变频调速控制系统在造纸机中的应用 造纸机控制系统

　　摘 要:随着经济的发展,对工业生产的要求也越来越高。交流变频控制技术的产生,必然会引起工业生产中一场新的变革。交流变频调速控制系统以其可靠性高、调节特性好、稳定节能等优点,在众多速领域得到广泛应用和大力推广。本文着重介绍了交流变频调速控制系统在造纸行业中的运用。
　　关键词:变频调速控制 恒转矩 恒功率 电流环
　　中图分类号:TP276 文献标识码:Ａ 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0129-02
　　在80年代初期为了顺应工业生产自动化的发展要求,一种新的技术发展起来,开辟了一个全新的电机时代,这种技术被称之为变频调速技术。一改传统电动机的低效能调速方式,变频调速技术运用下的电动机及其拖动负载在无须任何改动即可按照生产工艺要求调整转速输出,大幅度降低了电动机功耗,从而达到系统高效运行的目的。20世纪80年代末,该技术正式引入我国并得到了大力推广。现已在造纸、化工、食品等多个行业的电机传动设备中得到实际应用。
　　1 变频调速控制系统的优异特性
　　1.1 高效节能
　　变频调速控制系统能够根据生产负载的变化情况有效地调节输出功率,有效降低系统的损耗,其节能效能是显著的。
　　1.2 提高系统控制精度,增强系统稳定性
　　相对传统的调速方式,交流变频调速控制采用计算机控制技术和交流电动机矢量变换控制技术,采取正弦波脉宽调制方式,具备宽的调速范围、高稳态精度、动态响应快、工作效率高以及可以四象限运行等优异性能,其静、动态特性均可以与直流调速系统相媲美。
　　1.3 具备完善的保护功能及对电网的冲击小
　　变频调速控制运行中,对过压、欠压、电机过热、过流等现象均能自动保护,增长设备安全运行时间,避免小故障引起的设备损坏。电气传动中电机启动电流低,能够减少对电网的冲击,有效保护电网还能达到节点的效果。
　　2 传动系统电气自动化控制要求
　　造纸业的传动系统电气控制主要是速度和转矩的控制,调速范围广,启动稳定平滑,控制精度高以及调速反应及时是现代传动控制发展的方向。
　　2.1 起动要求
　　纸机的驱动中,对电气传动控制要求极高,启动时转矩的提升要以合适的斜率曲线上升。它常常在控制环路中引入张力控制以控制纸的松紧度,因此整个纸机各传动点的速度协调非常重要。在一条造纸线中,大约有几十个变频控制的传动点,其中相当一部分存在较大的转动惯量,如烘干部。这些大惯量负载在启动时必需进行惯量补偿(在控制软件程序中可根据经验调整),才能使其平滑、稳定地启动运行,避免引起机械连轴器的损坏。同时,在停车时,由于其大惯量的作用,电机将处于发电状态,必须把它回馈给电网,或用设备就地消耗掉。否则,系统母排将会产生过压危及设备。
　　2.2 速度要求
　　由造纸工艺流程可知纸机是一个多单元的速度协调控制系统,各个分部间的速度有着较严谨的速度比例关系,否则会造成断纸或者过度松驰影响成纸质量,因此纸机的各部分要有精度较高的稳速性能。纸机正常工作时,工艺上的变化速度的调节范围不大,一般只在10%～15%。在纸机调整时如检查网部毛布、烘干部预热时要低速爬行,车速约为15～20m/min,此时对稳速没有要求。
　　2.3 分部调速的要求
　　纸机上的纸受到牵引力的作用在网部和压榨部产生纵向伸长,在干部纵向继续伸长,当纸含水量降低后,纸张减少纵向伸长,进入压光机和卷取机时,纸张再度牵引而伸长,因此在整个造纸生产线中,各个传动部分的速度是不同,这样可以保持纸幅张力,同时纸机各部分的速度必须是可以调节的,每一部分都有几个传动点,每个传动点都是以上游为基准调节速差,这样可以避免纸幅松驰或过度绷紧而断纸。由于造纸机无需频繁起动且工艺要求的频繁变速范围不大,所以保持速度稳定是纸机传动控制的最主要目标。
