變頻器在造紙行業的應用和分析（一）

一、造紙行業的應用背景
造紙行業是我國的基礎工業之一，國內紙漿造紙企業數量大、分布廣，在整個國民經濟中占有重要的地位。
造紙變頻的最主要應用是多電機分部傳動。由于老式紙機很多采用單直流電機傳動，且通過機械分配轉速的方式進行調速，在生產過程中經常由于機械磨損、皮帶的打滑等因素造成速度匹配失調，容易形成斷紙、厚薄不均等現象，同時由于現場高溫潮濕而使電機維護量增加。為了優化產品質量，提高勞動生產率，很多現場已將其改為多電機分部傳動，即取消直流電機及其動力的機械傳動部分，在每一個傳動分部安裝交流電機并配置相應的變頻器，同時采用交流多點傳動方式，結合速度控制、張力控制、負荷控制等不同的方式進行傳動配置。為了生產過程中紙頁特性變化的需要，造紙機的分部傳動除了保證高精度的同步控制外，還必須能夠在一定范圍內調節車速，且各個分部的速度能單獨調節。
同時，造紙行業也是風機水泵類負載的大戶，而且該類負載的運行時間都是連續的，各個廠家是根據實際的工作情況，需要對風機、水泵的負載作不同程度的調節，這就使變頻器在造紙行業的應用而為企業帶來極大的經濟效益。
二、造紙行業變頻器的應用分析
1、造紙產能
中國造紙工業有效生產能力自1990年以來，特別是自1995年以來一直在持續增長。據中國造紙協會對綜合信息資料調查，2004年全國紙及紙板生產企業約有3500家，全國紙及紙板生產量4950萬噸，較上年4300萬噸增長15.1％。消費量5439萬噸，較上年4806萬噸增長13.2％，人均年消費量為42公斤，比上年增長5公斤。從2004年的生產和消費形勢分析來看，全年生產和消費均呈現升高的走勢，并保持了較高速度增長。特別是紙及紙板生產增量650萬噸，達歷年最高。生產量增幅較大的主要品種有新聞紙、輕量涂布紙、銅版紙、涂布白紙板、箱紙板、瓦楞原紙等。消費量增幅較大的主要品種有：新聞紙、輕量涂布紙、銅版紙、書寫紙、箱紙板、涂布白紙板、瓦楞原紙等。
假設我國在今后一段時間內GDP總量以年均7%的速度遞增，同時，取過去12年的年均人口增長率0.91%作為今后的年人口凈增長率，到2010年，我國的人均GDP達到13890元人民幣，屆時人均耗紙量可上升到60公斤。可以預測，到2010年，總消費量將達6900萬噸。而在今后的幾年中，還將會有近1000萬噸的新增生產能力。屆時，我國造紙工業的生產能力總和將會達到近5500萬噸。據統計，自從2000年以來，全球生產的大型造紙機有1/2都安裝在中國。目前，高檔紙機在國內市場的占有率為33％，而且基本上以國際造紙機械巨頭如VOITH、METSO、ANDRITZ等為主。
2、造紙變頻器的容量
由于目前的新增紙機的傳動設備已經有80%以上采用交流傳動變頻器，所以在今后每年新增的300-400萬的產量中，每年的紙機傳動裝機容量將非常可觀。
我們以某廠引進的VOITH產的17.5萬噸/年的紙板機的裝機容量為例，它的紙品為雙面涂布白板紙，其幅寬4.2米，包括四層網部、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個卷紙部等，共計72個傳動，設計克重120-500、車速600米/分，其紙機分部傳動（就是指72個紙機傳動）的變頻容量總計為5490KW。由此可以計算出通用的噸紙傳動容量計算為31W，那么我們就可以概算出今后每年的變頻裝機容量大約為9萬KW左右。以紙機系統設計1KW/2000RMB的計算，共計有1.8億左右的紙機主傳動市場。當然在這里面，變頻器品牌基本上是由國外主要生產廠商ABB、SIEMENS、AB、YASKAWA、三菱等占主導地位。
從目前情況看，我國所有造紙制漿機械的生產能力大概在35～45萬噸/年，2004年的制漿造紙設備制造業工業總產值為56.9億元，國內的市場份額大概不到1/4，其余將全部是國外的造紙機械商所占有。
我們也同時注意到高檔紙機的增加量將達到歷史的最高峰，幅寬的增大和車速的快速提高都促使在新增的紙機裝機中大量使用最新的高檔矢量型或DTC控制型變頻器，而目前國內相應的成熟變頻器基本沒有，所以大部分為進口品牌所擁有，國內品牌的份額不到5%。當然我們也注意到，由于中國日益成為世界工廠，由中國制造的變頻器將逐漸走向已經有本地化機構的國際紙機機械廠家（如美卓紙業、VOITH紙業）的高檔造紙機。
