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[導(dǎo)讀]0 引言同步系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中大量存在,不同的場(chǎng)合對(duì)其成本、控制精度等有不同的要求。隨著對(duì)節(jié)能型社會(huì)的創(chuàng)導(dǎo),同步系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù)也成為研究的熱點(diǎn),本文正是基于這

0 引言

同步系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中大量存在,不同的場(chǎng)合對(duì)其成本、控制精度等有不同的要求。隨著對(duì)節(jié)能型社會(huì)的創(chuàng)導(dǎo),同步系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù)也成為研究的熱點(diǎn),本文正是基于這點(diǎn),對(duì)同步系統(tǒng)控制技術(shù)和節(jié)能方法進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和總結(jié),最后給出了兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

1 同步系統(tǒng)的控制方法

1.1 模擬同步控制方案

圖1 為一種低成本模擬同步控制方案,通過(guò)電位器直接實(shí)現(xiàn),由于這種方法的比例精度受電位器的影響比較大,因此,主給定電位器的阻值比從給定電位器的阻值大10 倍以上。另外,由于是電壓控制方式,所以此方案抗干擾比較差,不適合長(zhǎng)線傳輸。改進(jìn)方法如圖2 所示,采用有源電壓電流轉(zhuǎn)換器(V-I),將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),克服了比例精度受電位器的影響和抗干擾差的缺點(diǎn),是目前應(yīng)用比較多的方案。

 

 

 

 

1.2 開(kāi)關(guān)量速度鏈控制

在一些干擾大的現(xiàn)場(chǎng),采用模擬量進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)受干擾現(xiàn)象嚴(yán)重,可以考慮充分利用變頻器高速脈沖輸入的功能,實(shí)現(xiàn)高精度、低成本、高可靠性的控制。如圖3 所示,可以采用上述模擬量的疊加功能實(shí)現(xiàn)微調(diào),或者采用圖3 中的up、down 電動(dòng)電位計(jì)的疊加功能。具體方法是:利用PLC高速輸出口產(chǎn)生高頻脈沖,例如5 000 Hz 對(duì)應(yīng)50.00 Hz,其分辨率為0.01 Hz。根據(jù)同步的比例,設(shè)定每臺(tái)變頻器的最大頻率,就可以實(shí)現(xiàn)高精度的比例控制了。例如設(shè)k=0.6,設(shè)定該臺(tái)變頻器的最大頻率為30.00 Hz,當(dāng)PLC 輸出的高頻脈沖頻率為5 000 Hz時(shí),對(duì)應(yīng)30.00 Hz。

 

 

1.3 通信或者現(xiàn)場(chǎng)總線速度鏈控制

在一些高速、高精度和自動(dòng)化程度要求比較高的場(chǎng)合,常采用如圖4所示的通信或者現(xiàn)場(chǎng)總線速度鏈控制方案。通信速度鏈控制如圖4(a)所示,在臺(tái)數(shù)比較多時(shí),由于輪詢的時(shí)間比較長(zhǎng),控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度比較慢,因此適合比較低速的中小系統(tǒng)應(yīng)用。另外由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比較慢,不能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整,一般還需要在每臺(tái)傳動(dòng)點(diǎn)控制柜上加裝頻率微調(diào)裝置,在負(fù)載變化比較大的場(chǎng)合還需要加裝動(dòng)態(tài)負(fù)荷分配調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度控制?,F(xiàn)場(chǎng)總線速度鏈控制如圖4(b)所示,適合復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用,可以根據(jù)變頻器的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù),如電流、轉(zhuǎn)矩,動(dòng)態(tài)調(diào)整頻率指令,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷動(dòng)態(tài)分配,達(dá)到高速、高性能的同步控制?,F(xiàn)場(chǎng)總線速度鏈控制方式在控制結(jié)構(gòu)上最為簡(jiǎn)潔,但是對(duì)編程和現(xiàn)場(chǎng)布線及控制柜的抗干擾處理方面更為嚴(yán)格,這是其應(yīng)用難點(diǎn)。

 

 

2 同步系統(tǒng)中的負(fù)荷分配控制

在同步控制系統(tǒng)中,即使在精確比例控制的前提下,還會(huì)碰到由于負(fù)載或者生產(chǎn)工藝的影響,造成實(shí)際速度的動(dòng)態(tài)變化,從而導(dǎo)致生產(chǎn)物料的變形或者斷裂等。如在造紙的壓榨部中,兩臺(tái)電機(jī)由毛布實(shí)現(xiàn)直接連接,處于同一毛布圈路內(nèi),不僅需要同步,而且需要進(jìn)行負(fù)荷分配,否則會(huì)造成兩臺(tái)變頻器的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)等問(wèn)題。解決方法之一是可以將其中一臺(tái)變頻器作為主傳動(dòng),采用基本的速度控制方式,將另外一臺(tái)變頻器作為從傳動(dòng),采用負(fù)荷分配控制。

