造纸机传动系统变频器的选择

1 引言 现在造纸机传动控制基本上全部采用交流变频传动控制系统，而市场上变频器品牌众多，功能各异。面对如此众多的变频器产品，如何选择变频器及相应的控制系统成为各厂家的难题，下面简单介绍造纸机对变频器的基本要求，以及如何选择变频器。 2 造纸机传动特性与变频器机械特性 一台造纸机完整结构如图1所示。 图1 造纸机结构图 造纸机传动属于恒转矩负载，所以要求电机采用恒转矩调速。要求变频器工作在恒转矩调速控制状态，所以应该选用恒转矩机械负载变频器。有的公司对于恒转矩调速和恒功率调速采用不同型号的变频器，如西门子公司的ECO系列风机、水泵控制用变频器和MDV、6SE70恒转矩变频器。有的公司对于恒转矩调速和恒功率调速采用同一型号的变频器，对于同一台变频器采用不同的控制方式所接配的电机不同，变频器内部参数设置不同。如ABB公司ACS400、ACS600系列变频器。比如型号为ACS401-0030的变频器在恒转矩调速控制接配电机22kW，那么，当它在风机、水泵等恒功率控制时接配的电机为30kW。所以用户在选择变频器是应该首先了解变频器与传动机械特性匹配。 3 频率分辨率对造纸机传动性能的影响 频率分辨率是衡量变频器的重要指标。频率分辨率包含频率给定分辨率和频率控制分辨率。 (1) 频率给定分辨率指变频器的给定通道对输入信号的分辨率，一般指模拟输入通道AD的位数。对于通讯通道一般给定精度远远大于模拟通道，所以模拟给定通道若能满足要求，通讯通道是绝对能满足的。 一般纸机对传动调速的控制精度要求为0.1%，对于一台确定的造纸机从频率分辨率的角度来说，若能在最低速满足给定控制精度，则在高速运行是没有问题的。下面我们举例说明: 设本台纸机在低速抄纸，变频器运行频率为10Hz，则要求给定精度为:10×0.1%=0.01Hz，所以要求变频器的频率分辨率必须能够小于0.01Hz。 设本台纸机在高速抄纸，变频器运行频率为50Hz，则要求给定精度为:50×0.1%=0.05Hz，所以要求变频器的频率分辨率必须能够小于0.05Hz。 我们在选择传动系统时注意纸机低速时变频器能否满足控制精度的要求。而不必担心高速的给定精度。给定精度也可以通过变频器参数来进行调节，但缺点是在改变工作状态时需要重新调整参数。 如一台用于流浆箱控制的上浆泵变频器，其运行频率一般在30～50Hz之间，控制采用SR73A调节器，但是流浆箱液位无法稳定，上浆量忽大忽小，变频器始终调节不能稳定。原因变频器设定分辨率不够。给定忽大忽小，1mA对应2.5Hz。我们可以调节参数，变频器的最小给定为30Hz，即给定0mA对应30Hz，给定20mA对应50Hz，这样1mA对应1Hz，给定频率分辨率提高了2.5倍。 (2) 频率控制分辨率指变频器的输出最小分辨率，通常说变频器是无级调速是相对而言的。变频器有它的最小分辨率，每次调速频率的最小变化量。现在变频器的最小分辨率一般为0.01Hz。用户在选择变频器时应该注意频率分辨率是否能满足设备需要。 4 具有转差补偿变频器对系统稳态精度的影响 交流异步电机都存在转差频率，电机的输出转矩和功率与转差频率成正比，变频器为了提高速度控制精度，对电机控制采用转差补偿。 依据异步电机的机械特性，当负载转矩增大，转差频率增大，转子产生速降。转差补偿就是利用依据负载改变定子同步频率，以补偿转子因为负载的速降，消除调速静差，从而保证转子的速度维持恒定。 变频器的转差补偿依据电机的机械特性进行，变频器要求输入电机铭牌参数，依据铭牌参数来确定电机的控制数学模型，转差补偿量应为: 式中:f为转差补偿量; n0为电机铭牌的空载转速; ne为电机铭牌的额定转速; M为电机输出转矩; Me为电机额定转矩。 由于电机在变频控制调速过程中，不同公司的电机的阻抗不同，所以转差补偿有时是欠补偿，有时为过补偿。因此对系统稳态、动态精度会有一定的影响。 所以在使用变频器的过程中合理使用转差补偿会消除静差，提高系统的稳态精度。调节转差补偿可以获得与特殊的机械特性的匹配，在板纸机、瓦楞纸机调试运行中非常重要。 5 变频器功能的基本要求 造纸机传动系统对变频器功能的要求与选择的上位控制系统有关，不同的控制方式对变频器的功能有不同的要求。