1. 引言
中國已成為世界最大的紡織產品製造國，纖維生產量佔全球總量的27.5%，是紡織機械最大的消費國和進口國。目前國內已具有生產能力5000-6000萬錠，近年來一直以20%左右的速度快速增長，專家估計2004年會適度減速，但在未來的幾年將繼續以10%以上的速度增長。
為了提高生產效率，提高產品質量和降低能耗，變頻器作為改善工藝和節能傳動自90年代初期批量進入紡織行業以來，一直得到快速增長。尤其是加入WTO以來，紡織品的市場擴大了，但競爭更加激烈，為此企業大量投入設備改造，提高生產力。紡織行業對變頻器的需求量越來越大，要求也不斷提高。積極了解紡織行業、深入研究紡織機械對變頻器的需求，為紡織行業提供適用的變頻器產品和變頻調速傳動的解決方案是變頻器供應商義不容辭的責任和使命。
2. 紡織行業的劃分和布局
紡織行業包括從纖維原料到服裝，日用或產業用布料、繩、線的工藝過程中生產企業，以及為這些企業提供專用設備的配套企業。
紡織行業應用變頻器的領域主要在天然纖維紡紗、織造、染整和化纖四大塊。對於服裝、日用品等成品加工的縫紉機和繡花機，有採用交流伺服電機、無刷直流電機驅動的趨勢，也有變頻器驅動非同步機的嘗試，但這不在本文討論範圍。
2003年中國紡織工業協會的統計數據表明，紡織行業主要集中在江蘇、浙江、上海、山東、廣東、福建等經濟發達的沿海省份，其銷售額佔全國的80%。湖北、河北、河南、安徽、天津、遼寧、四川、北京、內蒙古、湖南等中部省份佔15%，其餘省份僅5%。
某紡織廠的電機功率分佈情況如圖2，圖中其他設備包括空調、供水供熱、製冷和電梯等。由於變頻器調速給紡織生產帶來質量和效率的巨大改進，許多紡織廠正在積極研究和推廣變頻器應用技術，他們樂於接受帶有變頻器調速的紡機設備，對於舊設備的變頻化改造熱情越來越高。
3. 紡機行業的布局和發展
紡機行業主要有中紡機集團、上海太平洋、江蘇、山東、浙江五大板塊。隨著國家放開對紡織行業的控制，紡織設備更新換代速度加快。
中國的紡機行業目前正在洗牌：紡紗、織布機械仍然是中紡集團佔據主導優勢，江蘇的一些合資企業尚具有一定競爭力。染整大部分集中在浙江和江蘇的一些民營企業，中紡集團和上海太平洋的一些企業仍有一定市場份額。化纖和非織造布生產線的較新的產品，機械方面技術難度大，核心部件還需進口，國內紡機企業正在組織技術攻關。針織機械主要來自福建泉州等地的台資企業，但這些台資企業規模均不大，廣州、宜昌等一些老牌國有企業有機會再次崛起。
2003年全國重點紡織機械生產企業產品銷售收入達335億元，同比增長24%。2004年由於去年增長過快，加之鋼材漲價，利潤降低，紡機行業減緩了增長的步伐。圖3為2003年紡機銷售額按省份分佈的示意。
中國紡織機械器材工業協會提出新型成套設備技術攻關項目：日產200噸及以上滌綸短纖維生產線；粘膠長絲連續紡絲機；高效現代化棉紡生產線（即單電機傳動）；機電一體化的無梭織機；紡粘法和溶噴法非製造布生產線（高速、帶張力控制）；電腦提花圓緯機；電腦自動橫機；高速特里科經編機；染整設備工藝參數在線檢測；高效、節能、環保的染整設備。紡織工業科學技術發展中心提出了紡織工業技術進步發展綱要，涉及傳動自動化設備的要求：「研究梳棉、並條、粗紗、細紗、絡筒等單機的多電機獨立傳動和控制系統。在線檢測和控制技術，單機自動化和工序連續化，解決國產清梳聯、並條機自調勻整系統的穩定性和可靠性。」
4. 主要紡織機械對變頻器的需求
