變頻調速控制系統在造紙機中的應用

吳建遠

摘 要:隨著經濟的發展,對工業生產的要求也越來越高。交流變頻控制技術的產生,必然會引起工業生產中一場新的變革。交流變頻調速控制系統以其可靠性高、調節特性好、穩定節能等優點,在眾多速領域得到廣泛應用和大力推廣。本文著重介紹了交流變頻調速控制系統在造紙行業中的運用。

關鍵詞:變頻調速控制恒轉矩恒功率電流環

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

在80年代初期為了順應工業生產自動化的發展要求,一種新的技術發展起來,開辟了一個全新的電機時代,這種技術被稱之為變頻調速技術。一改傳統電動機的低效能調速方式,變頻調速技術運用下的電動機及其拖動負載在無須任何改動即可按照生產工藝要求調整轉速輸出,大幅度降低了電動機功耗,從而達到系統高效運行的目的。20世紀80年代末,該技術正式引入我國并得到了大力推廣。現已在造紙、化工、食品等多個行業的電機傳動設備中得到實際應用。

1變頻調速控制系統的優異特性

1.1 高效節能

變頻調速控制系統能夠根據生產負載的變化情況有效地調節輸出功率,有效降低系統的損耗,其節能效能是顯著的。

1.2 提高系統控制精度,增強系統穩定性

相對傳統的調速方式,交流變頻調速控制采用計算機控制技術和交流電動機矢量變換控制技術,采取正弦波脈寬調制方式,具備寬的調速范圍、高穩態精度、動態響應快、工作效率高以及可以四象限運行等優異性能,其靜、動態特性均可以與直流調速系統相媲美。

1.3 具備完善的保護功能及對電網的沖擊小

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

2傳動系統電氣自動化控制要求

造紙業的傳動系統電氣控制主要是速度和轉矩的控制,調速范圍廣,啟動穩定平滑,控制精度高以及調速反應及時是現代傳動控制發展的方向。

2.1 起動要求

紙機的驅動中,對電氣傳動控制要求極高,啟動時轉矩的提升要以合適的斜率曲線上升。它常常在控制環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調非常重要。在一條造紙線中,大約有幾十個變頻控制的傳動點,其中相當一部分存在較大的轉動慣量,如烘干部。這些大慣量負載在啟動時必需進行慣量補償(在控制軟件程序中可根據經驗調整),才能使其平滑、穩定地啟動運行,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,電機將處于發電狀態,必須把它回饋給電網,或用設備就地消耗掉。否則,系統母排將會產生過壓危及設備。

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調控制系統,各個分部間的速度有著較嚴謹的速度比例關系,否則會造成斷紙或者過度松馳影響成紙質量,因此紙機的各部分要有精度較高的穩速性能。紙機正常工作時,工藝上的變化速度的調節范圍不大,一般只在10%～15%。在紙機調整時如檢查網部毛布、烘干部預熱時要低速爬行,車速約為15～20m/min,此時對穩速沒有要求。

2.3 分部調速的要求

紙機上的紙受到牽引力的作用在網部和壓榨部產生縱向伸長,在干部縱向繼續伸長,當紙含水量降低后,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節的,每一部分都有幾個傳動點,每個傳動點都是以上游為基準調節速差,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,所以保持速度穩定是紙機傳動控制的最主要目標。

3紙機傳動系統的結構組成

3.1 公共母線結構

冠龍紙業公司的傳動系統采用AB公司(原RELIANCE公司)的AUTOMATION系統和SA3100交流變頻器,本系統所有變頻器的供電電源采用直流母線式供電,由于系統傳動點較多,因而采用分部直流母線供電。分別是網部,壓榨部及干部三個整流電源柜,其中網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點是節能。公共直流母線主要應用于多電機大容量傳動系統中,其目的主要使系統在制動過程中產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,負載的慣量也各不相同,它們的運行及工作狀態也不完全一致。采用公共直流母線可使工作在電動狀態的電機從母線上獲取電能,而某些傳動點,可能由于轉動慣量大,在減速、停車或被拖動運行時,會處于再生發電狀態而向公共直流母線饋電,為其它電機提供電能,從而達到節能的目的,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,電網諧波較低。

3.2 控制系統配置結構

整個系統的組成如圖1。它主要由四個系統機架、上位機、sigma、FlexI/O、及遠程操作面板、變頻器組成。其中A00為總機架,另外三個支架為從支架,系統機架A00在整個系統中起著協調和分派任務的作用。它利用網絡卡和網絡適配器通過系統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,通過現場總線方式分別與現場FLEXI/O及操作面板PANELVIEW進行通訊。并且它還采用MODBUS協議與(外系統)紙機DCS組成以太網通訊。三個從機架除了CPU、內存卡、網絡通訊卡外,還裝有許多UDC卡,各UDC卡通過光纖與對應的變頻器通訊。

3.3 紙機傳動的結構原理

紙機的傳動由前往后分以下幾段:網部,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調節速差。線速度鏈的給出是由網部給定,紙機提速就是增加速度鏈的給定值(即網部驅網輥電機),其他傳動點即根據設定的速差,自動跟進。當然也可以單點提速。QCS可通過Ethernet鏈路獲得車速改變參數,及時地控制網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 負荷分配控制

負荷分配結構如圖3所示,在造紙機傳動控制中多個點帶動一塊網或多個傳動對象,相互施壓合成一定力矩且同步運轉的情況,需要進行負荷分配控制,例如在紙機網部中(如圖3所示),有真空伏輥和驅網輥2個傳動點,利用2臺不同功率的電動機驅動同一張網,各傳動點之間不是剛性的硬連接而是通過網之間的一種軟性接觸,這是必然會出現兩電機之間的負荷分配問題。

負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,在本系統中驅網輥(主傳動)與真空伏輥(從傳動)的負荷分配一般設為40%～60%之間。

在控制過程中(如圖4所示),運用AUT OMAX機架內部的PID調節器,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PID調節后生成的輸出作為附加給定疊加到速度給定通道,從而實現負荷分配的控制過程。

參考文獻

[1] 王占奎,等.變頻調速應用百例[M].北京:科學出版社,1999.

[2] 黃煊,撒繼銘.造紙機交流變頻調速控制系統[J].技術文庫,2009,12.