　　3 纸机传动系统的结构组成
　　3.1 公共母线结构
　　冠龙纸业公司的传动系统采用AB公司(原RELIANCE公司)的AUTOMATION系统和SA3100交流变频器,本系统所有变频器的供电电源采用直流母线式供电,由于系统传动点较多,因而采用分部直流母线供电。分别是网部,压榨部及干部三个整流电源柜,其中网部和压榨部采用直接整流通过公共母线传送到各逆变器的供电方式,而干部由于考虑烘缸断纸机会较多,且烘缸的转动惯量较大,干部变频装置采用直流母线带回馈单元供电方式且这种方式最大的优点是节能。公共直流母线主要应用于多电机大容量传动系统中,其目的主要使系统在制动过程中产生的再生能源加以合理利用和回收。因为各逆变器是挂接在公共直流母线上的,且各电机的容量各不相同,负载的惯量也各不相同,它们的运行及工作状态也不完全一致。采用公共直流母线可使工作在电动状态的电机从母线上获取电能,而某些传动点,可能由于转动惯量大,在减速、停车或被拖动运行时,会处于再生发电状态而向公共直流母线馈电,为其它电机提供电能,从而达到节能的目的,同时也大大均衡了各逆变器的无功能量,功率因素大为提高,电网谐波较低。
　　3.2 控制系统配置结构
　　整个系统的组成如图1。它主要由四个系统机架、上位机、sigma、FlexI/O、及远程操作面板、变频器组成。其中A00为总机架,另外三个支架为从支架,系统机架A00在整个系统中起着协调和分派任务的作用。它利用网络卡和网络适配器通过系统BUS与另三个站点机架及SIGMA进行实时通讯。A00总机架还装有两个REMOTEI/O卡,通过现场总线方式分别与现场FLEXI/O及操作面板PANELVIEW进行通讯。并且它还采用MODBUS协议与(外系统)纸机DCS组成以太网通讯。三个从机架除了CPU、内存卡、网络通讯卡外,还装有许多UDC卡,各UDC卡通过光纤与对应的变频器通讯。
　　3.3 纸机传动的结构原理
　　纸机的传动由前往后分以下几段:网部,压榨部,前烘干部,施胶部,红外干燥部,后烘干部,压光部。而每一段都有几个传动点,每个传动点都是以上游为基准调节速差。线速度链的给出是由网部给定,纸机提速就是增加速度链的给定值(即网部驱网辊电机),其他传动点即根据设定的速差,自动跟进。当然也可以单点提速。QCS可通过Ethernet链路获得车速改变参数,及时地控制网前流浆箱的各个稀释水阀的喷浆量,从而精确的控制纸张定量。(见图2)
　　3.4 负荷分配控制
　　负荷分配结构如图3所示,在造纸机传动控制中多个点带动一块网或多个传动对象,相互施压合成一定力矩且同步运转的情况,需要进行负荷分配控制,例如在纸机网部中(如图3所示),有真空伏辊和驱网辊2个传动点,利用2台不同功率的电动机驱动同一张网,各传动点之间不是刚性的硬连接而是通过网之间的一种软性接触,这是必然会出现两电机之间的负荷分配问题。
　　负荷分配的原则理论上要求各个传动点表面辊筒的线速度一致。但由于各传动点的电机功率所驱辊筒的直径及包角都不同,因而具体分配原则也不同,在本系统中驱网辊(主传动)与真空伏辊(从传动)的负荷分配一般设为40%～60%之间。
　　在控制过程中(如图4所示),运用AUT OMAX机架内部的PID调节器,主传动的电流实际值作为给定值,从传动的电流实际值作为反馈值,经PID调节后生成的输出作为附加给定叠加到速度给定通道,从而实现负荷分配的控制过程。
　　参考文献
　　[1] 王占奎,等.变频调速应用百例[M].北京:科学出版社,1999.
　　[2] 黄煊,撒继铭.造纸机交流变频调速控制系统[J].技术文库,2009,12.