由於近幾年紡織行業技術改造的主要投入在擴展生產能力，加之紡織機械技術更新快，目前變頻器80%以上是由紡織機械廠採購配套在主機設備中，再銷售給最終用戶紡織生產廠家的。我們對變頻器需求量分析只聚焦於這個配套市場，或稱為OEM市場。不過紡織設備幾乎24小時連續工作，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已進入報廢期，因此變頻器在紡織廠還有一定的改造市場，而且所佔比例將會逐年增加。
據作者調查分析，2003年國內紡織化纖機械主機廠對變頻器的採購需求約6億元，由於紡織工藝複雜、機械品種繁多，按紡紗、織造、染整和化纖類整理其需求份額如圖4所示。
4.1. 紡紗機械
紡紗機械負責將棉、毛、麻、絲和化學纖維原料進行除雜、開松、牽伸成為均勻柔韌的細紗。工藝流程和主要設備見圖5。
大部分紡織設備對傳動調速要求一般，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） 調速電機功率範圍0.75~37kW；
2） 啟動過程要求平穩，變頻器啟動頻率設置盡量低；
3） 制動過程要求快速，平穩；
4） 可編程的多段速度輸出；
5） 多電機級聯運行要求速度同步；
6） 為使紗均勻地繞在錠子上，要求擺頻，即紡織專用三角波頻率輸出；
7） 配合自調勻整控制系統，對於高速或高性能的並條機需要矢量閉環控制變頻器或伺服驅動系統。
雖然近年來空調的引進，清花部分原料採用管道運輸使紡紗車間的工作環境有所改善，但大部分紡紗車間仍然是高噪音、高溫和多塵絮，這就要求變頻器具有更強的惡劣環境下的適應能力。
紡紗機械除了高速並條機、轉杯紡機有部分進口外，基本都實現國產化。對變頻器的總體要求是可靠性高、低成本，小型化。
4.2. 織造機械
織造機械負責將纖維紗加工成布匹、線繩或針織品。絡筒、整經、漿紗是織布前的準備工藝。工藝流程和主要設備見圖6。
織布車間和捻線車間的工作條件與紡紗車間相似，其中織布機的噪音更大。針織機的工作環境相對好一些，但大園機一般將變頻器安裝在機器本體上，這對變頻器的抗振動能力有一定要求。
織造機械要求變頻器具備的功能和性能：
1） 調速電機功率範圍0.2~22kW；
2） 單錠絡筒、針織機、整經機要求故障和定長（或滿軸時）自動停機；
3） 絡筒、並紗、捻線機要求變頻器具有擺頻功能；
4） 平滑啟動和快速制動；
5） 漿紗機要求調速範圍大，張力恆定，多電機同步調速。
自動絡筒機、高速無梭織機以及高檔繡花機仍然有大量的進口，國內主機廠正在努力開發新產品，迫切需要低成本的小功率變頻器和無刷直流驅動系統配合。相信這部分的變頻器需求量將有較大增長空間。
4.3. 染整機械
染整機械是布匹和紗線后道處理設備。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，根據加工織物的不同要求，又進行若干單元操作。其中煉漂包括坯布準備——燒毛——退漿——煮煉——漂白——絲光——熱定型等工序，新的設計已將這些工序過程組合到退煮漂聯合機中。工藝流程和主要設備見圖7所示。
一般的染整設備對傳動調速要求一般，單方向不可逆，平穩啟動和停車，多單元同步，但間歇式染色機和印花機則要求較高。染整設備的工作環境是高溫和潮濕。
1） 調速電機的功率範圍1.5~30kW，十幾千瓦以上的佔多數；
2） 間歇式染色機要求調速範圍寬，張力卷繞控制，快速正反轉；