纸机一般要求在操作台上能够对变频器进行起停、爬行/运行、速度微调等控制操作;能够显示分部线速度、电机电流等功能;能够显示变频器工作状态等功能。 下面列举在不同的控制方式下对变频器的功能要求。 5.1 模拟控制与速度链控制器控制 要求变频器有两路以上的模拟量输入和输出功能;两路以上的数字量输入功能;两路数字量输出功能。 两路模拟量输入用于速度给定和反馈输入，第三路模拟量输入用于速度附加给定控制。两路模拟量输出一路用于显示分部线速度，一路用于显示变频器输出电流。两路以上的数字量输入用于起停控制和爬行/运行转换控制。两路数字量输出用于显示变频器的工作状态。 5.2 电动电位器控制方式 要求变频器有两路模拟量输出功能;四路以上的数字量输入功能;两路数字量输出功能。 两路模拟量输出一路用于显示分部线速度，一路用于显示变频器输出电流。两路数字量输入用于起停控制和爬行/运行转换控制;两路数字量用于速度微调控制。两路数字量输出用于显示变频器的工作状态。 5.3 PLC通讯控制方式 PLC通讯控制方式按照操作方式分有两种控制方式，一种是采用传统的按钮操作方式，另一种为触摸屏操作方式。这两种控制方式要求变频器有通讯控制功能和对应的通讯适配器。如Modbus网络要求有Modbus通讯板; Profibus-DP总线要求有Profibus-DP通讯板。 (1) 按钮控制方式要求变频器有两路模拟量输出功能;两路的数字量输入功能;两路数字量输出功能。两路模拟量输出一路用于显示分部线速度，一路用于显示变频器输出电流。两路数字量输入用于起停控制和爬行/运行转换控制;两路数字量输出用于显示变频器的工作状态。 (2) 触摸屏控制方式要求变频器有一路数字量输入，用于急停功能。其它显示控制都在触摸屏上进行。 6 应用实例 就以上介绍，现以ABB公司ACS800变频器应用在造纸机主传动为例，说明如何选择变频器，系统原理图如图2、图3所示。 图2 造纸机主传动变频调速系统原理图 图3 造纸机主传动控制原理图 在这里，首先确定造纸机主传动变频器选恒转矩系列，ACS800变频器能满足要求，另外还要考虑频率分辩率，ACS800变频器频率分辩率0.01Hz，即若一台四极电机，当最小频率变化为分辨率时，设造纸机车速为450m/min，那么它的速度变化约为0.09 m/min，即造纸机线速度1min变化9cm，完全能满足速度微调要求。本例所设计的主传动系统选择电动电位器方式，由于篇幅限制，仅画出一台变频器的原理图，图中PN011为反馈板(因变频器输入端子只接受模拟信号，而编码器输出为数字信号，所以需要转换一下，本图中反馈板为我单位专利产品，实际选择时设计人员可根据自身情况选择各变频器厂家配套的反馈卡);T012为反馈板的工作电源变压器;PN012为测速表，前面提到如何选择各种端口问题，本例中有两块指示电流表，PA011、PA012一块在控制柜，另外一块安装在操作台用于转矩指示，这就需要有两路以上模拟输出(当然实际中也可选用外装电流互感器，但从经济角度讲不支持)，造纸机传动工艺要求有启动、停止、加速、减速、爬行/运行、单动/联动等功能，其中启动、停止、加速、减速、爬行/运行这些功能要求用数字口来实现(图中DI口)，本图中，加、减速用一辅助PLC来实现，其他由变频器自身端口完成，这需要考虑DI口数量，ABB系列变频器有6组数字输入口，完全可满足要求。系统指示灯用变频器自身提供的继电输出触点来实现。 总之，选择变频器时，在基本框架确定后，一定要选择在设计或功能实现时尽量节省外部附加回路的变频器。这样，一方面减少设计外部回路的工作量及实物投资，另一方面也可以减少系统复杂程度，从而减少出现故障的几率。当然，若在本例设计中全部功能用通讯(PLC通讯控制)控制的话，只需在满足恒转矩及频率分辩率较高的条件下选择合适性价比的产品即可。所以，如何选择一台变频器要具体情况具体分析。 7 结束语 一台造纸机能否正常运转并能使其所生产出的产品满足客户的要求，不仅仅是工艺一方面所能决定，其电气传动控制系统也起到举足轻重的作用。因此，如何选择一套好的传动系统(即选择一种好的系统的核心装置——变频器)就显得尤为重要，文中为作者从事多年造纸传动系统设计相关工作的所得的经验，供大家参考。 信息来源于：变频器世界