變頻技術在造紙機械中的應用

我國造紙機分部傳動設備，以前採用SCR直流調速方式，由於存在滑環和炭刷造成可靠性和精度不高，從而導致紙機的機械落後，最高車速也只有200m/min左右，很難同國外的1000m/min的高速紙機相比。造紙是一個連續生產的過程，因此生產線的連續和有序控制成為了制約成品紙質量和產量的瓶頸。直流調速系統在紙機的發展史上佔有重要的地位，但由於直流電機存在維護難、抗環境能力差，主要表現如下：

(1) 整流子磨損嚴重, 燒毀整流子的故障, 導致停機時間長；

(2) 直流電機維修困難多, 要求高, 修理費用也高；

(3) 測速發電機易磨損，造成傳動系統精度低；

(4) 直流調速控制系統複雜, 調試困難, 一般技工很難調出好的機器。
交流變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電以及在國民經濟領域的廣泛適用性，而被公認為是一種最有前途的交流調速方式。它不但具有直流電機優良的調速性能，同時具有交流電機簡單、可靠，因而逐漸被廣泛應用。由此看來，造紙機分部傳動機械的變頻化已是大勢所趨。

造紙機傳動的變頻改造有非常好的效果，如從工藝上改善紙品、增加產能、降低能耗、延長停機檢修周期。

以某廠改造一台長網紙機為例，它有兩個分部：一個是烘缸（幹部），一個是網部（濕部）。根據工藝要求抄紙速度為20－100m/min，紙頁定量為9－30g/m2。一般紙機的傳動精度要求達到1－3‰，由於速度變化範圍大，最低定量為9g/m2,要求紙機的傳動精度更高。因此，選擇紙機的傳動控制方案閉環系統。

（二）、節能效益分析

根據該廠改造前和改造后紙機能耗對比，如下：

改造前的電功率：90米的車速P90=74A×180V＋3×220=13980W=13.98kW（直流傳動）按一年生產300天計：整機用電=300×24×13.98=100656(kWh)

改造后的電功率：90米的車速P90=1.732×16A×380V=10530W=10.53(kW)（變頻傳動）

整機用電=300×24×10.53=75816(kWh)

全年可節電=100656－75816=24840(kWh)

由此可以得出應用變頻器后實際節能為：25%

（三）、工藝效益分析

①紙機的運轉率提高：27%以上（由月平均產量得到，已排除其他因素）可增產值：

②成品率提高：1.6%　

綜上所述，採用變頻器后提高紙機的運轉性能，進一步提高了經濟效率。

（四）造紙附屬設備的變頻器應用分析

造紙機的輔助設施包括以下幾個系統：供漿系統、白水系統、真空系統、壓縮空氣系統、化學品製備及傳送系統、供水系統、蒸汽系統等。為

了使造紙機能夠連續均衡地運轉，它的輔助設施能力，一般應超過造紙機的最大生產能力的15%-30%，這將存在具大的能量損耗。

供漿系統的變頻應用

供漿系統必須滿足下列幾個條件：

（1）向造紙機輸送的漿料要穩定，誤差不能超過±5%；

（2）漿料的配比和濃度要穩定均勻；

（3）貯備一定的漿料量，使供漿能力可以調節，以適應造紙機車速和品種的改變；

（4）對漿料進行凈化精選

（5）處理造紙機各部分損紙。

通常情況下，供漿系統由供漿管路的漿泵、沖漿泵和凈化設施的壓力篩、除渣器組成，要達成以上五點目的，最主要就是要對漿泵和沖漿泵從全速運行變為可速度調節變頻運行，最終滿足供漿自動化。

以沖漿泵為例來說明變頻器的速度控制流程：該變頻控制宜採用雙閉環系統的速度控制方式，外環是速度閉環，內環是電流或轉矩閉環。沖漿泵速度的設定值一方面是由漿速和網速比變化而獲得，另一方面是來自於流漿箱的壓力控制器。前者是主調，後者是微調。紙機的漿速和網速比基本上是恆定的，因此紙機的網速一旦變化，沖漿泵的轉速也跟隨變化；為了提高速度調節器的精確性和反映流漿箱的實際工藝過程，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定值。速度的實際值取自傳動電機的實際速度採樣，可通過旋轉測速電機或光電旋轉編碼器等檢測裝置獲取。電流的設定值取自速度環的輸出信號，電流的實際值取自各個傳動點的交流變頻器輸出端電流互感器的測量值。因此對於沖漿泵的變頻調速而言，需對其進行PID控制，可達到理想節能效果。

