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1 引言
現(xiàn)在造紙機(jī)傳動(dòng)控制基本上全部采用交流變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)，而市場上變頻器品牌眾多，功能各異。面對(duì)如此眾多的變頻器產(chǎn)品，如何選擇變頻器及相應(yīng)的控制系統(tǒng)成為各廠家的難題，下面簡單介紹造紙機(jī)對(duì)變頻器的基本要求，以及如何選擇變頻器。
2 造紙機(jī)傳動(dòng)特性與變頻器機(jī)械特性
一臺(tái)造紙機(jī)完整結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 造紙機(jī)結(jié)構(gòu)圖
造紙機(jī)傳動(dòng)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，所以要求電機(jī)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。要求變頻器工作在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制狀態(tài)，所以應(yīng)該選用恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械負(fù)載變頻器。有的公司對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速采用不同型號(hào)的變頻器，如西門子公司的eco系列風(fēng)機(jī)、水泵控制用變頻器和mdv、6se70恒轉(zhuǎn)矩變頻器。有的公司對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速采用同一型號(hào)的變頻器，對(duì)于同一臺(tái)變頻器采用不同的控制方式所接配的電機(jī)不同，變頻器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置不同。如abb公司acs400、acs600系列變頻器。比如型號(hào)為acs401-0030的變頻器在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制接配電機(jī)22kw，那么，當(dāng)它在風(fēng)機(jī)、水泵等恒功率控制時(shí)接配的電機(jī)為30kw。所以用戶在選擇變頻器是應(yīng)該首先了解變頻器與傳動(dòng)機(jī)械特性匹配。
3 頻率分辨率對(duì)造紙機(jī)傳動(dòng)性能的影響
頻率分辨率是衡量變頻器的重要指標(biāo)。頻率分辨率包含頻率給定分辨率和頻率控制分辨率。
(1) 頻率給定分辨率指變頻器的給定通道對(duì)輸入信號(hào)的分辨率，一般指模擬輸入通道ad的位數(shù)。對(duì)于通訊通道一般給定精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模擬通道，所以模擬給定通道若能滿足要求，通訊通道是絕對(duì)能滿足的。
一般紙機(jī)對(duì)傳動(dòng)調(diào)速的控制精度要求為0.1%，對(duì)于一臺(tái)確定的造紙機(jī)從頻率分辨率的角度來說，若能在最低速滿足給定控制精度，則在高速運(yùn)行是沒有問題的。下面我們舉例說明:
設(shè)本臺(tái)紙機(jī)在低速抄紙，變頻器運(yùn)行頻率為10hz，則要求給定精度為:10×0.1%=0.01hz，所以要求變頻器的頻率分辨率必須能夠小于0.01hz。
設(shè)本臺(tái)紙機(jī)在高速抄紙，變頻器運(yùn)行頻率為50hz，則要求給定精度為:50×0.1%=0.05hz，所以要求變頻器的頻率分辨率必須能夠小于0.05hz。
我們?cè)谶x擇傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)注意紙機(jī)低速時(shí)變頻器能否滿足控制精度的要求。而不必?fù)?dān)心高速的給定精度。給定精度也可以通過變頻器參數(shù)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，但缺點(diǎn)是在改變工作狀態(tài)時(shí)需要重新調(diào)整參數(shù)。
如一臺(tái)用于流漿箱控制的上漿泵變頻器，其運(yùn)行頻率一般在30～50hz之間，控制采用sr73a調(diào)節(jié)器，但是流漿箱液位無法穩(wěn)定，上漿量忽大忽小，變頻器始終調(diào)節(jié)不能穩(wěn)定。原因變頻器設(shè)定分辨率不夠。給定忽大忽小，1ma對(duì)應(yīng)2.5hz。我們可以調(diào)節(jié)參數(shù)，變頻器的最小給定為30hz，即給定0ma對(duì)應(yīng)30hz，給定20ma對(duì)應(yīng)50hz，這樣1ma對(duì)應(yīng)1hz，給定頻率分辨率提高了2.5倍。
