0 引言
同步系統(tǒng)在工業(yè)生產過程中大量存在,不同的場合對其成本、控制精度等有不同的要求。隨著對節(jié)能型社會的創(chuàng)導,同步系統(tǒng)變頻節(jié)能技術也成為研究的熱點,本文正是基于這點,對同步系統(tǒng)控制技術和節(jié)能方法進行了系統(tǒng)的分析和總結,最后給出了兩個應用實例。
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,通過電位器直接實現(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,不適合長線傳輸。改進方法如圖2 所示,采用有源電壓電流轉換器(V-I),將電壓信號轉換為電流信號,克服了比例精度受電位器的影響和抗干擾差的缺點,是目前應用比較多的方案。
1.2 開關量速度鏈控制
在一些干擾大的現(xiàn)場,采用模擬量進行傳輸?shù)南到y(tǒng)受干擾現(xiàn)象嚴重,可以考慮充分利用變頻器高速脈沖輸入的功能,實現(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現(xiàn)微調,或者采用圖3 中的up、down 電動電位計的疊加功能。具體方法是:利用PLC高速輸出口產生高頻脈沖,例如5 000 Hz 對應50.00 Hz,其分辨率為0.01 Hz。根據(jù)同步的比例,設定每臺變頻器的最大頻率,就可以實現(xiàn)高精度的比例控制了。例如設k=0.6,設定該臺變頻器的最大頻率為30.00 Hz,當PLC 輸出的高頻脈沖頻率為5 000 Hz時,對應30.00 Hz。
1.3 通信或者現(xiàn)場總線速度鏈控制
在一些高速、高精度和自動化程度要求比較高的場合,常采用如圖4所示的通信或者現(xiàn)場總線速度鏈控制方案。通信速度鏈控制如圖4(a)所示,在臺數(shù)比較多時,由于輪詢的時間比較長,控制系統(tǒng)的響應速度比較慢,因此適合比較低速的中小系統(tǒng)應用。另外由于動態(tài)響應速度比較慢,不能夠實現(xiàn)頻率的動態(tài)調整,一般還需要在每臺傳動點控制柜上加裝頻率微調裝置,在負載變化比較大的場合還需要加裝動態(tài)負荷分配調節(jié)器來實現(xiàn)高精度控制?,F(xiàn)場總線速度鏈控制如圖4(b)所示,適合復雜系統(tǒng)的應用,可以根據(jù)變頻器的運行狀態(tài)參數(shù),如電流、轉矩,動態(tài)調整頻率指令,實現(xiàn)負荷動態(tài)分配,達到高速、高性能的同步控制?,F(xiàn)場總線速度鏈控制方式在控制結構上最為簡潔,但是對編程和現(xiàn)場布線及控制柜的抗干擾處理方面更為嚴格,這是其應用難點。
2 同步系統(tǒng)中的負荷分配控制
在同步控制系統(tǒng)中,即使在精確比例控制的前提下,還會碰到由于負載或者生產工藝的影響,造成實際速度的動態(tài)變化,從而導致生產物料的變形或者斷裂等。如在造紙的壓榨部中,兩臺電機由毛布實現(xiàn)直接連接,處于同一毛布圈路內,不僅需要同步,而且需要進行負荷分配,否則會造成兩臺變頻器的過流、過壓保護等問題。解決方法之一是可以將其中一臺變頻器作為主傳動,采用基本的速度控制方式,將另外一臺變頻器作為從傳動,采用負荷分配控制。
采用速度進行負荷分配控制原理如圖5 所示。在控制中,運用變頻器內部PID調節(jié)器或者外部控制器的PID調節(jié)器,將主傳動的轉矩電流實際值作為給定值,從傳動的轉矩電流實際值作為反饋值,經PID調節(jié)后生成的值作為附加給定疊加到從傳動速度通道,從而實現(xiàn)負荷分配的過程控制。這種方式,變頻器可以工作在V/f、開環(huán)矢量或者閉環(huán)矢量控制方式。
采用轉矩控制進行負荷分配控制原理如圖6所示。主傳動工作于速度模式,從傳動變頻器工作于轉矩模式,從傳動電機必須加裝編碼器。主傳動轉矩電流實際值作為從傳動轉矩控制給定值,從而實現(xiàn)負荷分配的過程控制。為了安全,從傳動可以在轉矩控制基礎上,以速度指令加上一定的偏置作為從傳動變頻器的速度限幅。
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,除要求后級與前級保持同步外,還需要保證一定的張力,這就要靠速差來達到該目的。另外由于機械系統(tǒng)的慣量,在加、減速過程和穩(wěn)速過程中均會出現(xiàn)發(fā)電運行的過電壓。針對此,對于一般的同步控制系統(tǒng)有兩種連接方法。
3.1 獨立變頻器加制動單元和制動電阻
獨立變頻器加裝制動單元和制動電阻的方案如圖7所示。
3.2 逆變器共直流母線控制