采用速度進(jìn)行負(fù)荷分配控制原理如圖5 所示。在控制中,運(yùn)用變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器或者外部控制器的PID調(diào)節(jié)器,將主傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩電流實(shí)際值作為給定值,從傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩電流實(shí)際值作為反饋值,經(jīng)PID調(diào)節(jié)后生成的值作為附加給定疊加到從傳動(dòng)速度通道,從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配的過(guò)程控制。這種方式,變頻器可以工作在V/f、開(kāi)環(huán)矢量或者閉環(huán)矢量控制方式。

 

 

采用轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行負(fù)荷分配控制原理如圖6所示。主傳動(dòng)工作于速度模式,從傳動(dòng)變頻器工作于轉(zhuǎn)矩模式,從傳動(dòng)電機(jī)必須加裝編碼器。主傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩電流實(shí)際值作為從傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制給定值,從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配的過(guò)程控制。為了安全,從傳動(dòng)可以在轉(zhuǎn)矩控制基礎(chǔ)上,以速度指令加上一定的偏置作為從傳動(dòng)變頻器的速度限幅。

 

 

3 同步系統(tǒng)的節(jié)能方法

在同步控制系統(tǒng)中,正常情況下,除要求后級(jí)與前級(jí)保持同步外,還需要保證一定的張力,這就要靠速差來(lái)達(dá)到該目的。另外由于機(jī)械系統(tǒng)的慣量,在加、減速過(guò)程和穩(wěn)速過(guò)程中均會(huì)出現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行的過(guò)電壓。針對(duì)此,對(duì)于一般的同步控制系統(tǒng)有兩種連接方法。

3.1 獨(dú)立變頻器加制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻

獨(dú)立變頻器加裝制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的方案如圖7所示。

 

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3.2 逆變器共直流母線控制

當(dāng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作,有的處于電動(dòng)狀態(tài),有的處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí),處于電動(dòng)狀態(tài)的與處于制動(dòng)狀態(tài)的逆變單元可通過(guò)直流母線交換能量,從而減少整流單元回饋單元容量。另外,多臺(tái)逆變單元共用一臺(tái)整流回饋單元,可節(jié)省設(shè)備投資和安裝空間。

共直流母線的方案采用集中整流單元,每單元僅采用逆變單元,相比每臺(tái)整流逆變加變頻器再加獨(dú)立制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻方案,不但降低了成本,而且節(jié)能,是高速同步控制系統(tǒng)的首選方案。但是目前能夠提供這種整流加逆變模塊的廠家很少,存在競(jìng)爭(zhēng)少,產(chǎn)品價(jià)格高的問(wèn)題。因此,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,產(chǎn)生了另外一種如圖9 所示局部直流共母線的折中方案。

 

 

3.3 局部直流共母線方案

在變頻放卷控制中,電機(jī)一般工作于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。而且一般情況下,放卷電機(jī)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于牽引電機(jī)。因此可以采用圖9 所示的方法,對(duì)于放卷變頻器不進(jìn)行輸入交流電連接,只需要將其直流母線直接連接到牽引變頻器的直流母線上,就可以保證放卷變頻器的回饋能量全部被牽引變頻器所利用,既不增加成本,又達(dá)到節(jié)能的目的。

在一些同步應(yīng)用場(chǎng)合,電機(jī)的應(yīng)用臺(tái)數(shù)不多,如果采用完全直流共母線,成本太高,可以將功率接近,電動(dòng)、發(fā)電工作狀態(tài)相同的變頻器放在同一組,采用分段直流共母線的節(jié)能方法。每臺(tái)電機(jī)控制采用變頻器加直流制動(dòng)單元,在每臺(tái)單獨(dú)上電后,通過(guò)接觸器將相鄰的變頻器的直流母線進(jìn)行連接。如圖10 為4臺(tái)變頻器的并聯(lián)示意圖。圖中,1C、2C、3C、4C 為母線并聯(lián)接觸器;F1、F2、F3、F4 為快速熔斷器,防止某臺(tái)變頻器發(fā)生母線短路故障時(shí),造成其他變頻器損壞;S1~S4 為每臺(tái)變頻器上電準(zhǔn)備好信號(hào);K1~K4為四臺(tái)變頻器直流共母線手動(dòng)控制開(kāi)關(guān),防止某臺(tái)變頻器發(fā)生故障時(shí)停止共母線運(yùn)行的切除;T1~T4為每臺(tái)變頻器的故障輸出繼電器,在某臺(tái)變頻器發(fā)生故障時(shí),自動(dòng)切除共母線運(yùn)行。在這種接線情況下,發(fā)電運(yùn)行的電機(jī)的能量,通過(guò)母線進(jìn)行能量交換,從而實(shí)現(xiàn)能量100%無(wú)污染交換,做到既節(jié)能,成本又比較低。當(dāng)某臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí),只需要將該臺(tái)從直流母線上斷開(kāi),并不影響其他電機(jī)的運(yùn)行。

