open and closed loop and pre positioning technology.The key technology with the direct driven rapier loom with quick start and slow weft seeking is introduced.The rapier loom 731 is modified on the basis of the direct driven system.The results show that rapier looms based on the direct driving with switched reluctance is of high quality,high intelligent and automation high reliability, high efficiency and energy saving.

rapier loom;direct drive;motor with switched reluctance;system;energy saving

2016-06-27

翟紅英(1976—)，女，山東淄博人，講師，主要從事電機(jī)控制方面的研究。

TS103.3

B

1001-9634(2017)01-0018-03