0 引言

同步系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中大量存在，不同的場(chǎng)合對(duì)其成本、控制精度等有不同的要求。隨著對(duì)節(jié)能型社會(huì)的創(chuàng)導(dǎo)，同步系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù)也成為研究的熱點(diǎn)，本文正是基于這點(diǎn)，對(duì)同步系統(tǒng)控制技術(shù)和節(jié)能方法進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和總結(jié)，最后給出了兩個(gè)應(yīng)用實(shí)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(shí)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(zhǎng)線傳輸。改進(jìn)方法如圖2 所示，采用有源電壓電流轉(zhuǎn)換器(V-I)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，克服了比例精度受電位器的影響和抗干擾差的缺點(diǎn)，是目前應(yīng)用比較多的方案。

1.2 開關(guān)量速度鏈控制

在一些干擾大的現(xiàn)場(chǎng)，采用模擬量進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)受干擾現(xiàn)象嚴(yán)重，可以考慮充分利用變頻器高速脈沖輸入的功能，實(shí)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(shí)現(xiàn)微調(diào)，或者采用圖3 中的up、down 電動(dòng)電位計(jì)的疊加功能。具體方法是：利用PLC高速輸出口產(chǎn)生高頻脈沖，例如5 000 Hz 對(duì)應(yīng)50.00 Hz，其分辨率為0.01 Hz。根據(jù)同步的比例，設(shè)定每臺(tái)變頻器的最大頻率，就可以實(shí)現(xiàn)高精度的比例控制了。例如設(shè)k=0.6，設(shè)定該臺(tái)變頻器的最大頻率為30.00 Hz，當(dāng)PLC 輸出的高頻脈沖頻率為5 000 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)30.00 Hz。

1.3 通信或者現(xiàn)場(chǎng)總線速度鏈控制

在一些高速、高精度和自動(dòng)化程度要求比較高的場(chǎng)合，常采用如圖4所示的通信或者現(xiàn)場(chǎng)總線速度鏈控制方案。通信速度鏈控制如圖4(a)所示，在臺(tái)數(shù)比較多時(shí)，由于輪詢的時(shí)間比較長(zhǎng)，控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度比較慢，因此適合比較低速的中小系統(tǒng)應(yīng)用。另外由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比較慢，不能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整，一般還需要在每臺(tái)傳動(dòng)點(diǎn)控制柜上加裝頻率微調(diào)裝置，在負(fù)載變化比較大的場(chǎng)合還需要加裝動(dòng)態(tài)負(fù)荷分配調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)高精度控制?，F(xiàn)場(chǎng)總線速度鏈控制如圖4(b)所示，適合復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用，可以根據(jù)變頻器的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如電流、轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)調(diào)整頻率指令，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷動(dòng)態(tài)分配，達(dá)到高速、高性能的同步控制?，F(xiàn)場(chǎng)總線速度鏈控制方式在控制結(jié)構(gòu)上最為簡(jiǎn)潔，但是對(duì)編程和現(xiàn)場(chǎng)布線及控制柜的抗干擾處理方面更為嚴(yán)格，這是其應(yīng)用難點(diǎn)。

2 同步系統(tǒng)中的負(fù)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(huì)碰到由于負(fù)載或者生產(chǎn)工藝的影響，造成實(shí)際速度的動(dòng)態(tài)變化，從而導(dǎo)致生產(chǎn)物料的變形或者斷裂等。如在造紙的壓榨部中，兩臺(tái)電機(jī)由毛布實(shí)現(xiàn)直接連接，處于同一毛布圈路內(nèi)，不僅需要同步，而且需要進(jìn)行負(fù)荷分配，否則會(huì)造成兩臺(tái)變頻器的過流、過壓保護(hù)等問題。解決方法之一是可以將其中一臺(tái)變頻器作為主傳動(dòng)，采用基本的速度控制方式，將另外一臺(tái)變頻器作為從傳動(dòng)，采用負(fù)荷分配控制。

采用速度進(jìn)行負(fù)荷分配控制原理如圖5 所示。在控制中，運(yùn)用變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器或者外部控制器的PID調(diào)節(jié)器，將主傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩電流實(shí)際值作為給定值，從傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩電流實(shí)際值作為反饋值，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后生成的值作為附加給定疊加到從傳動(dòng)速度通道，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)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(zhuǎn)矩控制進(jìn)行負(fù)荷分配控制原理如圖6所示。主傳動(dòng)工作于速度模式，從傳動(dòng)變頻器工作于轉(zhuǎn)矩模式，從傳動(dòng)電機(jī)必須加裝編碼器。主傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩電流實(shí)際值作為從傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制給定值，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配的過程控制。為了安全，從傳動(dòng)可以在轉(zhuǎn)矩控制基礎(chǔ)上，以速度指令加上一定的偏置作為從傳動(dòng)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(jí)與前級(jí)保持同步外，還需要保證一定的張力，這就要靠速差來達(dá)到該目的。另外由于機(jī)械系統(tǒng)的慣量，在加、減速過程和穩(wěn)速過程中均會(huì)出現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行的過電壓。針對(duì)此，對(duì)于一般的同步控制系統(tǒng)有兩種連接方法。

