搗固焦爐車輛的多驅動電機同步控制

張崢嶸 沈豪

摘要：文章針對焦爐車輛多電機驅動同步的問題，提出一種全新的變頻調(diào)速同步控制方案，并將這個變頻調(diào)速同步控制方案應用于6米搗固焦爐車輛的走行系統(tǒng)，最后通過實際使用證明該控制方案的有效性和可靠性。

關鍵詞：同步控制；變頻器；多電機驅動同步；閉環(huán)控制；搗固焦爐車輛 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2016）05-0067-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.034

1 概述

近年來，隨著國家對環(huán)保、職業(yè)健康的關注并嚴格執(zhí)法，煤焦化行業(yè)的爐型不斷向大型化、智能化發(fā)展；同時受煉焦煤儲量的影響，搗固型焦爐可以減少煤焦化過程中對煉焦煤的需求，搗固型焦爐逐漸成為新的煤焦化趨勢。煤焦化爐型的發(fā)展對配套的焦爐車輛全機械化、自動化程度要求不斷提高。

新型的搗固焦爐車輛不僅要求完成煤焦化的基本操作，還要求搗固焦爐車輛定位準確、提高搗固煤餅的穩(wěn)定性和降低煤餅的塌餅率。交流變頻調(diào)速以其調(diào)速范圍廣、動態(tài)響應快、運行可靠性強、可四象限運行、定位精度高等優(yōu)點在搗固焦爐車輛的走行控制中得到廣泛

應用。

隨著爐型的大型化，搗固焦爐車輛向大型化發(fā)展，交流變頻器應用的增多也出現(xiàn)了一些現(xiàn)場問題。采用一臺交流變頻器驅動多臺并聯(lián)的交流異步電動機，這種驅動方式被廣泛應用于搗固焦爐車輛的走行系統(tǒng)，但這種驅動控制方式為開環(huán)控制，電機的同步主要靠焦爐車輛的剛性和盡量減小幾臺電動機本身的誤差來實現(xiàn)。

當電機功率再次增大后，就采用多臺變頻器控制信號并聯(lián)，每臺變頻器驅動多臺電機的驅動方式，這種驅動方式只存在驅動的能力，根本談不上同步控制，同步只靠焦爐車輛車架的剛性同步。隨著車輛的增重，這種驅動方式長期運行后造成焦爐車輛車架變形，將矩形車架扭曲變形，車架中心線偏移，最終引起裝煤困難。

為此，我們在設計時提出每臺交流電機由獨立的變頻器驅動，并就這種驅動形式提出一種全新的同步控制方案，再將這個同步控制方案應用于搗固焦爐車輛，最后通過現(xiàn)場調(diào)試使用證明該控制方案有效、可靠。

2 VVVF變頻器的調(diào)速原理

VVVF變頻器的調(diào)速原理見圖1和圖2：

3 多電機變頻調(diào)速驅動同步控制方案設計

3.1 主回路方案

主回路方案見圖3：

該多電機變頻調(diào)速驅動同步控制方案可以有多臺交流異步電機，每臺交流異步電機由丹佛斯FC301系列變頻調(diào)速裝置驅動，采用MA305同步卡、增量型編碼器反饋速度來實現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC作為控制處理器，西門子精智面板HMI為操作信號源，PLC對HMI上發(fā)出的操作信號、FC301變頻器上反饋的信號以及編碼器反饋的速度信號進行處理，通過PROFINET現(xiàn)場總線發(fā)出控制指令，控制交流異步電機的輸出轉矩和速度實現(xiàn)交流異步電機的啟動、加速、減速、停車等功能，同時通過PROFINET采集變頻器的運行信號，如速度、轉矩、電流、故障、編碼器反饋等信號。HMI將實時、獨立顯示每臺變頻器的所有采集信息和操作信號，讓操作員直觀地看到自己的操作和變頻器的實際運行狀態(tài)，以便操作員做出準確的選擇和找到正確的處理方式。

這種變頻調(diào)速系統(tǒng)的接線簡單，只需要完成電源、電機及編碼器反饋線的連接，每臺驅動變頻器有獨立的塑殼斷路器，在變頻器出現(xiàn)故障的時候可以切斷塑殼斷路器，在不影響同步系統(tǒng)運行的情況下維護故障變頻器。HMI、PLC、變頻器通過現(xiàn)場總線PROFINET進行通訊，大大減少了接線、布線的工作量，同時也減少了因接線而產(chǎn)生的故障點。PROFINET現(xiàn)場總線不需要連接通訊線，減少了強電電纜對通訊線的影響，同時也降低了現(xiàn)場布線、信號隔離的難度，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和施工的便利性。PROFINET現(xiàn)場總線采用星形結構通訊，在任何一個接入點出現(xiàn)故障、報警信號時，可以直接將故障變頻器切除，而不會影響其余的無故障變頻器。

