同步系統(tǒng)變頻控制與節(jié)能技術(shù)探討

0 引言

同步系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中大量存在，不同的場合對其成本、控制精度等有不同的要求。隨著對節(jié)能型社會的創(chuàng)導(dǎo)，同步系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù)也成為研究的熱點，本文正是基于這點，對同步系統(tǒng)控制技術(shù)和節(jié)能方法進行了系統(tǒng)的分析和總結(jié)，最后給出了兩個應(yīng)用實例。

1 同步系統(tǒng)的控制方法

1.1 模擬同步控制方案

圖1 為一種低成本模擬同步控制方案，通過電位器直接實現(xiàn)，由于這種方法的比例精度受電位器的影響比較大，因此，主給定電位器的阻值比從給定電位器的阻值大10 倍以上。另外，由于是電壓控制方式，所以此方案抗干擾比較差，不適合長線傳輸。改進方法如圖2 所示，采用有源電壓電流轉(zhuǎn)換器(V-I)，將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，克服了比例精度受電位器的影響和抗干擾差的缺點，是目前應(yīng)用比較多的方案。

1.2 開關(guān)量速度鏈控制

在一些干擾大的現(xiàn)場，采用模擬量進行傳輸?shù)南到y(tǒng)受干擾現(xiàn)象嚴(yán)重，可以考慮充分利用變頻器高速脈沖輸入的功能，實現(xiàn)高精度、低成本、高可靠性的控制。如圖3 所示，可以采用上述模擬量的疊加功能實現(xiàn)微調(diào)，或者采用圖3 中的up、down 電動電位計的疊加功能。具體方法是：利用PLC高速輸出口產(chǎn)生高頻脈沖，例如5 000 Hz 對應(yīng)50.00 Hz，其分辨率為0.01 Hz。根據(jù)同步的比例，設(shè)定每臺變頻器的最大頻率，就可以實現(xiàn)高精度的比例控制了。例如設(shè)k=0.6，設(shè)定該臺變頻器的最大頻率為30.00 Hz，當(dāng)PLC 輸出的高頻脈沖頻率為5 000 Hz時，對應(yīng)30.00 Hz。

1.3 通信或者現(xiàn)場總線速度鏈控制

在一些高速、高精度和自動化程度要求比較高的場合，常采用如圖4所示的通信或者現(xiàn)場總線速度鏈控制方案。通信速度鏈控制如圖4(a)所示，在臺數(shù)比較多時，由于輪詢的時間比較長，控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度比較慢，因此適合比較低速的中小系統(tǒng)應(yīng)用。另外由于動態(tài)響應(yīng)速度比較慢，不能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的動態(tài)調(diào)整，一般還需要在每臺傳動點控制柜上加裝頻率微調(diào)裝置，在負載變化比較大的場合還需要加裝動態(tài)負荷分配調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)高精度控制?，F(xiàn)場總線速度鏈控制如圖4(b)所示，適合復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用，可以根據(jù)變頻器的運行狀態(tài)參數(shù)，如電流、轉(zhuǎn)矩，動態(tài)調(diào)整頻率指令，實現(xiàn)負荷動態(tài)分配，達到高速、高性能的同步控制。現(xiàn)場總線速度鏈控制方式在控制結(jié)構(gòu)上最為簡潔，但是對編程和現(xiàn)場布線及控制柜的抗干擾處理方面更為嚴(yán)格，這是其應(yīng)用難點。

2 同步系統(tǒng)中的負荷分配控制

在同步控制系統(tǒng)中，即使在精確比例控制的前提下，還會碰到由于負載或者生產(chǎn)工藝的影響，造成實際速度的動態(tài)變化，從而導(dǎo)致生產(chǎn)物料的變形或者斷裂等。如在造紙的壓榨部中，兩臺電機由毛布實現(xiàn)直接連接，處于同一毛布圈路內(nèi)，不僅需要同步，而且需要進行負荷分配，否則會造成兩臺變頻器的過流、過壓保護等問題。解決方法之一是可以將其中一臺變頻器作為主傳動，采用基本的速度控制方式，將另外一臺變頻器作為從傳動，采用負荷分配控制。

采用速度進行負荷分配控制原理如圖5 所示。在控制中，運用變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器或者外部控制器的PID調(diào)節(jié)器，將主傳動的轉(zhuǎn)矩電流實際值作為給定值，從傳動的轉(zhuǎn)矩電流實際值作為反饋值，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后生成的值作為附加給定疊加到從傳動速度通道，從而實現(xiàn)負荷分配的過程控制。這種方式，變頻器可以工作在V/f、開環(huán)矢量或者閉環(huán)矢量控制方式。

采用轉(zhuǎn)矩控制進行負荷分配控制原理如圖6所示。主傳動工作于速度模式，從傳動變頻器工作于轉(zhuǎn)矩模式，從傳動電機必須加裝編碼器。主傳動轉(zhuǎn)矩電流實際值作為從傳動轉(zhuǎn)矩控制給定值，從而實現(xiàn)負荷分配的過程控制。為了安全，從傳動可以在轉(zhuǎn)矩控制基礎(chǔ)上，以速度指令加上一定的偏置作為從傳動變頻器的速度限幅。

3 同步系統(tǒng)的節(jié)能方法

在同步控制系統(tǒng)中，正常情況下，除要求后級與前級保持同步外，還需要保證一定的張力，這就要靠速差來達到該目的。另外由于機械系統(tǒng)的慣量，在加、減速過程和穩(wěn)速過程中均會出現(xiàn)發(fā)電運行的過電壓。針對此，對于一般的同步控制系統(tǒng)有兩種連接方法。

3.1 獨立變頻器加制動單元和制動電阻

獨立變頻器加裝制動單元和制動電阻的方案如圖7所示。

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