當多臺電動機同時工作,有的處于電動狀態(tài),有的處于制動狀態(tài)時,處于電動狀態(tài)的與處于制動狀態(tài)的逆變單元可通過直流母線交換能量,從而減少整流單元回饋單元容量。另外,多臺逆變單元共用一臺整流回饋單元,可節(jié)省設備投資和安裝空間。
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,相比每臺整流逆變加變頻器再加獨立制動單元和制動電阻方案,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,存在競爭少,產品價格高的問題。因此,在實際生產過程中,產生了另外一種如圖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,電機一般工作于發(fā)電運行狀態(tài)。而且一般情況下,放卷電機的功率遠遠小于牽引電機。因此可以采用圖9 所示的方法,對于放卷變頻器不進行輸入交流電連接,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,又達到節(jié)能的目的。
在一些同步應用場合,電機的應用臺數(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、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。每臺電機控制采用變頻器加直流制動單元,在每臺單獨上電后,通過接觸器將相鄰的變頻器的直流母線進行連接。如圖10 為4臺變頻器的并聯(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,防止某臺變頻器發(fā)生母線短路故障時,造成其他變頻器損壞;S1~S4 為每臺變頻器上電準備好信號;K1~K4為四臺變頻器直流共母線手動控制開關,防止某臺變頻器發(fā)生故障時停止共母線運行的切除;T1~T4為每臺變頻器的故障輸出繼電器,在某臺變頻器發(fā)生故障時,自動切除共母線運行。在這種接線情況下,發(fā)電運行的電機的能量,通過母線進行能量交換,從而實現(xiàn)能量100%無污染交換,做到既節(jié)能,成本又比較低。當某臺出現(xiàn)故障時,只需要將該臺從直流母線上斷開,并不影響其他電機的運行。
4 同步控制系統(tǒng)的應用實例
4.1 在造紙中的應用
圖11為一采用Profibus-DP 總線控制的造紙系統(tǒng)。該生產線由11 個傳動點構成,分別由11臺不同功率的變頻器驅動,按生產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、卷紙機。
首先處理好的紙漿通過5 個網(wǎng)逐層粘在毛布上,網(wǎng)輥(由毛布驅動)的投入數(shù)量決定紙張的克重(即厚度),然后經過真空
回頭輥,靠真空吸力進行第一次脫水處理,經過一壓、二壓和三壓,進一步脫水和擠壓均勻,使紙張的厚度均勻。
經過一組缸、二組缸、三組缸,逐步對紙張進行烘干。經過光澤缸,對紙張進行初步的壓光,以提高紙張的表面光潔度。經過四組缸,對紙張進行最后的烘干處理。經過壓光機,進一步提高紙張的表面質量。通過卷紙機,對合格的產品進行分卷卷繞。
采用Profibus-DP 總線控制的造紙系統(tǒng)的負荷分配調整完全由軟件可以實現(xiàn),流程如圖12 所示。該方法在電動和發(fā)電兩種運行狀態(tài)下均有效。
根據(jù)系統(tǒng),調節(jié)采樣時間和速度控制步長駐F,就可以獲得滿意的動態(tài)負荷分配。
4.2 在冶金高速線材生產線上的應用
一般冶金行業(yè)的高速線材生產線包括加熱爐區(qū)、粗軋區(qū)、中軋區(qū)、預精軋區(qū)、預水冷段、精軋區(qū)、水冷段、夾送輥、吐絲機、集絲桶、托盤、雙臂、收高線小車系統(tǒng)、電磁起吊等。
例如,某高速線材生產線,粗軋區(qū)、中軋區(qū),預精軋區(qū)各用遠臺660 kW直流電機,共員愿臺;精軋區(qū)采用一臺5 500 kW的直流調速電機;高速線材四階梯傳送系統(tǒng)中有幾十臺猿kW左右的電機,每個電機驅動一個導輥;雙臂調速采用員臺37 kW的電機,收高速線材小車采用15 kW的電機。
對于高速線材這樣的大功率,多傳動系統(tǒng),采用單個電機、單個調速裝置組成系統(tǒng),不僅成本高,而且對于軋鋼這樣的沖擊性負載,不能夠解決能量的動態(tài)利用,而且通過能耗制動后產生了大量熱量,造成環(huán)境污染,降低了設備運行的可靠性,最佳的解決方案就是采用圖8 的控制方案,通過掛在直流母線上的逆變器實現(xiàn)變頻調速,以達到節(jié)能和環(huán)保的目的。