基于S7-200PLC文化紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

PAGEIVPAGEIII基于S7-200PLC文化紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)摘要隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制漿造紙業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要支柱，國(guó)際上先進(jìn)的造紙機(jī)都朝高效率、低消耗方向發(fā)展，這是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前國(guó)內(nèi)有很多正在運(yùn)行的造紙機(jī)在這方面則處于劣勢(shì)，有必要進(jìn)行技術(shù)改造，而對(duì)于造紙機(jī)械的廠家也必須迎頭趕上，從設(shè)計(jì)的源頭進(jìn)行性能提升。傳動(dòng)作為造紙機(jī)的核心部分，其發(fā)展要求是提高車速和自動(dòng)化程度。所以研究高性能的紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)造紙行業(yè)的發(fā)展有著極為重要的意義。本次設(shè)計(jì)的為文化紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)，用ABB變頻器和西門子PLC所組成的控制網(wǎng)絡(luò)來完成造紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的,其電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)是基于PLC控制的交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。通過本課題的設(shè)計(jì)，可以培養(yǎng)自己分析與解決問題的能力，同時(shí)也能對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用到的如：電動(dòng)機(jī)、變頻器、PLC、工控機(jī)、通訊、現(xiàn)場(chǎng)總線、觸摸屏等有更深一步的理解。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的控制方法運(yùn)用更為深入。關(guān)鍵詞：造紙機(jī)，速度鏈，分部傳動(dòng)，負(fù)荷分配

BasedontheS7-200PLCculturepapermachinetransmissioncontrolsystemhardwaredesignABSTRACTAstheworldeconomicdevelopment,pulpandpaperindustryhasbecomeanimportantpillarofindustrialgrowth,theinternationaladvancedpapermachinesinthehighefficiency,lowconsumptionanddirection,whichisthemarketcompetition.Andtherearealotofrunningthepapermachineisatadisadvantageinthisrespect,itisnecessarytoupgradethetechnologicaltransformation,andforpaper-makingmachinerymanufacturersalsomustcatchup,thesourcefromthedesigntoenhanceperformance.Driveasacorepartofthepapermachine,thedevelopmentrequirementsistoimprovethespeedandautomation.Thedesignofthepapermachinedrivecontrolsystemfortheculture,withABBDrivesandSiemensPLCcontrolnetworkconsistingofpapertocompletetheelectricalcontrolsystemdesign,theelectricdrivecontrolsystemisPLC-basedcontrolofACfrequencycontrolsystem.Throughthisprojectisdesignedtodeveloptheirownanalysisandproblemsolvingskills,butalsocanapplytoindustrialproduction,suchas:motor,inverter,PLC,industrialcomputer,communications,fieldbus,touchscreen,whicharedeeperunderstanding.MotorControlMethodsforamoreindepth.KEYWORDS:Papermachine,Speedchain,Divisiondrive,Loaddistribution