(2) 頻率控制分辨率指變頻器的輸出最小分辨率，通常說變頻器是無級(jí)調(diào)速是相對(duì)而言的。變頻器有它的最小分辨率，每次調(diào)速頻率的最小變化量�，F(xiàn)在變頻器的最小分辨率一般為0.01hz。用戶在選擇變頻器時(shí)應(yīng)該注意頻率分辨率是否能滿足設(shè)備需要。
4 具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償變頻器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的影響
交流異步電機(jī)都存在轉(zhuǎn)差頻率，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率與轉(zhuǎn)差頻率成正比，變頻器為了提高速度控制精度，對(duì)電機(jī)控制采用轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。
依據(jù)異步電機(jī)的機(jī)械特性，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)差頻率增大，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生速降。轉(zhuǎn)差補(bǔ)償就是利用依據(jù)負(fù)載改變定子同步頻率，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)子因?yàn)樨?fù)載的速降，消除調(diào)速靜差，從而保證轉(zhuǎn)子的速度維持恒定。
變頻器的轉(zhuǎn)差補(bǔ)償依據(jù)電機(jī)的機(jī)械特性進(jìn)行，變頻器要求輸入電機(jī)銘牌參數(shù)，依據(jù)銘牌參數(shù)來確定電機(jī)的控制數(shù)學(xué)模型，轉(zhuǎn)差補(bǔ)償量應(yīng)為:
式中:f為轉(zhuǎn)差補(bǔ)償量;
n0為電機(jī)銘牌的空載轉(zhuǎn)速;
ne為電機(jī)銘牌的額定轉(zhuǎn)速;
m為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;
me為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。
由于電機(jī)在變頻控制調(diào)速過程中，不同公司的電機(jī)的阻抗不同，所以轉(zhuǎn)差補(bǔ)償有時(shí)是欠補(bǔ)償，有時(shí)為過補(bǔ)償。因此對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)精度會(huì)有一定的影響。
所以在使用變頻器的過程中合理使用轉(zhuǎn)差補(bǔ)償會(huì)消除靜差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償可以獲得與特殊的機(jī)械特性的匹配，在板紙機(jī)、瓦楞紙機(jī)調(diào)試運(yùn)行中非常重要。
5 變頻器功能的基本要求
造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)變頻器功能的要求與選擇的上位控制系統(tǒng)有關(guān)，不同的控制方式對(duì)變頻器的功能有不同的要求。紙機(jī)一般要求在操作臺(tái)上能夠?qū)ψ冾l器進(jìn)行起停、爬行/運(yùn)行、速度微調(diào)等控制操作;能夠顯示分部線速度、電機(jī)電流等功能;能夠顯示變頻器工作狀態(tài)等功能。
下面列舉在不同的控制方式下對(duì)變頻器的功能要求。
5.1 模擬控制與速度鏈控制器控制
要求變頻器有兩路以上的模擬量輸入和輸出功能;兩路以上的數(shù)字量輸入功能;兩路數(shù)字量輸出功能。
兩路模擬量輸入用于速度給定和反饋輸入，第三路模擬量輸入用于速度附加給定控制。兩路模擬量輸出一路用于顯示分部線速度，一路用于顯示變頻器輸出電流。兩路以上的數(shù)字量輸入用于起停控制和爬行/運(yùn)行轉(zhuǎn)換控制。兩路數(shù)字量輸出用于顯示變頻器的工作狀態(tài)。
5.2 電動(dòng)電位器控制方式
要求變頻器有兩路模擬量輸出功能;四路以上的數(shù)字量輸入功能;兩路數(shù)字量輸出功能。
兩路模擬量輸出一路用于顯示分部線速度，一路用于顯示變頻器輸出電流。兩路數(shù)字量輸入用于起�？刂坪团佬�/運(yùn)行轉(zhuǎn)換控制;兩路數(shù)字量用于速度微調(diào)控制。兩路數(shù)字量輸出用于顯示變頻器的工作狀態(tài)。
5.3 plc通訊控制方式