3） 印花機要求調速範圍寬，平滑快速起制動，對花定位高精度（定位驅動多採用伺服系統）；
4） 水洗機負載慣性大，要求變頻器快速制動；
5） 后整理線的多電機傳動要求速度同步精度高，張力控制；
6） 一些場合要求變頻器採取公共直流母線方案，以省去制動電阻以及能量損耗。
中國紡機協會指出2003年洗滌、漂白、染色機和后道整理機器有9000台6.3億美元的進口，金額幾乎與國產設備的銷售額相當，說明染整設備的國產化道路依然寬闊，市場增長空間大。
4.4. 化纖機械
化纖機械包括紡絲機、后處理生產線、彈力絲機、非織造布生產線等。工藝流程和主要設備示意見圖8。
紡絲機是關鍵設備，分長絲紡絲機和短絲紡絲機，工作原理相同。紡絲機將化纖原料如滌綸、錦綸、丙綸、氨綸、複合，高溫溶化，送料鼓風機加壓，從計量泵吹出絲，再通過熱牽伸輥和高速卷繞頭紡出絲。短絲后加工生產線包括多道牽伸、高溫定型、疊絲、捲曲、烘乾、切斷和打包，產品主要用於輪胎等工業用途或摻到棉花中混紡，長絲后加工生產線有牽伸、絡筒以及彈力絲機等，產品主要用於非織造布、線繩和針織品的生產。非織造布生產線由鋪網、熱軋、收卷組成。
相對紡織染整機械，化纖機械對變頻器的性能和功能指標要求更高，而工作的環境條件也要好一些。
1） 功率範圍：0.75-280kW，公共整流裝置的功率到800kW；
2） 要求採用公共直流母線方案；
3） 紡絲機採用永磁同步機驅動，保證各驅動點轉速高精度同步；
4） 牽伸電機在運行和停止時都要求保持化纖絲的張力恆定，變頻器應具有零伺服功能和張力卷繞控制功能；
5） 上下雙輥分別驅動的熱軋機要求負荷平衡控制功能。
最近2年，化纖機械的增長速度一直明顯高於一般紡織機械，特別是汽車輪胎、房地產高速增長的帶動，化纖產品供不應求。2003年的化纖機械進口高達4.9億美元，為了減少進口，國內的各大主機廠正處於消化、吸收、改進、創新的過程，新的工藝、新的產品和新的傳動方案不斷出現，這給變頻器廠家帶來新的機會。
5. 艾默生變頻器針對紡織行業應用的解決方案
艾默生變頻器是國際品牌本地化的結晶，是在國際領先的技術研究、產品開發、採購製造、質量控制平台上的研製出來的，但產品的開發完全取決於國內市場和用戶需求的深入調研結果，專註於滿足國內用戶的需求和願望。自99年產品面市以來，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、線纜等各行各業用戶的青睞；目前，產品銷售量累計超過22萬台，其中紡織行業5萬餘台，在國內通用低壓變頻器市場的佔有率已經進入前五位。
艾默生變頻器不斷推陳出新，已形成豐富的產品系列，近90個規格。主要的產品系列如圖9所示。
高性能矢量閉環型變頻器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在紡織行業有廣泛的應用，最近推出的EV2000和EV1000的功能中集成了大量的紡織專用功能。下面按紡織機械的調速傳動特點分別討論艾默生變頻器的解決方案。
1. 要求在紡織、染整車間多塵絮和潮濕的工作環境中可靠運行
所有艾默生變頻器在結構設計上均得到改進，模塊散熱器的風道與控制板隔離，控制板和器件均實行了專門的防塵和防潮濕的措施，可靠性大大提高。
2. 要求在電網側質量較差的條件下可靠運行
針對中國電網電壓波動大，艾默生變頻器具有寬電壓工作範圍的特點，可在320V~460V電壓範圍內正常工作；
