1 引言
安川VS-616G5是全數(shù)字多功能電流矢量控制變頻器具有良好的驅(qū)動(dòng)性能，先進(jìn)的自動(dòng)控制功能和完善的保護(hù)功能。
矢量控制是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過(guò)三相-二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流,It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)既將力矩電流，勵(lì)磁電流分量進(jìn)行解耦。使解耦的磁通與力矩控制器使二者互不影響，而使電機(jī)的速度，力矩連續(xù)可調(diào)。從而可實(shí)現(xiàn)在低速狀態(tài)時(shí)的平滑運(yùn)行和高力矩高精度的速度、力矩控制。
具有4種控制方式可選:(1)無(wú)PG矢量控制;(2)帶PG矢量控制;(3)無(wú)PG V/F控制;(4)帶PG V/F控制。Auto-tuning(自學(xué)習(xí))功能可以對(duì)不同電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度矢量控制。特別是帶PG矢量控制方式以其極高的速度控制精度(+0.02%)極高的零起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(0r/min時(shí)150%)并可實(shí)現(xiàn)力矩控制，與PLC配合使用，可以實(shí)現(xiàn)速度鏈控制、自動(dòng)負(fù)荷控制、自動(dòng)速差控制等功能，在造紙機(jī)傳動(dòng)中得到大量應(yīng)用，并取得了較好的控制效果。
2 紙機(jī)傳動(dòng)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求
(1) 該紙機(jī)為1880/250 m/min長(zhǎng)網(wǎng)多缸文化紙機(jī)，生產(chǎn)40~65g/m2高級(jí)文化用紙,紙機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)如圖1所示。
圖1
該紙機(jī)由長(zhǎng)網(wǎng)部、真空吸移+四輥二壓區(qū)復(fù)合壓榨部、干燥部、施膠部、壓光部、卷取部組成。共16個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，總功率324kW，各傳動(dòng)點(diǎn)功率及變頻器型號(hào)如附表所示。
(2) 紙機(jī)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的工藝要求
為了能生產(chǎn)出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較高的產(chǎn)品，紙機(jī)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)有如下的工藝要求:
a) 紙機(jī)工作速度要有較大的調(diào)節(jié)范圍:為了使造紙機(jī)具有較強(qiáng)的產(chǎn)品、原料的適應(yīng)性(如打漿度、漿料配比與種類、定量、紙種等)，紙機(jī)傳動(dòng)可在較大的范圍內(nèi)均勻的調(diào)節(jié)速度，調(diào)速范圍D=1:8。
b) 車速要有較高的穩(wěn)定裕度:總車速提升、下降要平穩(wěn)。紙機(jī)速度常因電源的電壓、頻率以及紙機(jī)負(fù)荷等因素的變化而波動(dòng)。為了穩(wěn)定紙的定量和和質(zhì)量、減少紙幅斷頭，要求紙機(jī)穩(wěn)速精度±0.5～1%。
c) 各分部間速比可調(diào)、穩(wěn)定:紙幅在網(wǎng)部和壓榨部時(shí)，其縱向伸長(zhǎng)橫向收縮，而在烘干部時(shí)，兩向都收縮。因此紙機(jī)各分部的線速度稍有差異。紙機(jī)各分部的速比的最大波動(dòng)值與漿料配比、定量、車速、生產(chǎn)工藝、分部之間的紙幅無(wú)承托引段的張力等因素有關(guān)。因此，造紙機(jī)各相鄰分部間應(yīng)有適當(dāng)?shù)乃俨顏?lái)形成良好的紙頁(yè)。紙機(jī)各分部的速度必須是可以調(diào)節(jié)的，在±10~15%。同時(shí)，為了生產(chǎn)較高質(zhì)量的紙幅和減少斷頭率，就要保持各分部間速比的穩(wěn)定。當(dāng)出現(xiàn)負(fù)荷變化或其它干擾導(dǎo)致某分部的速度變化時(shí)，應(yīng)保持能及時(shí)調(diào)整，使分部速比的變化不超過(guò)規(guī)定的范圍。