 

 

4 同步控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

4.1 在造紙中的應(yīng)用

圖11為一采用Profibus-DP 總線控制的造紙系統(tǒng)。該生產(chǎn)線由11 個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)構(gòu)成,分別由11臺(tái)不同功率的變頻器驅(qū)動(dòng),按生產(chǎn)流程依次為真空回頭輥、一主壓、二壓、三壓、一組缸、二組缸、三組缸、光澤缸、四組缸、壓光機(jī)、卷紙機(jī)。

首先處理好的紙漿通過(guò)5 個(gè)網(wǎng)逐層粘在毛布上,網(wǎng)輥(由毛布驅(qū)動(dòng))的投入數(shù)量決定紙張的克重(即厚度),然后經(jīng)過(guò)真空

回頭輥,靠真空吸力進(jìn)行第一次脫水處理,經(jīng)過(guò)一壓、二壓和三壓,進(jìn)一步脫水和擠壓均勻,使紙張的厚度均勻。

經(jīng)過(guò)一組缸、二組缸、三組缸,逐步對(duì)紙張進(jìn)行烘干。經(jīng)過(guò)光澤缸,對(duì)紙張進(jìn)行初步的壓光,以提高紙張的表面光潔度。經(jīng)過(guò)四組缸,對(duì)紙張進(jìn)行最后的烘干處理。經(jīng)過(guò)壓光機(jī),進(jìn)一步提高紙張的表面質(zhì)量。通過(guò)卷紙機(jī),對(duì)合格的產(chǎn)品進(jìn)行分卷卷繞。

采用Profibus-DP 總線控制的造紙系統(tǒng)的負(fù)荷分配調(diào)整完全由軟件可以實(shí)現(xiàn),流程如圖12 所示。該方法在電動(dòng)和發(fā)電兩種運(yùn)行狀態(tài)下均有效。

根據(jù)系統(tǒng),調(diào)節(jié)采樣時(shí)間和速度控制步長(zhǎng)駐F,就可以獲得滿意的動(dòng)態(tài)負(fù)荷分配。

4.2 在冶金高速線材生產(chǎn)線上的應(yīng)用

一般冶金行業(yè)的高速線材生產(chǎn)線包括加熱爐區(qū)、粗軋區(qū)、中軋區(qū)、預(yù)精軋區(qū)、預(yù)水冷段、精軋區(qū)、水冷段、夾送輥、吐絲機(jī)、集絲桶、托盤、雙臂、收高線小車系統(tǒng)、電磁起吊等。

例如,某高速線材生產(chǎn)線,粗軋區(qū)、中軋區(qū),預(yù)精軋區(qū)各用遠(yuǎn)臺(tái)660 kW直流電機(jī),共員愿臺(tái);精軋區(qū)采用一臺(tái)5 500 kW的直流調(diào)速電機(jī);高速線材四階梯傳送系統(tǒng)中有幾十臺(tái)猿kW左右的電機(jī),每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)導(dǎo)輥;雙臂調(diào)速采用員臺(tái)37 kW的電機(jī),收高速線材小車采用15 kW的電機(jī)。

 

 

 

 

對(duì)于高速線材這樣的大功率,多傳動(dòng)系統(tǒng),采用單個(gè)電機(jī)、單個(gè)調(diào)速裝置組成系統(tǒng),不僅成本高,而且對(duì)于軋鋼這樣的沖擊性負(fù)載,不能夠解決能量的動(dòng)態(tài)利用,而且通過(guò)能耗制動(dòng)后產(chǎn)生了大量熱量,造成環(huán)境污染,降低了設(shè)備運(yùn)行的可靠性,最佳的解決方案就是采用圖8 的控制方案,通過(guò)掛在直流母線上的逆變器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速,以達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。

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