目前在紙機分部傳動上使用的變頻器必須能同時具備以下特性：（1）調速范圍寬，在全速度范圍內，效率必須在90%以上；（2）功率因數高于0.9以上；（3）輸入諧波電流總失真小于3%；（4）采用可靠性高、技術成熟的標準器件IGBT；（5）能減少輸出諧波分量并有效降低dv/dt噪音和轉矩脈動的效果；（6）利用通訊功能實現數據的高速串行傳輸。
三、造紙行業變頻傳動配置的發展趨勢
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。變頻調速作為目前來說最強有力的控制方式進入了原本屬于直流調速（適用于大中紙機）和滑差電機（適用于中小紙機）天下的造紙領域，并已近取得良好的市場效果。
目前，國際上先進的造紙機都朝高效率、低消耗方向發展，這是市場競爭的需要。而目前有很多正在運行的造紙機在這方面則處于劣勢，有必要進行技術改造進行升級；而對于造紙機械的廠家也必須迎頭趕上，從設計的源頭進行性能提升。
傳動作為造紙機的核心部分，其發展要求是提高車速和自動化程度。現在運行中的一些國產造紙機，最快的只有500-600米/分，而國外造紙機運行速度已達1600-1800米/分，某些甚至超過2000米/分，差距甚大。車速越快效率則越高。同時目前國產造紙機多為人工控制，即使是最新的國產造紙機，其自動控制紙機，其自動控制程度也不高，而國外大型造紙機，其自動化程度相當高，隨著紙機的高速和大型化，靠人工控制已是很難的事。
在這里，我們將從著重闡述數字化網絡、可控張力和轉矩、直接傳動系統三個不同的方面來闡述紙機傳動配置的發展趨勢。
1、數字化網絡的造紙機傳動控制系統
目前的造紙機上，對于傳動的控制基本上有兩種：（1）模擬控制；（2）數字控制。
模擬控制的傳動控制系統結構簡單、容易操作作，對用戶技術方面要求不高，速度精度可以滿足用戶的需求，且穩定可靠，同時具有速度統調、微調滿足生產工藝的要求，并可以根據負載結構的變化，靈活的改變控制方式，它還有良好的顯示界面，操作者能夠實施控制設備運行狀況。但它只能適用低速紙機，且不易實現管控一體化。
數字控制的傳動控制系統，可以廣泛應用于線路較長、分部傳動數量較多的中大型高速紙機。它利用通訊方式實現系統的全數字控制，抗干擾能力強、信號衰減差，分辨率高，可實現高精度控制，同時可以根據紙機工藝要求及負載情況控制更靈活。
無論是二級控制系統或者三級控制系統，全數字技術的運用不但大幅度提高了紙機車速，而且減輕了工人勞動強度和減少了維修時間。使產量和經濟效益大幅度提高。全數字分部傳動技術是模擬量控制技術和總軸傳動系統無法比擬的。
在目前傳動數字化網絡中，PROFIBUS始終是最受歡迎的。PROFIBUS-DP現場總線特別適應于需要快速響應和數據交流量不大的現場，是一種開放式現場總線系統，并以標準化。PROFIBUS-DP現場總線有以下特點：經過雙絞線或光纜的進行數據傳輸、能進行自動化系統的柔性和模塊化設計、節省接線費用、最多125個節點、最大為12Mbit/s、響應時間短、傳輸距離可達23.8Km、通過各種專用集成電路（ASIC）和接口模板、簡化設備的連接,PROFIBUS-DP是“全集成自化”的系統總線、世界上著名的可編程序控制器銷售商普遍認識到作為現場層標準接口的PROFIBUS-DP的優點。基于以上原因本所在紙機的電氣控制上也大量采用PROFIBUS-DP現場總線。
目前國內實現數字化網絡的傳動系統主要有西安寶德自動化的WB-PDD-A系統、杭州華章電氣的HZ-AC3000系統、上海造紙電控所的SIED紙機電氣二級或三級控制系統等。
WB-PDD-A造紙機控制系統是針對2640/320低定量涂布造紙機設計開發的，電氣傳動系統采用國際標準工業現場總線PROFIBUS，以1.5MH的通訊速率將西門子最新型S7-400PLC、6RA24全數字直流傳動裝置、OP37智能操作單元等構成現場局域網實現造紙系統的張力、速度、負荷分配等各種參數的設定及控制，可對紙線中的任何一臺傳動裝置進行啟動、停止、爬行、點動、松弛和張緊控制。系統環境為中文WIN95界面，應用軟件采用西門子WINCC組態軟件。系統可對每一個傳動控制點的過程參數、故障狀態進行實時顯示、監視、存儲及打印，并提供歷史趨勢圖及完成工藝參數的在線修改與保存。
HZ-AC3000造紙系統采