变频器在退火窑交流调速系统中的运用

1 引言 随着生活水平的提高，人们对居住环境要求越来越高，因而极大地促进了房屋设计装修及其相关产业的发展。各种新型高质量的装修材料层出不穷，市场需求日益增加。压花玻璃以其优质的性能和广泛的用途正越来越受到市场的青睐。作为压花玻璃生产工艺重要流程之一，退火窑传动控制系统控制压机及退火窑传动辊电机的运行，确保在玻璃表面上压制所需的花纹图案，同时保证玻璃带运行平稳地通过退火窑。由于控制性能的好坏直接影响到压花玻璃的质量，所以退火窑调速系统的设计广受重视。 电力电子技术的发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，交流异步电机传动调速系统得到了迅速发展。近年来，由于电力电子变换器和数字信号处理器(DSP)的飞速发展，高性能的变频器不断推出，变频异步电机调速装置得到了日益广泛的运用，系统在速度精度、稳定性和动态响应等方面性能上显著提高。本文介绍基于高性能变频器，采用无速度传感器矢量控制方式的压花玻璃退火窑交流异步电机调速控制系统。 2 退火窑交流调速控制系统 2.1 系统简介 退火窑传动系统构成如图1所示。压花玻璃成型工艺生产过程简述如下:来自熔窑的玻璃带经压机花辊压制后，在玻璃带表面形成所需的花纹后，继续进入退火窑进行退火冷却工艺，以消除玻璃分子间应力，提高玻璃强度。系统由1台压机花辊传动电机1M和2台退火窑传动电机2M组成，退火窑传动电机一用一备，操作人员可任意选择工作或备用电机。系统需要对3 台变频异步电机进行转速控制，确保在玻璃表面上压制所需的花纹图案， 图1 退火窑传动系统示意图 同时保证玻璃带运行平稳地通过退火窑。速度的波动将直接影响压制花纹的效果及玻璃表面的平整度，对传动系统的动静态性能要求较高。退火窑传动系统控制性能对产品的质量起着至关重要的作用。 为保证产品的质量，传动系统应确保电机的稳速运行的精度。电机的运行速度应根据生产不同厚度玻璃而调整，生产工艺要求系统的调速比达到1:10,对应电机工作频率运行范围为5~50Hz。根据实际生产操作的需要，压机和退火窑电机速比不是一个定值，应根据实际情况随时调整;此外，当玻璃板的厚度发生变化时，两者之间又需要满足统调的要求，即退火窑和压机电机速比调整好，要同时提升或降低两者的速度。因此对动态性能也提出了较高的要求，过渡过程应该平稳短暂。 2.2 退火窑传动控制系统 退火窑传动调速控制系统主要由变频器、速度信号控制器和其他相应继电器逻辑控制线路构成。变频器采用日产高性能的安川(YASKAWA)VS616-G5，控制模式选用无速度传感器的矢量控制方式。众所周知，交流电动机是个多变量、强耦合、非线性时变的被控对象，仅用电压/频率(U/f)恒定的标量控制，在很多情况下已经不能满足调速系统对调速精度、动态性能及低频时转矩平稳等诸多方面的要求。此外，实际工程中速度传感器的增加将带来成本的增加、安装维修不便等一系列问题。无速度传感器的矢量控制方式的采用较好地解决上述矛盾。 安川VS616-G5采用高性能的IGBT，SPWM逆变控制技术。控制系统采用基于现代控制理论的磁通观测器控制，神经元网络速度预估，实现真正的电流矢量控制达到高精度转矩控制。VS616-G5具有自学习功能(auto-tuning)，在使用矢量控制时，变频器能自动辨识电机铭牌范围的电机参数。因此从变频器专用电机到通用电机都可以进行矢量控制运行，电机可最大限度地发挥作用。 变频器控制原理如图2所示，对3台电机均适用。 图2 变频器控制原理图 变频器运行指令来自控制端子信号，通过控制端子1的开合来控制电机的起停。变频器频率指令来自控制端子16和17，当正常生产时，变频器的速度信号由速度信号控制器(SFC)给出。速度信号控制器主要功能为变频器提供0-10V主速信号。通过对SFC控制线路中不同电阻的调整，使输出回路中的0-10V信号按不同要求变化，以完成对压机和退火窑电机速度单调与统调的需求。端子21、22接现场操作控制台速度显示表，供操作人员观察使用。故障接点端子19、20串接于电机启动控制回路中，当变频器检测到电机发生过负荷等故障，确保安全起见，断开电机启动回路。 压花玻璃生产过程中，玻璃带在上压花辊及进入退火窑时经常发生挤压变形等异常情况。运用安川变频器多级速度(Multi-step speed reference)优先级高于主速(Master speed reference)指令的特性，借助多功能端子5实现手动/自动功能切换，以解决上述问题。即当生产时出现异常情况时，旋动手动/自动切换旋钮，闭合端子5，使电机迅速切换至预先设定的变频器机内多级速度1(D1-02)的值，让电机以较低速度运行，以便操作人员及时处理。变频器运行系统基本设定参数见表1。 从实际运行结果情况看，矢量控制的运用对电机低频特性有显著地提高，转速平稳且无明显转矩脉动现象。 2.3 速度信号控制器(SFC) 由于压花玻璃生产的需要，工作电机的速度调整较频繁且要求特别，即要满足退火窑传动电机和压机电机单调与统调的需要。因而需要有可靠的信号源提供给变频器作为运行主速指令。这项任务由专门设计的速度信号控制器来完成。速度信号控制器(SFC)主要构成如图3所示。 图3 速度信号控制器(SFC)原理框图 控制器的输出通道1、2分别提供0-10V电压信号作为变频器运行参考频率。当调整电阻Rf的值时，输出通道1、输出2的值同时变化;当分别调整电阻Rf1或Rf2的值时，相应输出通道的值发生改变。从而满足了速度单调与统调的要求。 退火窑传动2台电机的工作方式为一用一备，系统严禁2台电机同时并列运行。因此系统控制回路中设置了工作电机选择及电机运行互锁继电器控制线路。同时速度信号控制器输出通道2的回路也应加入到这部分控制中去。即退火窑备用电机来自SFC的电压信号将被屏蔽，只有工作电机接受SFC输出通道2的电压信号。 3 结束语 运行实践表明，基于高性能变频器的无速度传感器矢量交流调速控制系统具有调速精度高，调速范围大，结构简单，工作可靠，操作方便等诸多优点。尤其是低频时转速平稳，无转矩脉动现象。在实际运用中大受欢迎。目前该套控制系统已在国内多条压花玻璃生产线上投入使用，受到用户的好评。 字串5 参考文献 [1] Yaskawa Electric Corporation，VS616-G5 Instruction Manual，2002. [2] 陈伯时. 变频器的发展和运用前景[J]. 变频器世界，2002(9). 作者简介 李 康 男 现为中国新型建筑材料工业杭州设计研究院电气工程师，从事工厂自动化系统的设计与研究，主要领域包括计算机控制、电气传动控制和过程自动化控制。