當電網出現瞬時掉電現象，艾默生變頻器具有「瞬停不停」功能，能利用負載慣性能量使變頻器保持運行一段時間；
當電網側由於開關動作或雷擊引起浪涌衝擊，艾默生變頻器內置防雷板，滿足IEC61000-4-5標準的要求，具有較強的防護能力。
3. 清鋼聯、染整線等設備是多電機級聯運行，要求速度同步
EV2000/EV1000均具有多種速度級聯同步的方式，有模擬量輸入輸出，脈衝列輸入輸出和現場匯流排通訊。頻率給定有豐富的運算和輔助量補償功能，可滿足不同用戶和不同使用要求的選擇。
4. 梳棉、粗紗、細紗等大部分紡織設備要求平滑啟動、快速制動
艾默生變頻器均具有S形加減速曲線功能，EV系列可以低頻運行至0.5Hz以下仍能提供額定轉矩，可以確保機械的平滑啟動；通過制動電阻能耗制動和直流制動可方便實現快速平穩制動。
5. 紡紗機械要求多段速度運行
艾默生變頻器內置了16個或8個預設的頻率給定，可以通過外部端子控制切換，也可以按照內部的PLC指令切換。
6. 粗紗、細紗、轉杯紡和絡筒等設備為使紗均勻地繞在錠子上，要求擺頻輸出
EV2000/EV1000內部集成了紡織專用的擺頻功能，中心頻率和三角波的形狀可以單獨設置，並且還可以與內部的PLC功能或閉環控制功能配合使用。
7. 單錠絡筒、針織機、整經機要求故障和定長（或滿軸時）自動停機
EV2000/EV1000/TD900均內置有計數器功能，當計數達到指定值時能自動啟動報警或停機動作指令。
8. 並條機要求羅拉的速度快速跟隨棉條厚度信號的變化
TD3000閉環控制的轉矩響應時間小於100ms。更高性能的伺服型變頻器正在開發。
9. 漿紗機、間歇式染色機以及印花機要求調速範圍大，張力恆定
TD3000加一個張力控制的專用軟體包，可以自動計算卷徑、慣量和布料的張力，方便實現低成本的卷繞張力控制系統。
10. 化纖牽伸設備在運行和停止時都要求保持化纖絲的張力恆定
TD3000具有零伺服功能和張力卷繞控制功能。
11. 化纖生產線、染整后處理線等多傳動設備要求變頻器採取公共直流母線方案，以省去制動電阻以及能量損耗
艾默生變頻器均設計了直流母線的端子，可以方便連接配置保護器件，實現公共直流均衡母線方案。另外，正在開發的EV3000系列，功率範圍將覆蓋化纖設備的需求，並推出公共直流迴路母線方案。
6. 結束語
中國的紡織行業方興未艾，紡機設備技術進步和更新換代的速度將越來越快。變頻器作為紡機設備的配套部件，將在提高紡機性能、改善紡織工藝、節約能源等諸多方便表現出越來越重要的作用。面對巨大的、高速增長的和快速變化的變頻器需求市場，艾默生公司將一如既往地與紡機廠、紡織廠緊密合作，挖掘對紡織行業對變頻器最新的需求，及時開發出新的產品，為紡織行業提供更好的、更適用的變頻器。
7. 參考文獻
[1] 中國紡織機械器材工業協會 吳永生主編 紡織工業技術手冊 2000-9
[2] 中國紡織工業協會 中國紡織工業發展報告2003/2004
[3] 中國工業信息網 中國紡織、服裝、皮革工業專用設備 製造業行業分析報告2003
[4] 中國紡織信息中心 2003-2004中國印染行業購銷服務指南
[5] 呂渭賢 我國紡織行業機電一體化技術現狀與發展趨勢 變頻器世界2003-4
[6] 中國機械工業年鑒 2003，紡織機械，第205-206頁
[7] 艾默生網路能源有限公司 變頻器用戶使用手冊
