变频器在轻工机械中的设计与应用

变频器在轻工机械中的设计与应用ThedesignandapplicationofACInverterinlight-industrymachinery第一讲变频器在造纸机中的设计与应用ThedesignandapplicationofACInverterinthepapermachine浙江工商职业技术学院李方园LiFangyuan摘要：在造纸流程中，核心设备为造纸机，它是使纸浆形成纸幅的分部联动的全套设备。我国造纸机分部传动设备，以前采用SCR直流调速方式，车速也只有200m/min左右，很难同国外的1000m/min的高速纸机相比。随着近年来自动化技术的快速发展，造纸机的分布式变频传动系统就应运而生，且产生非常巨大的经济效益。关键词：造纸机；变频器；分布式传动；张力控制Abastrct:Inthepapermakingprocess,thepapermachineisthecoreequipmentwhichisacompletesetofequipmentstomakepaperpulp.ThedistributeddrivesystemofChinesepapermachinepreviouslyusedSCRDCdrivewhichspeedisonlyabout200m/min.Anditissoslowcomparedwiththeforeignhigh-speedpapermachine1000m/min.Withtherapiddevelopmentofautomationtechnologyintherecentyears,thevariablefrequencydistributeddrivesystemofthepapermachineoccurredandhaveaverylargeeconomicbenefits.Keywords:papermachine;acinverter;Distributeddrive;tensioncontrol[中图分类号]TS734[文献标识码]B文章编号1561-0330(2010)01-0000-001引言造纸行业是我国的基础工业之一，国内纸浆造纸企业数量大、分布广，在整个国民经济中占有重要的地位。在造纸流程中，核心设备为造纸机，它是使纸浆形成纸幅的分部联动的全套设备。造纸机主要包括流浆箱、网部、压榨部、烘干部、压光机、卷纸机，以及传动部等主机和汽、水、真空、润滑、热回收等辅助系统，如图1所示。图1造纸机流程流浆箱是把适当浓度的浆料通过布浆器、整流装置、堰池、堰板喷口等部件均匀稳定地送到网上的设备，又称网前箱；浆料从流浆箱喷射到铜网上之后，在网部上形成湿纸页并进行脱水；之后是压榨，即用机械方法挤出由网部出来的湿纸页的水分，提高纸页的干度，同时改善纸页的表面性质，消除网痕和增加平滑度、紧度和强度；然后进入烘干部，使经过压榨后的湿纸页进一步脱水，使纸页收缩，纤维结合紧密和增加强度。由烘干部出来的纸页经压光机压光后，可以提高纸页的平滑度、光泽度和紧度，使纸页全幅厚度一致，并减少透气度；最后由卷纸机将纸幅卷成纸卷，即完成了造纸的主要过程。为适应以后不同的需要，在造纸车间卷纸机后还设有超级压光机、复卷机、切纸机等。我国造纸机分部传动设备，以前采用SCR直流调速方式，由于存在滑环和炭刷造成可靠性和精度不高，从而导致纸机的机械落后，车速也只有200m/min左右，很难同国外的1000m/min的高速纸机相比。由此看来，造纸机分部传动机械的变频化已是大势所趋。2造纸机变频传动的配置与控制原理造纸变频的最主要应用是多电机分部传动。由于老式纸机很多采用单直流电机传动，且通过机械分配转速的方式进行调速，在生产过程中经常由于机械磨损、皮带的打滑等因素造成速度匹配失调，容易形成断纸、厚薄不均等现象，同时由于现场高温潮湿而使电机维护量增加。为了优化产品质量，提高劳动生产率，很多现场已将其改为多电机分部传动，即取消直流电机及其动力的机械传动部分，在每一个传动分部安装交流电机并配置相应的变频器，同时采用交流多点传动方式，结合速度控制、张力控制、负荷控制等不同的方式进行传动配置。