變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在造紙機中的應(yīng)用

吳建遠(yuǎn)

摘 要:隨著經(jīng)濟的發(fā)展,對工業(yè)生產(chǎn)的要求也越來越高。交流變頻控制技術(shù)的產(chǎn)生,必然會引起工業(yè)生產(chǎn)中一場新的變革。交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)以其可靠性高、調(diào)節(jié)特性好、穩(wěn)定節(jié)能等優(yōu)點,在眾多速領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和大力推廣。本文著重介紹了交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在造紙行業(yè)中的運用。

關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速控制恒轉(zhuǎn)矩恒功率電流環(huán)

中圖分類號:TP276 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:Ａ 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0129-02

在80年代初期為了順應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)自動化的發(fā)展要求,一種新的技術(shù)發(fā)展起來,開辟了一個全新的電機時代,這種技術(shù)被稱之為變頻調(diào)速技術(shù)。一改傳統(tǒng)電動機的低效能調(diào)速方式,變頻調(diào)速技術(shù)運用下的電動機及其拖動負(fù)載在無須任何改動即可按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出,大幅度降低了電動機功耗,從而達(dá)到系統(tǒng)高效運行的目的。20世紀(jì)80年代末,該技術(shù)正式引入我國并得到了大力推廣?，F(xiàn)已在造紙、化工、食品等多個行業(yè)的電機傳動設(shè)備中得到實際應(yīng)用。

1變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)異特性

1.1 高效節(jié)能

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)能夠根據(jù)生產(chǎn)負(fù)載的變化情況有效地調(diào)節(jié)輸出功率,有效降低系統(tǒng)的損耗,其節(jié)能效能是顯著的。

1.2 提高系統(tǒng)控制精度,增強系統(tǒng)穩(wěn)定性

相對傳統(tǒng)的調(diào)速方式,交流變頻調(diào)速控制采用計算機控制技術(shù)和交流電動機矢量變換控制技術(shù),采取正弦波脈寬調(diào)制方式,具備寬的調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應(yīng)快、工作效率高以及可以四象限運行等優(yōu)異性能,其靜、動態(tài)特性均可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。

1.3 具備完善的保護功能及對電網(wǎng)的沖擊小

變頻調(diào)速控制運行中,對過壓、欠壓、電機過熱、過流等現(xiàn)象均能自動保護,增長設(shè)備安全運行時間,避免小故障引起的設(shè)備損壞。電氣傳動中電機啟動電流低,能夠減少對電網(wǎng)的沖擊,有效保護電網(wǎng)還能達(dá)到節(jié)點的效果。

2傳動系統(tǒng)電氣自動化控制要求

造紙業(yè)的傳動系統(tǒng)電氣控制主要是速度和轉(zhuǎn)矩的控制,調(diào)速范圍廣,啟動穩(wěn)定平滑,控制精度高以及調(diào)速反應(yīng)及時是現(xiàn)代傳動控制發(fā)展的方向。

2.1 起動要求

紙機的驅(qū)動中,對電氣傳動控制要求極高,啟動時轉(zhuǎn)矩的提升要以合適的斜率曲線上升。它常常在控制環(huán)路中引入張力控制以控制紙的松緊度,因此整個紙機各傳動點的速度協(xié)調(diào)非常重要。在一條造紙線中,大約有幾十個變頻控制的傳動點,其中相當(dāng)一部分存在較大的轉(zhuǎn)動慣量,如烘干部。這些大慣量負(fù)載在啟動時必需進行慣量補償(在控制軟件程序中可根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整),才能使其平滑、穩(wěn)定地啟動運行,避免引起機械連軸器的損壞。同時,在停車時,由于其大慣量的作用,電機將處于發(fā)電狀態(tài),必須把它回饋給電網(wǎng),或用設(shè)備就地消耗掉。否則,系統(tǒng)母排將會產(chǎn)生過壓危及設(shè)備。

2.2 速度要求

由造紙工藝流程可知紙機是一個多單元的速度協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),各個分部間的速度有著較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃俣缺壤P(guān)系,否則會造成斷紙或者過度松馳影響成紙質(zhì)量,因此紙機的各部分要有精度較高的穩(wěn)速性能。紙機正常工作時,工藝上的變化速度的調(diào)節(jié)范圍不大,一般只在10%～15%。在紙機調(diào)整時如檢查網(wǎng)部毛布、烘干部預(yù)熱時要低速爬行,車速約為15～20m/min,此時對穩(wěn)速沒有要求。

2.3 分部調(diào)速的要求

紙機上的紙受到牽引力的作用在網(wǎng)部和壓榨部產(chǎn)生縱向伸長,在干部縱向繼續(xù)伸長,當(dāng)紙含水量降低后,紙張減少縱向伸長,進入壓光機和卷取機時,紙張再度牽引而伸長,因此在整個造紙生產(chǎn)線中,各個傳動部分的速度是不同,這樣可以保持紙幅張力,同時紙機各部分的速度必須是可以調(diào)節(jié)的,每一部分都有幾個傳動點,每個傳動點都是以上游為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)速差,這樣可以避免紙幅松馳或過度繃緊而斷紙。由于造紙機無需頻繁起動且工藝要求的頻繁變速范圍不大,所以保持速度穩(wěn)定是紙機傳動控制的最主要目標(biāo)。