為實現(xiàn)搗固焦爐車輛的精準對位和準確停車的要求，每臺變頻器配備獨立的制動單元和制動電阻，采用直流注入制動+能耗制動的方式，同步控制系統(tǒng)將所有的變頻器通過預減速同步調(diào)整到直流注入頻率，快速反應的直流注入制動將增加搗固焦爐車輛停車的平穩(wěn)性，為裝煤的穩(wěn)定性提供了保證。

3.2 多電機變頻調(diào)速驅動同步控制方案

在如圖4的多電機變頻調(diào)速驅動同步控制方案中，采用模糊和優(yōu)選控制的方式，從搗固焦爐車輛的同步性能要求來看，最終需要多組驅動輪的線速度一致，就可以保證搗固焦爐車輛走行的穩(wěn)定性，從而保證搗固完成的煤餅在車輛走行的過程中不會出現(xiàn)掉角、裂開的現(xiàn)象，因此主從變頻器均采用速度閉環(huán)控制。在PLC控制系統(tǒng)啟動時，PLC控制系統(tǒng)會采集FC301變頻器的反饋信號，判定系統(tǒng)中配備的變頻器是否有故障，發(fā)現(xiàn)故障變頻器，控制系統(tǒng)將有故障的變頻器從驅動系統(tǒng)切除，并通過HMI提示操作維修人員安排檢修，主控系統(tǒng)指定任意一臺無故障的驅動變頻器為主變頻器，主變頻器采用速度閉環(huán)控制，同時將速度反饋信號反饋給PLC主控系統(tǒng)，PLC主控系統(tǒng)處理反饋的速度信號，并根據(jù)反饋的速度信號給從變頻器給出給定，從變頻器將反饋回來的速度信號與主變頻器的速度反饋信號對比檢測，實時調(diào)整從變頻器的給定值，跟隨主變頻器以達到所有變頻器驅動單元的轉矩平衡和轉速同步。通過該實時同步控制系統(tǒng)可實現(xiàn)轉速誤差小于0.5Hz，從而實現(xiàn)搗固焦爐車輛的平穩(wěn)運行。

當PLC主控系統(tǒng)選定的主變頻器在運行過程中出現(xiàn)故障時，PLC主控系統(tǒng)自動切除故障變頻器（同時給出報警信號、在HMI上提示操作維修人員安排檢修），選定任意一臺無故障的驅動變頻器重新定義為主變頻器，重啟同步控制系統(tǒng)，執(zhí)行新的同步控制指令。故障修復、排除的變頻器可投入同步控制系統(tǒng)為從變頻器運行，從而實現(xiàn)搗固焦爐車輛的24h×7d的不停機運行。當出現(xiàn)故障變頻器的時候，HMI將發(fā)出報警信號，給出故障變頻器的編號，報出變頻器的故障代碼和處理意見。

4 應用過程及分析

將多電機變頻調(diào)速驅動同步方案應用于搗固焦爐車輛的走行系統(tǒng)。搗固焦爐車輛的走行系統(tǒng)為四臺變頻器驅動四臺交流異步電機驅動四套獨立的驅動輪系統(tǒng)，四套驅動輪系統(tǒng)安裝在搗固焦爐車輛車架的下方，搗固焦爐車輛的裝煤穩(wěn)定性、塌餅率、對位準確性受四套驅動輪系統(tǒng)的同步影響，為保證搗固焦爐車輛的穩(wěn)定性，就要保證搗固焦爐車輛在走行時，時時刻刻四套驅動輪系統(tǒng)要轉速一致。主變頻器直接由PLC主控系統(tǒng)選定并給出速度要求，實際運行的速度受搗固焦爐車輛的重量、軌道的平直度等因素的影響，以主變頻器的反饋速度為基準，將從變頻器的反饋速度調(diào)整到與主變頻器的反饋速度一致，從而實現(xiàn)四套驅動輪的線速度同步。從變頻器之間為等同關系，互相不反饋信號控制，都受主變頻器的控制。

5 結語

本多電機變頻調(diào)速驅動同步控制方案，采用模糊控制的方案，保證在任意一臺變頻器出現(xiàn)故障時，PLC主控系統(tǒng)馬上能選定新的變頻器為主變頻器驅動，重啟多電機變頻調(diào)速驅動同步方案，并將該同步控制方案應用于搗固焦爐車輛的走行系統(tǒng)，從而實現(xiàn)搗固焦爐車輛走行系統(tǒng)的穩(wěn)定性、長期運行性和不停機檢修的可能。

參考文獻

[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2] 于洪波.變頻器在電機調(diào)速中的應用分析[J].煤炭技術，2007，26（6）.

[3] VLT Automation Drive FC301/302設計指南 2014.4.4[S].

[4] VLT Automation Drive FC301/302編程指南 2014.1.30[S].

作者簡介：張崢嶸（1980-），男，湖北秭歸人，張家港長力機械有限公司工程師，研究方向：自動化與傳動控制

系統(tǒng)。

（責任編輯：黃銀芳）