为了生产过程中纸页特性变化的需要，造纸机的分部传动除了保证高精度的同步控制外，还必须能够在一定范围内调节车速，且各个分部的速度能单独调节。在同一个系统中的一个或多个传动有时会发生从机器端发电得到的能量反馈到传动的变频器中来，这种现象叫“再生能量”。这种情况一般发生在电机被拖着走的时候（也就是被一个远远高于设定值的速度拖动的时候），或者是当传动电机发生制动以提供足够的张力的时候（如放卷系统中的传动电机）。在纸机上要用到很多导纸辊传动电机，由于导纸辊经常会工作在制动状态，这时就必须考虑到再生能量的问题，如果对于每个传动配置一个制动单元或能量回馈装置，就会造成系统复杂。如果采用母线共连的方式就可以统一将导纸辊上产生的能量进行互补，并接入到单一的能量回馈装置，如图2所示。图2纸机基本结构和变频配置图如果有多个传动变频器通过直流母线互连的话，一个或多个电机产生的再生能量就可以被其他电机以电动的方式消耗吸收了。这是一种非常有效的工作方式，即使有多个部位的电机一直处于连续发电状态，也不用再去考虑其他的处理再生能量的方式。这种方式下，如果还需要一个更快刹车或紧急停止的状态的话，采用回馈装置就可以充分地将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中来。图2所示的整流回馈单元包括整流桥、逆变桥、短路保护和预充电装置、参数设定和操作单元、直流母线输出端子和自耦变压器等。其中自耦变压器的变比一般为1：1.25（或400：500V），其好处在于电动运行可以使整流桥触发角推到0度，达到与普通变频器同样高的功率因数和效率等。本系统采用共用直流母线的方式，其具有以下特点：（1）多机拖动中每台电机的再生能量可以相互利用；（2）当发电功率大于电动功率时，制动引起的再生能量可以用共用的回馈单元将电能反馈到电网。这里介绍一下共用回馈单元的容量计算公式：共用直流母线的连接点是各通用变频器经过二极管整流桥、直流回路电容滤波环节的直流电压，其电压Ud可求得如下：Ud＝1.414×Uin×K(V)…………公式（1）式中Uin—输入变频器的交流电网电压，选Uin=380～400V；K—电源干扰系数，选K=1.02整流器的运行功率应该是各个制动回路回馈功率的总和，而制动中各电机的自身损耗功率相当于20％额定值的制动转矩，公式如下：Pd＝∑Ｐm…………公式（2）Pm=1.047×（Tb-0.2Tm）×（n1+n2）/2/1000(kW)…………公式（3）Tb=(GDm+GDn)（n1+n2）/375t-Tn(N·m)…………公式（4）式中Pd—各单机再生制动产生的总功率(kW)Pm—单个变频器再生制动产生的功率(kW)Tb—电机的制动转矩(N·m)Tm—电机的额定转矩(N·m)n1—减速开始速度(r/min)n2—减速完了速度(r/min)t—减速时间(s)Tn—负载转矩(N·m)GDm—电机的惯量(N·m2)GDn—负载折算到电机轴上的惯量(N·m2)直流母线的额定电流可根据Id=Pd/Ud…………公式（5）求得。3造纸机的变频控制原理由于造纸生产线的产品细薄、脆弱，为了防止纸张出现断裂、卷曲、褶皱、压痕，必须对各传动部分进行高精度的速度控制，以达到高质量的延展特性。造纸机各个部分之间必须采用拉力控制，以使造纸的生产线对应于脱水及干燥度等工艺参数所决定的伸缩性，从而保证了纸张按成纸方向所限定的伸展率进行延展。也就是说，从上浆到上卷的整个过程，要保持纸幅一定的速度级联（这样才有拉力）。比如网部传动设定速度保持在400m/min，那么压榨部的速度保持在404m/min、前干燥为408mmin、后压榨410m/min、后干燥412mmin、压光机415m/min、卷纸机416m/min，为描述上的方便和控制的精度，这里引入速差分步控制的概念。如传动M1的速度为V1，传动M2的速度为V2，M2的速差为D2，则三者的关系为：V2＝V1x(1+D2%)依次类推，每个传动对应于前面一个传动都有一个速差值。