d) 單個(gè)分部點(diǎn)的具有速度微升，微降功能，引紙操作時(shí)的緊紙功能。同時(shí)具有軟連接的傳動(dòng)分部，網(wǎng)部的真空伏輥和驅(qū)網(wǎng)輥之間，具有剛性聯(lián)結(jié)的施膠上輥與施膠下輥之間，具有剛性聯(lián)結(jié)與軟聯(lián)結(jié)的傳動(dòng)分部，真空吸移、真空壓輥、一壓輥、二壓輥之間，這些有負(fù)荷關(guān)聯(lián)的傳動(dòng)點(diǎn)之間要能進(jìn)行負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。由于某點(diǎn)的速度發(fā)生變化而引起負(fù)荷在分部?jī)?nèi)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移，如果不及時(shí)進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)(因?yàn)楝F(xiàn)在使用的變頻器基本上都不具備長(zhǎng)期四象限運(yùn)行能力)，這些傳動(dòng)點(diǎn)間有的負(fù)載可能超過(guò)它自身的功率范圍引起過(guò)流發(fā)生，有的傳動(dòng)點(diǎn)被拖動(dòng)而引起過(guò)高的泵升電壓，導(dǎo)致變頻器過(guò)壓而保護(hù)跳閘，甚至損壞變頻器、損壞毛布。并且在這些分部中，應(yīng)具有單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)功能。并可以同時(shí)起動(dòng)、停止。必要的顯示，如:線速度、電流或轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)等。
e) 爬行速度 為了檢修和清洗聚酯網(wǎng)、壓榨毛毯、干網(wǎng)以及各分部的運(yùn)行工況，各分部應(yīng)有15～50m/min可調(diào)的爬行速度。
f) 紙機(jī)傳動(dòng)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載性質(zhì)，要選擇具有恒轉(zhuǎn)矩控制性能的變頻器，并具有較高的分辨率，以滿足紙機(jī)控制系通正常工作的需要。
3 電氣控制系統(tǒng)組成
(1) 系統(tǒng)硬件組成
變頻器采用電流矢量控制安川VS-616G5型式，PLC選用S7-226型，電機(jī)采用變頻專用電動(dòng)機(jī)。變頻器設(shè)定為帶PG失量控制模式，整機(jī)處于速度控制模式, 系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。
4 控制系統(tǒng)功能
該紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用由PLC作為系統(tǒng)的控制中心。由功能較強(qiáng)大的安川VS-616G5型矢量變頻器為驅(qū)動(dòng)單元，由歐姆龍編碼器提供速度反饋信號(hào)，使紙機(jī)傳動(dòng)在閉環(huán)運(yùn)行模式下，從而使控制系統(tǒng)穩(wěn)速精度0.02%,由PLC通過(guò)Modbus協(xié)議、RS485網(wǎng)絡(luò)與變頻器實(shí)現(xiàn)速度鏈功能，速差控制，負(fù)荷分配功能，總車速升、降，各分部點(diǎn)的速度升、降及緊紙功能。性能較理想地滿足紙機(jī)正常工作需求。
(1) 速度鏈結(jié)構(gòu) 速度鏈結(jié)構(gòu)采用主鏈與子鏈相結(jié)合的思路。紙機(jī)總的車速由二壓來(lái)確定。速度鏈的傳遞關(guān)系由圖2來(lái)體現(xiàn)，由PLC軟件實(shí)現(xiàn)。每一級(jí)的速度由總車速點(diǎn)速度乘以相應(yīng)的速比來(lái)確定。前一級(jí)車速調(diào)整，后面跟隨調(diào)整，后級(jí)調(diào)整不影響前級(jí)。適應(yīng)紙機(jī)操作引紙的順序要求。
速度鏈結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)硬件組成
