多電機負荷分配的耦合特性與控制策略分析

孟彥京 張洪濤

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021)

多電機負荷分配的耦合特性與控制策略分析

孟彥京 張洪濤

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021)

針對多電機的耦合特性復雜、負荷易失衡的特點，采用總線通信實時控制的方式對電機轉矩與轉速進行調節。通過分析多電機負荷分配中剛性耦合與柔性耦合的特點，提出了與其對應的總線通信轉矩控制和總線通信轉速控制的負荷分配控制策略，并對這兩種控制策略的穩定性做出了理論性分析。最后通過觀測現場實時數據證明了控制策略的可行性。

多電機 負荷分配 剛性耦合 柔性耦合 總線通信

0 引言

在工業生產中，多電機的同步運行與負荷分配問題非常關鍵，比如在轉爐和紙機的電氣控制上，要求各部分電機的轉速嚴格同步，而且多臺電機要均衡分擔負載，否則電機會出現過壓、過流現象，產品質量也難以保證［1］。為了解決這些問題，研究多傳動系統中電機軸之間的耦合特性，進而提出相應的控制策略就顯得尤為重要。據此，筆者根據自身相關經驗并結合現場實際觀測，對多電機的耦合特性與負荷分配進行了詳細分析。

1 多電機的負荷分配

在工業應用中，同一臺設備或同一條生產線通常采用多臺電機分別拖動的方式，而這些電機的轉速、轉矩等參數要相互匹配。這種匹配表現為:在具有剛性耦合與柔性耦合的傳動部分，不僅要維持轉速的同步，還要具有負荷動態調整的功能。兩臺不同電機的機械特性如圖1所示。對于同步轉速n0相同的兩臺電機來說，由于機械特性硬度的不同，當實際轉速都為n1時，電機1的轉矩T1要大于電機2的轉矩T2［2-3］，因此，在拖動同一負載時會出現一臺電機負載過輕、另一臺電機負載過重，甚至超過額定負載的現象。對此必須進行負荷分配設計。

圖1 不同機械特性的對比Fig.1 Comparison of different mechanical characteristics

負荷分配的任務是使拖動同一負載的多臺電機的負載率相同［2-4］，即:

實際控制中，電機功率是一間接量，電機的轉矩反映了電機負荷的變化情況，可通過對電機轉矩的控制實現負荷分配的調節［5］。

2 負荷分配的耦合特性

一個由多電機拖動的系統必須要進行負荷分配設計，而負荷分配的實現不僅需要傳動單元對轉速和轉矩的精確控制，而且還要有各電動機軸之間耦合媒介的力的傳遞，而電動機軸之間的耦合特性又決定了負荷分配控制策略的選擇。根據電動機軸耦合方式的不同，可將其分為剛性耦合與柔性耦合。

2.1 剛性耦合

所謂剛性耦合，就是指若干電機軸之間通過齒輪、萬向節、傳動輥等硬連接方式進行耦合。在這種情況下，只要其中一個傳動單元驅動電機運轉，其余傳動點也將立即被動運行，如紙機的施膠部、壓光部等。這些傳動點正常運行時都是通過加壓，使上下傳動輥并行接觸并保持一定的壓力后才同步運轉。

剛性耦合在機械結構上的硬連接方式保證了速度的同步。其中任一電機電磁轉矩的變化將會使其余電機的負載轉矩發生相反的變化，在變化過程中，速度仍然同步。剛性耦合的結構如圖2所示，它是剛性耦合中的一種，為傳動輥并行接觸并保持一定的壓力后同步運行的示意圖。

圖2 剛性耦合示意圖Fig.2 Schematic diagram of rigid coupling

假設VL1和VL2分別為主傳動輥和從傳動輥的線速度(單位為m/min)，d1和d2分別為主從傳動輥的輥徑(單位為m)，i1和i2分別為主從傳動點減速裝置的減速比，n1和n2分別為主從電機的轉速(單位為r/min)，那么有:

由于機械結構決定了線速度的一致性，則VL1=VL2。若令n1=n2，即電機的轉速也相同，聯立式(2)～(3)有:

也就是說當減速裝置的減速比滿足以上比例時，就能保證主從傳動輥線速度一致的同時，主從點電機的轉速也基本同步。異步電機的電磁轉矩表達式為:

式中:Tem為電磁轉矩;T2為輸出轉矩;T0為空載轉矩。假若忽略空載轉矩T0，有:

式中:Pmec為總機械功率;Ω為機械角速度。當兩電機轉速同步時(即Ω相同)，若電機轉矩的百分比相同，則近似反映出電機負載率相同。所以對于剛性耦合一般采用總線通信轉矩控制的負荷分配方式。即:主傳動點為轉速控制，從傳動點為轉矩控制，而且從傳動點的轉矩(百分比)給定取自主點的轉矩(百分比)反饋。主傳動點的轉速控制能保證主從傳動點都精確地以設定的速度運行。從點的轉矩控制能保證從點立即響應給定轉矩的變化，實現快速的動態負荷分配的效果。

當負載轉矩增大時，主傳動點的速度將略微下降，電磁轉矩增大，主點的轉矩反饋也即從傳動點的轉矩給定增大，使得從點產生更大的電磁轉矩來和主點分擔增加的負載。

當負載轉矩減小時，主傳動點的速度將略微上升，電磁轉矩減小，主點的轉矩反饋也即從傳動點的轉矩給定減小，使得從點的轉矩降低，達到新的平衡。

假若某一時刻負荷分配出現失衡，會出現以下兩種狀況。

①當主點轉矩(百分比)增大時，其轉矩反饋便增大，從點的轉矩給定便增大，從而使從點的輸出轉矩增大，則在總負載轉矩不變的情況下，主點轉矩將下降。

②當從點轉矩增大時，由于剛性耦合機械結構傳遞力矩的快速性，主點的負載轉矩將立即減小，從而使主點的轉矩反饋減小，從點的轉矩給定減小，從點的輸出轉矩減小。

綜合上述分析可知，對于剛性耦合采用總線通信轉矩控制的負荷分配方式不僅是穩定的，而且在出現負荷分配失衡的情況下還具有自動調節的功能。

2.2 柔性耦合

所謂柔性耦合，就是指若干電機軸之間通過皮帶、網布、毛毯等軟連接的方式進行耦合。在這種情況下，只要其中一個傳動點運轉，其余傳動點也將被拖動運行，但有可能出現延遲或者打滑的現象。如長網紙機的網部，一般由驅網輥和真空伏輥共同驅動(有的還有導網輥)，它們通過網布或者毛毯以軟連接的方式耦合在一起。

柔性耦合在機械結構上不能保證速度的同步。這是因為連接主從傳動點的毛毯不僅是有彈性的而且與傳動輥間還可能出現打滑［6］。主傳動點轉速的變化首先會引起毛毯的收縮或伸長，進而通過毛毯張力的變化，影響其余傳動點的轉速，這期間主點的轉矩變化經毛毯傳遞到從點時須有一定的時間延遲Δt。柔性耦合的結構如圖3所示，主傳動與從傳動以毛毯等軟連接方式耦合在一起。

圖3 柔性耦合示意圖Fig.3 Schematic diagram of flexible coupling

設主從傳動點之間的距離為L(單位為m)，毛毯伸縮率為δ%，毛毯運行的線速度為VL(單位為m/min)，當主傳動點的轉矩發生變化時，會經Δt的時間傳遞給從傳動點，那么有:

若傳動單元使用具有直接轉矩控制(direct torque control，DTC)技術的變頻器，如ACS850，主從點的轉矩響應時間都只有1～2 ms。假如對柔性耦合采用總線通信轉矩控制的負荷分配方式，從點為轉矩控制，那么從點轉矩的響應時間t0遠小于轉矩經毛毯傳遞的延遲時間Δt，因此從點的動作要快于毛毯張力的變化，這將導致毛毯張力出現振蕩現象，表現為毛毯間歇式的張緊與松弛。由于從點轉矩響應與負載變化的不同步，當負荷波動時，從點會時而加速時而減速，轉速無法穩定。

對于柔性耦合，將采用總線通信轉速控制的負荷分配方式，即:主從傳動點都為轉速控制，通過采集主點與從點的轉矩，計算其差值，據此來修正從點的速度給定，同時還有速差限幅控制，使主從點基本保持同步運行［7］。

3 軟件實現

對于剛性耦合采用總線通信轉矩控制的負荷分配方式，正常運行時從點采用轉矩控制，那么此時從點的轉速由主點的轉速和機械耦合度共同決定。當機械耦合緊密時，從點的速度與主點保持同步或二者速差很小;當機械耦合變差時，從機負載轉矩變小，而來自主點的轉矩給定大于從點的實際負載轉矩，此時從點轉速會迅速升高，當速差超限時，從機由轉矩控制方式變為轉速控制方式，同時將主點的實際轉速作為從點的轉速限幅值。其程序流程圖如圖4所示。