3.1 獨(dú)立變頻器加制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻

獨(dú)立變頻器加裝制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的方案如圖7所示。

3.2 逆變器共直流母線控制

當(dāng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，有的處于電動(dòng)狀態(tài)，有的處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，處于電動(dòng)狀態(tài)的與處于制動(dòng)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(tái)逆變單元共用一臺(tái)整流回饋單元，可節(jié)省設(shè)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(tái)整流逆變加變頻器再加獨(dú)立制動(dòng)單元和制動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)少，產(chǎn)品價(jià)格高的問題。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，產(chǎn)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(jī)一般工作于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。而且一般情況下，放卷電機(jī)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于牽引電機(jī)。因此可以采用圖9 所示的方法，對(duì)于放卷變頻器不進(jìn)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(dá)到節(jié)能的目的。

在一些同步應(yīng)用場(chǎng)合，電機(jī)的應(yīng)用臺(tái)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(dòng)、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(tái)電機(jī)控制采用變頻器加直流制動(dòng)單元，在每臺(tái)單獨(dú)上電后，通過接觸器將相鄰的變頻器的直流母線進(jìn)行連接。如圖10 為4臺(tái)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(tái)變頻器發(fā)生母線短路故障時(shí)，造成其他變頻器損壞;S1~S4 為每臺(tái)變頻器上電準(zhǔn)備好信號(hào);K1~K4為四臺(tái)變頻器直流共母線手動(dòng)控制開關(guān)，防止某臺(tái)變頻器發(fā)生故障時(shí)停止共母線運(yùn)行的切除;T1~T4為每臺(tái)變頻器的故障輸出繼電器，在某臺(tái)變頻器發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)切除共母線運(yùn)行。在這種接線情況下，發(fā)電運(yùn)行的電機(jī)的能量，通過母線進(jìn)行能量交換，從而實(shí)現(xiàn)能量100%無污染交換，做到既節(jié)能，成本又比較低。當(dāng)某臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，只需要將該臺(tái)從直流母線上斷開，并不影響其他電機(jī)的運(yùn)行。

4 同步控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

4.1 在造紙中的應(yīng)用

圖11為一采用Profibus-DP 總線控制的造紙系統(tǒng)。該生產(chǎn)線由11 個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)構(gòu)成，分別由11臺(tái)不同功率的變頻器驅(qū)動(dòng)，按生產(chǎn)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(jī)、卷紙機(jī)。

首先處理好的紙漿通過5 個(gè)網(wǎng)逐層粘在毛布上，網(wǎng)輥(由毛布驅(qū)動(dòng))的投入數(shù)量決定紙張的克重(即厚度)，然后經(jīng)過真空

回頭輥，靠真空吸力進(jìn)行第一次脫水處理，經(jīng)過一壓、二壓和三壓，進(jìn)一步脫水和擠壓均勻，使紙張的厚度均勻。

經(jīng)過一組缸、二組缸、三組缸，逐步對(duì)紙張進(jìn)行烘干。經(jīng)過光澤缸，對(duì)紙張進(jìn)行初步的壓光，以提高紙張的表面光潔度。經(jīng)過四組缸，對(duì)紙張進(jìn)行最后的烘干處理。經(jīng)過壓光機(jī)，進(jìn)一步提高紙張的表面質(zhì)量。通過卷紙機(jī)，對(duì)合格的產(chǎn)品進(jìn)行分卷卷繞。

采用Profibus-DP 總線控制的造紙系統(tǒng)的負(fù)荷分配調(diào)整完全由軟件可以實(shí)現(xiàn)，流程如圖12 所示。該方法在電動(dòng)和發(fā)電兩種運(yùn)行狀態(tài)下均有效。

根據(jù)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)采樣時(shí)間和速度控制步長(zhǎng)駐F，就可以獲得滿意的動(dòng)態(tài)負(fù)荷分配。

4.2 在冶金高速線材生產(chǎn)線上的應(yīng)用

一般冶金行業(yè)的高速線材生產(chǎn)線包括加熱爐區(qū)、粗軋區(qū)、中軋區(qū)、預(yù)精軋區(qū)、預(yù)水冷段、精軋區(qū)、水冷段、夾送輥、吐絲機(jī)、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(chǎn)線，粗軋區(qū)、中軋區(qū)，預(yù)精軋區(qū)各用遠(yuǎn)臺(tái)660 kW直流電機(jī)，共員愿臺(tái);精軋區(qū)采用一臺(tái)5 500 kW的直流調(diào)速電機(jī);高速線材四階梯傳送系統(tǒng)中有幾十臺(tái)猿kW左右的電機(jī)，每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)導(dǎo)輥;雙臂調(diào)速采用員臺(tái)37 kW的電機(jī)，收高速線材小車采用15 kW的電機(jī)。

對(duì)于高速線材這樣的大功率，多傳動(dòng)系統(tǒng)，采用單個(gè)電機(jī)、單個(gè)調(diào)速裝置組成系統(tǒng)，不僅成本高，而且對(duì)于軋鋼這樣的沖擊性負(fù)載，不能夠解決能量的動(dòng)態(tài)利用，而且通過能耗制動(dòng)后產(chǎn)生了大量熱量，造成環(huán)境污染，降低了設(shè)備運(yùn)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(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，以達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。