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(guò)程中大量存在，不同的場(chǎng)合對(duì)其成本、控制精度等有不同的要求。隨著對(duì)節(jié)能型社會(huì)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(diǎn)，本文正是基于這點(diǎn)，對(duì)同步系統(tǒng)控制技術(shù)和節(jié)能方法進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和總結(jié)，最后給出了兩個(gè)應(yīng)用實(shí)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(guò)電位器直接實(shí)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(zhǎng)線傳輸。改進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，克服了比例精度受電位器的影響和抗干擾差的缺點(diǎn)，是目前應(yīng)用比較多的方案。

1.2 開(kāi)關(guān)量速度鏈控制

在一些干擾大的現(xiàn)場(chǎng)，采用模擬量進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)微調(diào)，或者采用圖3 中的up、down 電動(dòng)電位計(jì)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(duì)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(tái)變頻器的最大頻率，就可以實(shí)現(xiàn)高精度的比例控制了。例如設(shè)k=0.6，設(shè)定該臺(tái)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(shí)，對(duì)應(yīng)30.00 Hz。

1.3 通信或者現(xiàn)場(chǎng)總線速度鏈控制

在一些高速、高精度和自動(dòng)化程度要求比較高的場(chǎng)合，常采用如圖4所示的通信或者現(xiàn)場(chǎng)總線速度鏈控制方案。通信速度鏈控制如圖4(a)所示，在臺(tái)數(shù)比較多時(shí)，由于輪詢的時(shí)間比較長(zhǎng)，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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比較慢，不能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整，一般還需要在每臺(tái)傳動(dòng)點(diǎn)控制柜上加裝頻率微調(diào)裝置，在負(fù)載變化比較大的場(chǎng)合還需要加裝動(dòng)態(tài)負(fù)荷分配調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度控制?，F(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如電流、轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)調(diào)整頻率指令，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷動(dòng)態(tài)分配，達(dá)到高速、高性能的同步控制?，F(xiàn)場(chǎng)總線速度鏈控制方式在控制結(jié)構(gòu)上最為簡(jiǎn)潔，但是對(duì)編程和現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)。

2 同步系統(tǒng)中的負(fù)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(huì)碰到由于負(fù)載或者生產(chǎn)工藝的影響，造成實(shí)際速度的動(dòng)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(tái)電機(jī)由毛布實(shí)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(jìn)行負(fù)荷分配，否則會(huì)造成兩臺(tái)變頻器的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)等問(wèn)題。解決方法之一是可以將其中一臺(tái)變頻器作為主傳動(dòng)，采用基本的速度控制方式，將另外一臺(tái)變頻器作為從傳動(dòng)，采用負(fù)荷分配控制。

采用速度進(jìn)行負(fù)荷分配控制原理如圖5 所示。在控制中，運(yùn)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(dòng)的轉(zhuǎn)矩電流實(shí)際值作為給定值，從傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩電流實(shí)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(dòng)速度通道，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配的過(guò)程控制。這種方式，變頻器可以工作在V/f、開(kāi)環(huán)矢量或者閉環(huán)矢量控制方式。

采用轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行負(fù)荷分配控制原理如圖6所示。主傳動(dòng)工作于速度模式，從傳動(dòng)變頻器工作于轉(zhuǎn)矩模式，從傳動(dòng)電機(jī)必須加裝編碼器。主傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩電流實(shí)際值作為從傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制給定值，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配的過(guò)程控制。為了安全，從傳動(dòng)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(dòng)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(jí)與前級(jí)保持同步外，還需要保證一定的張力，這就要靠速差來(lái)達(dá)到該目的。另外由于機(jī)械系統(tǒng)的慣量，在加、減速過(guò)程和穩(wěn)速過(guò)程中均會(huì)出現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行的過(guò)電壓。針對(duì)此，對(duì)于一般的同步控制系統(tǒng)有兩種連接方法。

3.1 獨(dú)立變頻器加制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻

獨(dú)立變頻器加裝制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的方案如圖7所示。

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