(2) 負(fù)荷分配的實(shí)現(xiàn) 在紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，因?yàn)樵谟袡C(jī)械相聯(lián)系的傳動(dòng)點(diǎn)由于所位置不同，毛布的包角大小不一樣，承受的載荷在不同的工作狀態(tài)下不一樣，是一個(gè)變量。所以單純的速度鏈無(wú)法滿足造紙機(jī)工作的需要。實(shí)際系統(tǒng)還要求各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率相同，即δ=Pi/Pie相同(Pi為i電機(jī)所承擔(dān)負(fù)載功率，Pie為電機(jī)額定功率)。在實(shí)際控制當(dāng)中，由于電機(jī)功率是一間接量。實(shí)際控制電機(jī)定子電流或轉(zhuǎn)矩代替電機(jī)功率。進(jìn)行讀取計(jì)算、調(diào)節(jié)。PLC通過(guò)總線得到電機(jī)電流或轉(zhuǎn)矩，利用上述原理計(jì)算，并以PID調(diào)節(jié)算法調(diào)節(jié)變頻器的輸出使電機(jī)電流或轉(zhuǎn)矩百分比一樣，完成負(fù)荷分配的自動(dòng)控制的目的。負(fù)荷不平衡度不大于3%。如果負(fù)荷不平衡度大于3%，PLC才進(jìn)行調(diào)整，如果負(fù)荷分配不平衡度調(diào)整量設(shè)置太小，容易造成震蕩。同時(shí)設(shè)置最大不平衡限幅值，防止機(jī)械發(fā)生損害。
圖3 紙機(jī)速度鏈結(jié)構(gòu)圖
負(fù)荷分配分3部分:如圖2虛線范圍內(nèi)部分。a)驅(qū)網(wǎng)輥與伏輥; b)吸移輥、真空壓榨輥與一壓輥與二壓輥;c)施膠上輥與施膠下輥。為了保證系統(tǒng)在起動(dòng)階段和出現(xiàn)異常調(diào)節(jié)的狀況時(shí)，直流過(guò)壓?jiǎn)栴}。負(fù)荷相聯(lián)系的分部進(jìn)行變頻器直流母線并聯(lián)措施。將需負(fù)荷分配的兩部分各分部伏輥與驅(qū)網(wǎng)輥的變頻器，伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥，吸移輥、真空壓榨輥、一壓輥、二壓輥，施膠上輥與施膠下輥，使用10mm(耐壓800V)導(dǎo)線按同極性將直流母線相連接，線長(zhǎng)一些，并串一電阻，并保證有直流母線相連變頻器的電源要同時(shí)通斷。
(3)參數(shù)的優(yōu)化 不同的紙機(jī)使用場(chǎng)所，須進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定,變頻器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置是充分發(fā)揮該變頻器功能的保證。參數(shù)優(yōu)化需要大量實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的積累和對(duì)造紙機(jī)機(jī)械設(shè)備、造紙工藝的了解及對(duì)變頻理論與電機(jī)拖動(dòng)理論的掌握。
(4)變頻器的自學(xué)習(xí) 變頻器對(duì)電機(jī)(不帶負(fù)載)進(jìn)行自學(xué)習(xí)過(guò)程。在自學(xué)習(xí)過(guò)程中，變頻器將對(duì)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)的識(shí)別，尋找最優(yōu)的矢量控制測(cè)量，發(fā)揮變頻器與電機(jī)的最優(yōu)控制特性。
(5)調(diào)整卷紙機(jī)變頻器的基頻為60Hz，使該點(diǎn)的機(jī)械特性變軟一些有利于從壓光機(jī)到卷紙機(jī)的順利引紙。
該紙機(jī)在內(nèi)蒙一紙廠運(yùn)行以經(jīng)近2年，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，紙機(jī)運(yùn)行可靠。
5 結(jié)束語(yǔ)
因?yàn)樵旒垯C(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)既要保持一定的速度跟隨一致性，又要有一定的速度差異，既速差。速差與工作車速、紙種、漿料特性等有關(guān)。同時(shí)具有機(jī)械相聯(lián)系的傳動(dòng)點(diǎn)又要有負(fù)荷平衡既負(fù)荷分配。安川VS-616G5變頻器具有矢量控制功能，具有很高的可靠性和和完善的功能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)參數(shù)組態(tài)與PLC協(xié)調(diào)工作完全可以滿足造紙機(jī)對(duì)傳動(dòng)要求大速比變化、高穩(wěn)態(tài)精度等控制性能的需要?？梢栽谥懈咚偌垯C(jī)上應(yīng)用。
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作者簡(jiǎn)介
于衍星(1968-) 男 工程師 碩士在讀 研究方向交直流電氣傳動(dòng)的控制理論與應(yīng)用。