（五）、壓縮空氣系統的變頻應用

壓縮空氣常用於造紙機網部與壓榨部的氣動加壓升降裝置、網毯的校正裝置、氣墊式流漿箱、引紙設備、塗布氣刀以及各種氣動儀錶和調節裝置等處。

壓縮空氣系統中，主要設備有空氣壓縮機、儲氣罐、減壓閥、空氣過濾器、汽水分離器及安全閥等，造紙機上通常壓力需要為5-6BAR左右。在大多數紙廠中，都通過2台以上的空壓機並列運行，然後通過儲氣罐來保持壓力恆定。

由於壓縮機功率較大且控制壓力一般都通過載入或卸載來調節，電動機始終處於全速運行狀態。實踐表明該控制方式耗能巨大，浪費嚴重。所以目前都已趨向產用一台變頻多台工頻的方式來控制壓縮機組，並組成壓力閉環。

（六）、化學品製備及傳送系統的變頻應用

由於在脫墨、製漿、塗布、施膠等部位要用到大量的化學品，其使用量與紙機多傳動的速度成正比，所以在化學品的傳送系統（如泵）必須採用無級交流調速系統。在化學品製備中要用到大量的研磨設備，如球磨、膠體磨、砂磨、高切變分散攪拌器等，他們最大的特點就是高功率、高耗能、使用環境惡劣。目前已經有許多廠家在研磨設備上採用變頻器取得了良好的效果。

以磨漿機為例，其工作原理是將待研磨的塗料經送料泵輸入筒體后，在高速旋轉的分散盤帶動下，遭到研磨介質的強烈撞擊、研磨而被分散混合到溶劑中，製成合格的塗料，然後經頂篩過濾流出。該設備的主電機為110KW，在未使用變頻器之前，通常是在啟動前期，採用點動方式多次（三次以上）重複以使塗料與研磨介

質混合均勻；針對不同的塗料，有時需要不同的工藝轉速，但實際上只能滿速運行；無法掌握進料量，來保證主電機不過載；耗能非常嚴重。而使用110KW變頻器就很好地解決了以上問題，可以方便地設置點動速度和慢速運行時間，確保塗料與介質混合達到最均勻；可以在線無級調速，不同品種使用不同的研磨速度；進料量只要從電機的實際運行電流就可以來控制進料量，且有過載預報警功能和免跳閘功能；節能率，一般可達20%以上；降低了齒輪箱的損耗，避免了工頻啟動對齒輪箱的衝擊；由於啟動時，電流平緩，避免了對電網的衝擊，提高了電網的安全運行。目前在山東、黑龍江、海南等地的造紙企業已經有了批量應用。

（七）、烘乾部通風系統的變頻應用

在烘乾部，紙頁中蒸發出來的所有水汽被空氣吸收后，必須通過強制通風不斷地從造紙車間排除。烘乾部通風良好與否，直接影響到紙頁中水分的蒸發速度和整個烘乾過程的經濟性；通風良好，可降低空氣中的蒸汽飽和度，從而減低烘缸蒸汽的消耗量，提高烘乾速度。

排除烘乾部蒸發水量所必需的空氣量，與進入以及排出的空氣溫度和濕度有關，也與採用的通風系統、氣候條件和季節有關。通常，在現代紙機中採用強制的空氣循環以求高效，用進氣鼓風機將加熱到80度左右的乾燥空氣送進烘乾部下層，使在烘缸之間吸附熱汽形成向上的氣流，然後通過排氣抽風機將彙集在氣罩中的濕熱空氣抽出室外（最後回收餘熱）。在高速紙機中，由於烘缸數量的增多，通常都分成幾段的鼓風機和排風機組。採用變頻器之後，可以根據通風空氣量的計算公式，隨時調節進氣量（鼓風機的轉速）和排氣量（排風機的轉速），而無須採用傳統的風門控制，進一步降低能耗，降低風機的噪音，提高機械壽命。

（八）、水系統的變頻應用

紙機是個耗水大戶，包括白水系統、污水系統、密封水系統、噴淋系統、清水系統等，通常情況下都需要用到管網恆壓力供水，但傳統的控壓都是通過旁路和調節閥來進行，很少用到變頻器。但是由於中國國內水資源的普遍缺乏，而變頻器的應用將可以節水10%和節能30%，必然會降低紙廠的日常運行成本。

變頻器使用在水系統上通常有二種模式：即變頻固定方式、變頻循環方式。

變頻固定方式：變頻器變頻輸出固定控制一台泵而其餘各泵由工頻電網直接供電，它們的啟停信號由PLC進行邏輯控制；

變頻循環方式：變頻器按照一定順序輪流驅動各泵運行。變頻器能根據壓力閉環控制要求自動確定運行泵台數（在設定範圍內），同一時刻只有一台泵由變頻驅動。當變頻器驅動的泵運行到設定的上限頻率而需要增加泵時，變頻器將該泵切換到工頻運行，同時驅動另一台泵變頻運行。