采用主從控制使變頻器得到理想同步控制效果解析方案

1 引言

近年來，隨著我國自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化取得了長足的進(jìn)步。變頻器由于性能穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保、性價(jià)比高，在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中，冶金、造紙等行業(yè)對電氣控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)有著較高的要求，在轉(zhuǎn)爐或紙機(jī)的電氣控制上要求各部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速嚴(yán)格同步，否則，無法維持正常生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，有許多因素都會(huì)干擾電機(jī)的同步控制，例如電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、頻率的變化、負(fù)載的突變、溫度的改變等。因此，為了得到理想的同步控制效果，采用主從控制是比較好的解決方案之一。

2 同步運(yùn)行方案的選擇

工業(yè)中同一臺設(shè)備或者同一條生產(chǎn)線的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部分通常采用一臺大功率電機(jī)或多臺相對功率較小的電機(jī)分別拖動(dòng)的方式，而這些不同的運(yùn)動(dòng)部分彼此間在運(yùn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)方面常常有配合協(xié)調(diào)關(guān)系，這就要求在各電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制之間建立某種關(guān)系，這就是所謂的同步運(yùn)行問題。

同步運(yùn)行是變頻調(diào)速在工業(yè)應(yīng)用中比較復(fù)雜和要求很高的領(lǐng)域。正確選擇同步控制方案，是在同步運(yùn)行領(lǐng)域正確設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。通常，同步運(yùn)行主要可以采用以下三種方式實(shí)現(xiàn)。

2.1 單臺大功率電機(jī)

對于大功率負(fù)載，一般選用一臺大功率電機(jī)及相應(yīng)功率的變頻器組成其傳動(dòng)系統(tǒng)。相對于多電機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，單臺大功率電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由于只有一個(gè)傳動(dòng)速度，同步性能最優(yōu)。然而，也正是由于該系統(tǒng)的唯一性，任何一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障都將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的停機(jī)，系統(tǒng)冗余性差，而且由于電機(jī)、變頻器等電氣設(shè)備的功率較大，維護(hù)困難，恢復(fù)時(shí)間較長。

2.2 群拖

用一臺變頻器帶動(dòng)多臺電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行的方式，稱為群拖。這時(shí)變頻器的輸出側(cè)就成了供電母線，各電動(dòng)機(jī)接受同頻率同幅值的電壓。在電動(dòng)機(jī)規(guī)格相同時(shí)，彼此間總是運(yùn)行在理想空載轉(zhuǎn)速相同、斜率也大致相同的機(jī)械特性上，當(dāng)負(fù)載大致一致時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速也大致相同。

由于矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都不能用于群拖方式，因此，群拖方式只能采用恒壓頻比控制方式。由于恒壓頻比控制方式的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)速性能都不高，且低速時(shí)帶載能力差，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低，一般應(yīng)用于調(diào)速性能要求不高的場合。另外，群拖方式下，各電動(dòng)機(jī)只是理想空載轉(zhuǎn)速一致，而實(shí)際轉(zhuǎn)速由機(jī)械特性曲線和負(fù)載力矩決定，因此，群拖方式下的各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速并不能保證完全一致，同步性不高，故群拖方式只能用于同步運(yùn)行要求不高的場合。

2.3 主從控制

2.3.1 主從控制連接方式

主從控制是為多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，每臺電機(jī)分別由單獨(dú)的變頻器控制，因此，主從控制可以采用具有轉(zhuǎn)矩控制能力的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方法。利用這個(gè)高性能的控制算法，可在同步運(yùn)行的機(jī)構(gòu)之間建立合理的負(fù)載分配關(guān)系，充分發(fā)揮各電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。主從控制連接方式一般有以下兩種：

(1)主機(jī)和從機(jī)的電機(jī)軸通過齒輪、鏈條等進(jìn)行剛性連接，如圖1(a)所示。從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式，以使傳動(dòng)單元之間平均分配負(fù)載轉(zhuǎn)矩，此時(shí)是由機(jī)械結(jié)構(gòu)保證轉(zhuǎn)速同步，由于每臺電機(jī)分別由單獨(dú)的變頻器控制，保證了各電動(dòng)機(jī)承擔(dān)的負(fù)載分配合理，防止出現(xiàn)分配轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重不平衡，甚至彼此頂?，F(xiàn)象的發(fā)生。

(2)當(dāng)主機(jī)和從機(jī)的電機(jī)軸采用柔性連接時(shí)，如圖1(b)所示。從機(jī)應(yīng)該采用速度控制方式，在這種情況下，機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能保證同步運(yùn)行的要求，由變頻器組成的傳動(dòng)系統(tǒng)除了采用速度控制方式解決轉(zhuǎn)速同步問題，同時(shí)還要利用轉(zhuǎn)矩下垂特性實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在各個(gè)電機(jī)上的平均分配。

圖2示出了轉(zhuǎn)矩下垂功能原理：用參數(shù)規(guī)定額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速差，而系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)矩和給定轉(zhuǎn)速?zèng)Q定實(shí)際的速度給定值，如式(1)所示。這樣，系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)矩情況自動(dòng)調(diào)整給定轉(zhuǎn)速，具備了速度適應(yīng)能力。因此，轉(zhuǎn)矩下垂特性允許主機(jī)和從機(jī)之間存在微小的速度差。

式中，n為實(shí)際給定轉(zhuǎn)速，n0為給定轉(zhuǎn)速，δn為轉(zhuǎn)速差，t為實(shí)際轉(zhuǎn)矩，t0為額定轉(zhuǎn)矩。