plc通訊控制方式按照操作方式分有兩種控制方式，一種是采用傳統(tǒng)的按鈕操作方式，另一種為觸摸屏操作方式。這兩種控制方式要求變頻器有通訊控制功能和對(duì)應(yīng)的通訊適配器。如modbus網(wǎng)絡(luò)要求有modbus通訊板; profibus-dp總線要求有profibus-dp通訊板。
(1) 按鈕控制方式要求變頻器有兩路模擬量輸出功能;兩路的數(shù)字量輸入功能;兩路數(shù)字量輸出功能。兩路模擬量輸出一路用于顯示分部線速度，一路用于顯示變頻器輸出電流。兩路數(shù)字量輸入用于起�？刂坪团佬�/運(yùn)行轉(zhuǎn)換控制;兩路數(shù)字量輸出用于顯示變頻器的工作狀態(tài)。
(2) 觸摸屏控制方式要求變頻器有一路數(shù)字量輸入，用于急停功能。其它顯示控制都在觸摸屏上進(jìn)行。
6 應(yīng)用實(shí)例
就以上介紹，現(xiàn)以abb公司acs800變頻器應(yīng)用在造紙機(jī)主傳動(dòng)為例，說明如何選擇變頻器，系統(tǒng)原理圖如圖2、圖3所示。
圖2 造紙機(jī)主傳動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖
圖3 造紙機(jī)主傳動(dòng)控制原理圖
在這里，首先確定造紙機(jī)主傳動(dòng)變頻器選恒轉(zhuǎn)矩系列，acs800變頻器能滿足要求，另外還要考慮頻率分辯率，acs800變頻器頻率分辯率0.01hz，即若一臺(tái)四極電機(jī)，當(dāng)最小頻率變化為分辨率時(shí)，設(shè)造紙機(jī)車速為450m/min，那么它的速度變化約為0.09 m/min，即造紙機(jī)線速度1min變化9cm，完全能滿足速度微調(diào)要求。本例所設(shè)計(jì)的主傳動(dòng)系統(tǒng)選擇電動(dòng)電位器方式，由于篇幅限制，僅畫出一臺(tái)變頻器的原理圖，圖中pn011為反饋板(因變頻器輸入端子只接受模擬信號(hào)，而編碼器輸出為數(shù)字信號(hào)，所以需要轉(zhuǎn)換一下，本圖中反饋板為我單位專利產(chǎn)品，實(shí)際選擇時(shí)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)自身情況選擇各變頻器廠家配套的反饋卡);t012為反饋板的工作電源變壓器;pn012為測速表，前面提到如何選擇各種端口問題，本例中有兩塊指示電流表，pa011、pa012一塊在控制柜，另外一塊安裝在操作臺(tái)用于轉(zhuǎn)矩指示，這就需要有兩路以上模擬輸出(當(dāng)然實(shí)際中也可選用外裝電流互感器，但從經(jīng)濟(jì)角度講不支持)，造紙機(jī)傳動(dòng)工藝要求有啟動(dòng)、停止、加速、減速、爬行/運(yùn)行、單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)等功能，其中啟動(dòng)、停止、加速、減速、爬行/運(yùn)行這些功能要求用數(shù)字口來實(shí)現(xiàn)(圖中di口)，本圖中，加、減速用一輔助plc來實(shí)現(xiàn)，其他由變頻器自身端口完成，這需要考慮di口數(shù)量，abb系列變頻器有6組數(shù)字輸入口，完全可滿足要求。系統(tǒng)指示燈用變頻器自身提供的繼電輸出觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。
總之，選擇變頻器時(shí)，在基本框架確定后，一定要選擇在設(shè)計(jì)或功能實(shí)現(xiàn)時(shí)盡量節(jié)省外部附加回路的變頻器。這樣，一方面減少設(shè)計(jì)外部回路的工作量及實(shí)物投資，另一方面也可以減少系統(tǒng)復(fù)雜程度，從而減少出現(xiàn)故障的幾率。當(dāng)然，若在本例設(shè)計(jì)中全部功能用通訊(plc通訊控制)控制的話，只需在滿足恒轉(zhuǎn)矩及頻率分辯率較高的條件下選擇合適性價(jià)比的產(chǎn)品即可。所以，如何選擇一臺(tái)變頻器要具體情況具體分析。
7 結(jié)束語
一臺(tái)造紙機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)并能使其所生產(chǎn)出的產(chǎn)品滿足客戶的要求，不僅僅是工藝一方面所能決定，其電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)也起到舉足輕重的作用。因此，如何選擇一套好的傳動(dòng)系統(tǒng)(即選擇一種好的系統(tǒng)的核心裝置——變頻器)就顯得尤為重要，文中為作者從事多年造紙傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)工作的所得的經(jīng)驗(yàn)，供大家參考。
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