因此对于各传动点的设定只要求第一传动点的速度值（这里称为基速）和从第二传动点以后各传动点的速差值，就可由此计算出每一个传动的速度设定值，从而形成速度链。通常情况下，速度链结构采用二叉树数据结构算法，用于完成传递功能。首先对各传动点进行数字抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与变频器内部地址一致。然后根据二叉树数据结构，确定各结点的上下、左或右编号。即任一传动点由3个数据(“父子兄”或“父子弟”)确定其在速度链中的位置，填位置寄存器数值。该传动点速度指令发给变频器后，访问位置寄存器，确定子寄存器结点号，若不为0，则对该点进行相应处理，直到该链完全处理完;再查兄弟寄存器结点号，处理另一支链。故只须对位置寄存器初始化，即可构成任意分支速度链。由于造纸机每一个部位的工艺要求不一致，所以在实际运行中往往要根据特定的位置再增加特定的传动控制方式，这里阐述的有三种：即张力控制、负荷配比控制、静态补偿控制。（1）张力控制在造纸机生产线上，为达到特定的纸品要求，经常要进行施胶和涂布，而液体胶料和涂料在对纸张施胶或涂布后再进行干燥这样的过程里，会引起纸张伸缩，因此对相关部位必须装配张力或位置传感器，实施张力控制以提高张力精度，从而消除施胶或涂布带来的影响。通常在造纸机的前干燥和后压榨的结合处、后压榨和后干燥的结合处、后干燥和压光机的结合处等，增设相应的张力传感器，进行采样对纸机相关的传动点进行张力控制，防止发生纸幅波动而造成断纸。在张力控制中，张力的设定值和实际值经过张力控制器的PID调节器后，再乘以3％的偏移量，做为该传动点速度设定值的一个组成部分。传动的设定值加上该组成部分，就是速度环的输入值，然后即可进行基本速度控制。在这里设置3％偏移量的目的就是通过传动速度的改变而使张力得到有效的控制。张力传感器检测纸页的张力信号送入PLC内，根据在操作屏上的张力设定进行计算，调节其后传动辊的输出转矩，维持纸页张力恒定，实现张力闭环控制。在张力传感器前加有断纸检测，出现断纸，可以自动退出张力控制模式，自动转为速度控制模式。待纸页重新引上后，断纸信号消失，自动转换为张力控制模式。PLC内采用PID控制算法，并带有速度限幅，防止断纸时出现飞车现象。PLC对张力传感器信号进行分析，可以及时报警并有效预防张力传感器故障对生产的影响。（2）负荷配比控制在造纸机压榨、压光部等啮合辊控制中，根据工艺需要，纸幅断裂时，啮合的两辊子处于脱开位置，纸幅通过时两辊子处于合上位置。其中在啮合辊合上，为保持两辊子在机械上的紧密接触，达到啮合的要求，需采取负荷配比控制方式（如图3a所示）。图3负荷配比控制和静态补偿控制示意图(a)负荷配比控制(b)静态补偿控制(画图的时候注意把3a3b图分开注明)啮合辊的主传动仍采用基本速度控制方式，从传动采用负荷配比控制方式。在该负荷配比控制中，速度闭环的设定值在主传动设定值(V设定)的基础上，再增加5％的速度，这样的话，其速度环的输出值即电流环的设定输入值(M设定)就会增加，然后主传动速度环的输出值乘上负荷配比百分值去限定从传动电流环的设定输入值(M设定)，也就会紧紧跟上主传动，使得该两辊的啮合程度更加紧密、贴合。负荷分配简单原理及实现：在纸机传动系统中，只是电动机速度同步并不能满足实际系统的工作要求，实际系统还要求各传动点电机负载率相同，即δ=Pi/Pie相同(Pi为i电机所承担负载功率，Pie为电机额定功率)。现以三点负荷分配为例，P1e、P2e、P3e为三台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe=P1e+P2e+P3e。P为实际总负载功率，P1、P2、P3为电机实际负载功率，则P=P1+P2+P3。系统工作要求P1=P×P1e/Pe、P2=P×P2e/Pe、P3=P×P3e/Pe。负荷分配的目的就是使P1、P2、P3满足上述要求。在实际控制当中，电机功率是一间接量。实际控制近似以电机