3紙機傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

3.1 公共母線結(jié)構(gòu)

冠龍紙業(yè)公司的傳動系統(tǒng)采用AB公司(原RELIANCE公司)的AUTOMATION系統(tǒng)和SA3100交流變頻器,本系統(tǒng)所有變頻器的供電電源采用直流母線式供電,由于系統(tǒng)傳動點較多,因而采用分部直流母線供電。分別是網(wǎng)部,壓榨部及干部三個整流電源柜,其中網(wǎng)部和壓榨部采用直接整流通過公共母線傳送到各逆變器的供電方式,而干部由于考慮烘缸斷紙機會較多,且烘缸的轉(zhuǎn)動慣量較大,干部變頻裝置采用直流母線帶回饋單元供電方式且這種方式最大的優(yōu)點是節(jié)能。公共直流母線主要應(yīng)用于多電機大容量傳動系統(tǒng)中,其目的主要使系統(tǒng)在制動過程中產(chǎn)生的再生能源加以合理利用和回收。因為各逆變器是掛接在公共直流母線上的,且各電機的容量各不相同,負(fù)載的慣量也各不相同,它們的運行及工作狀態(tài)也不完全一致。采用公共直流母線可使工作在電動狀態(tài)的電機從母線上獲取電能,而某些傳動點,可能由于轉(zhuǎn)動慣量大,在減速、停車或被拖動運行時,會處于再生發(fā)電狀態(tài)而向公共直流母線饋電,為其它電機提供電能,從而達(dá)到節(jié)能的目的,同時也大大均衡了各逆變器的無功能量,功率因素大為提高,電網(wǎng)諧波較低。

3.2 控制系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)的組成如圖1。它主要由四個系統(tǒng)機架、上位機、sigma、FlexI/O、及遠(yuǎn)程操作面板、變頻器組成。其中A00為總機架,另外三個支架為從支架,系統(tǒng)機架A00在整個系統(tǒng)中起著協(xié)調(diào)和分派任務(wù)的作用。它利用網(wǎng)絡(luò)卡和網(wǎng)絡(luò)適配器通過系統(tǒng)BUS與另三個站點機架及SIGMA進行實時通訊。A00總機架還裝有兩個REMOTEI/O卡,通過現(xiàn)場總線方式分別與現(xiàn)場FLEXI/O及操作面板PANELVIEW進行通訊。并且它還采用MODBUS協(xié)議與(外系統(tǒng))紙機DCS組成以太網(wǎng)通訊。三個從機架除了CPU、內(nèi)存卡、網(wǎng)絡(luò)通訊卡外,還裝有許多UDC卡,各UDC卡通過光纖與對應(yīng)的變頻器通訊。

3.3 紙機傳動的結(jié)構(gòu)原理

紙機的傳動由前往后分以下幾段:網(wǎng)部,壓榨部,前烘干部,施膠部,紅外干燥部,后烘干部,壓光部。而每一段都有幾個傳動點,每個傳動點都是以上游為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)速差。線速度鏈的給出是由網(wǎng)部給定,紙機提速就是增加速度鏈的給定值(即網(wǎng)部驅(qū)網(wǎng)輥電機),其他傳動點即根據(jù)設(shè)定的速差,自動跟進。當(dāng)然也可以單點提速。QCS可通過Ethernet鏈路獲得車速改變參數(shù),及時地控制網(wǎng)前流漿箱的各個稀釋水閥的噴漿量,從而精確的控制紙張定量。(見圖2)

3.4 負(fù)荷分配控制

負(fù)荷分配結(jié)構(gòu)如圖3所示,在造紙機傳動控制中多個點帶動一塊網(wǎng)或多個傳動對象,相互施壓合成一定力矩且同步運轉(zhuǎn)的情況,需要進行負(fù)荷分配控制,例如在紙機網(wǎng)部中(如圖3所示),有真空伏輥和驅(qū)網(wǎng)輥2個傳動點,利用2臺不同功率的電動機驅(qū)動同一張網(wǎng),各傳動點之間不是剛性的硬連接而是通過網(wǎng)之間的一種軟性接觸,這是必然會出現(xiàn)兩電機之間的負(fù)荷分配問題。

負(fù)荷分配的原則理論上要求各個傳動點表面輥筒的線速度一致。但由于各傳動點的電機功率所驅(qū)輥筒的直徑及包角都不同,因而具體分配原則也不同,在本系統(tǒng)中驅(qū)網(wǎng)輥(主傳動)與真空伏輥(從傳動)的負(fù)荷分配一般設(shè)為40%～60%之間。

在控制過程中(如圖4所示),運用AUT OMAX機架內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器,主傳動的電流實際值作為給定值,從傳動的電流實際值作為反饋值,經(jīng)PID調(diào)節(jié)后生成的輸出作為附加給定疊加到速度給定通道,從而實現(xiàn)負(fù)荷分配的控制過程。

參考文獻(xiàn)

[1] 王占奎,等.變頻調(diào)速應(yīng)用百例[M].北京:科學(xué)出版社,1999.

[2] 黃煊,撒繼銘.造紙機交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)[J].技術(shù)文庫,2009,12.