圖4 剛性耦合中的控制策略Fig.4 Control strategy in rigid coupling

對于柔性耦合采用總線通信轉速控制的負荷分配方式，主點采用速度控制，從點跟隨主點的轉速給定。周期性地采集主從點的轉矩，當主點轉矩小于從點轉矩時，將主點轉矩作為從點轉矩限幅值，否則從點轉矩大于主點轉矩，毛毯會松弛;當主點轉矩大于從點轉矩時，計算轉矩差ΔT，當大于閾值δ(T)(一般取3.5%)時，將從點的轉速附加一個轉速微調量δ(n)，從而間接地增加了從點的轉矩［8］。其程序流程圖如圖5所示。

圖5 柔性耦合中的控制策略Fig.5 Control strategy in flexible coupling

另外，對于聯動運行的主從點，系統還提供運行聯鎖控制［1］。當其中一個傳動點出現故障時，本組其余傳動點也會同時停機，從而避免了對設備的損壞。

4 應用案例分析

湖北炬塏紙業的4 000/400紙機(紙幅寬度4 000 mm、紙機車速400 m/min)中，對有負荷分配的傳動點采用總線通信控制的負荷分配方式，保證了負載的均衡分配。傳動系統中主站采用西門子公司的PLC(CPU313-2DP)，傳動單元作為從站采用ABB公司的ACS850變頻器，主從站之間利用Profibus-DP 進行通信［9］。

4.1 總線通信轉矩控制

施膠部和壓榨部都是上下傳動輥加壓并行運轉，屬于剛性耦合，所以采用總線通信轉矩控制的負荷分配方式［10］。現場運行觀察發現，當主點給定轉速為1 000 r/min時，由于主從點為剛性耦合，因此主從點轉速由機械結構保持同步;從點跟隨主點的轉矩輸出，主從點電機的輸出轉矩都為額定轉矩的42.5%左右，負荷分配基本平衡。

4.2 總線通信轉速控制

網部兩臺電機通過造紙毛毯同軸連接，主從點之間的距離為19.5 m，屬于柔性耦合，所以采用總線通信轉速控制的負荷分配方式。現場運行觀察發現，當主點給定轉速為1 000 r/min時，由于從點采用轉速控制，因此從機轉速基本與主機轉速一致，維持在1 000 r/min左右。由于本分部為柔性耦合，主從點所承受的負載轉矩略有不同，因此其輸出轉矩也略有差別，但基本都維持在電機額定轉矩的40%左右，負載分配基本平衡;而且主從點之間的毛毯張力基本恒定，未出現時緊時松的現象。

5 結束語

綜合上述分析可知，在工業應用中，針對電機軸存在剛性耦合與柔性耦合的系統，分別采用總線通信轉矩控制和總線通信轉速控制的負荷分配方式是一種較好的選擇方案。該方案不僅能夠保證多電機的同步運行，而且可較好地實現負載的均衡分配，減少了因設備不同步、負荷分配不平衡而導致的系統故障的發生，保證了生產的正常高效運行。

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［7］孟彥京，李紅壘.高速衛生紙機傳動控制系統研究［J］.中國造紙，2011，30(6):53-57.

［8］孟彥京，尹海.基于ABB ACS800變頻器的紙機交流試驗系統設計［J］.電機與控制應用，2011，38(8):57-62.

［9］孟彥京，周斌，劉圓圓.ACS800在2640_500多缸紙機負荷分配中的應用［J］.電機與控制應用，2011，38(3):57-61.

［10］孟憲坤，李明輝.紙機傳動控制系統的設計與應用［J］.化工自動化及儀表，2011，38(6):691-694.

Analysis of the Coupling Characteristics and Control Strategies for Multi-motor Load Dispatch

In accordance with the complication of coupling characteristics of multi-motor，and the feature of load imbalance，the torque and rotating speed of motor are regulated by adopting bus communication real time control.Through analyzing the features of rigid coupling and flexible coupling in load dispatching of multi-motor，corresponding load dispatch control strategies of bus communication torque control and bus communication rotating speed control are proposed，and the stability of these two control strategies are analyzed theoretically.The feasibility of the control strategies is verified through observing real time on-site data.

Multi-motor Load dispatch Rigid coupling Flexible coupling Bus communication

TP202

A

修改稿收到日期:2012-07-10。

孟彥京(1956-)，男，2012年畢業于陜西科技大學制漿造紙工程專業，獲博士學位，教授;主要從事電力電子與電力傳動、風力發電、電機軟啟動器等方面的研究。