目錄TOC\o"1-3"\h\u4075摘要 I15738ABSTRACT II137341緒論 1229811.1目的和意義 1230271.2課題背景 172901.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1127051.4紙機(jī)的類型及工藝流程 2107871.5本設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 4282022變頻調(diào)速基礎(chǔ)知識(shí) 5228172.1變頻器 5297062.1.1變頻器基礎(chǔ)原理知識(shí) 5197332.1.2變頻器的組成和分類 5197282.1.3變頻器工作原理 6211212.1.4變頻器功能與控制方式 6322472.2ACS550系列變頻器 793202.2.1ACS550變頻裝置的組成和功能 7250982.2.2ACS550的構(gòu)成及功能 8214962.2.3ACS550的功能描述 811833變頻調(diào)速和直接轉(zhuǎn)矩控制 1126943.1變頻調(diào)速 11285863.1.1變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展 11246743.1.2變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成及原理 11245113.1.3變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn) 1359633.1.4變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1444013.2直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器原理 15157583.2.1直接轉(zhuǎn)矩控制的主要特點(diǎn) 15141403.2.2直接轉(zhuǎn)矩控制工作原理 15100053.2.3直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 16300343.3脈寬調(diào)試變頻器工作原理 17214874系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19133214.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 19225544.1.1硬件設(shè)計(jì)的依據(jù) 19138814.1.2系統(tǒng)原件的布置及負(fù)荷分配 20139724.1.3操作說明 20144114.1.4速度鏈控制 21291834.1.5負(fù)荷分配控制 22293884.2系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn) 23264584.2.1硬件組成及功能實(shí)現(xiàn) 23252754.2.2系統(tǒng)主要硬件選擇 30275584.2.3系統(tǒng)邏輯實(shí)現(xiàn)過程 393377結(jié)束語 4111105致謝 4224908參考文獻(xiàn) 43839附錄Ⅰ 4412944附圖Ⅰ-1 45956附圖Ⅰ-2 4622287附圖Ⅰ-3 477362附圖Ⅰ-4 484122附圖Ⅰ-5 497789附圖Ⅰ-6 5022867附圖Ⅰ-7 5123091附圖Ⅰ-8 5222858附圖Ⅰ-9 5321392附圖Ⅰ-10 5418448附圖Ⅰ-11 558903附圖Ⅰ-12 56874附圖Ⅰ-13 57726附圖Ⅰ-14 58PAGE60陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書）PAGE59基于S7200PLC文化紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1緒論1.1目的和意義本次課題主要研究基于S7-200文化紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。通過對(duì)紙機(jī)傳動(dòng)控制的研究使我們了解文化紙機(jī)傳動(dòng)的工藝與要求、掌握交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在文化紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用、掌握文化紙機(jī)變頻傳動(dòng)PLC控制的特殊問題、培養(yǎng)我們對(duì)現(xiàn)埸總線在文化紙機(jī)變頻傳動(dòng)PLC控制中的應(yīng)用和文化紙機(jī)變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了縮小我國(guó)造紙機(jī)械的裝備水平，提高我國(guó)的造紙機(jī)械加工能力和電氣控制的水平，部分引進(jìn)和消化吸收高新技術(shù)并有所創(chuàng)新，逐步提高紙機(jī)裝備國(guó)產(chǎn)化比例是較現(xiàn)實(shí)的道路。特別是盡快提高國(guó)內(nèi)紙機(jī)的自動(dòng)化水平是從事電氣控制工作的人們的職責(zé)所在。通過對(duì)本課題的設(shè)計(jì)，可以培養(yǎng)自己分析與解決問題的能力，同時(shí)也能對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用到的如：電動(dòng)機(jī)、變頻器、PLC、通訊技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線、操作屏等有更深一步的理解。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的控制方法運(yùn)用更為深入。1.2課題背景紙機(jī)變頻傳動(dòng)國(guó)外始于80年代中期，國(guó)內(nèi)大約在90年代初期。變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用在風(fēng)機(jī)水泵等領(lǐng)域取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在某些機(jī)械行業(yè)也發(fā)揮了重要作用。造紙機(jī)是一種負(fù)載基本恒定、轉(zhuǎn)速恒定的穩(wěn)速系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)是要求速度長(zhǎng)期穩(wěn)定，同時(shí)要求動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間盡可能短。因此，紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)要求的是高穩(wěn)定性和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。進(jìn)入90年代，國(guó)內(nèi)一些中小紙廠對(duì)紙機(jī)變頻調(diào)速由嘗試到廣泛應(yīng)用，使得這些企業(yè)確實(shí)收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r造紙產(chǎn)業(yè)是一個(gè)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)文明建設(shè)息息相關(guān)的重要產(chǎn)業(yè)。近幾十年，世界各國(guó)工業(yè)向著大型化、連續(xù)好和綜合化的方向發(fā)展。為了提高競(jìng)爭(zhēng)能力，造紙工業(yè)正在不斷地提高自動(dòng)化水平，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源和增強(qiáng)企業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。造紙工業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)決定了其控制的復(fù)雜性。目前，世界發(fā)達(dá)國(guó)家造紙企業(yè)依靠科技創(chuàng)新，調(diào)整技術(shù)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化科技資源配置、廣泛使用信息網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化控制等技術(shù)使造紙的技術(shù)集成化程度和自動(dòng)化程度大大提高，制漿、造紙?jiān)O(shè)備也向著大型化、自動(dòng)化、高效化方向發(fā)展。我國(guó)是一個(gè)消費(fèi)紙的大國(guó)，造紙產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。目前，我國(guó)造紙工業(yè)的特點(diǎn)是：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動(dòng)力密集型、技術(shù)密集型產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家、生產(chǎn)要素決定性作用正在削弱、產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴(yán)重、對(duì)自然資源破壞力大、企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。近十幾年以來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高，我國(guó)造紙工業(yè)也取得了快速的發(fā)展。我國(guó)造紙工業(yè)國(guó)際化、集中化、專業(yè)化的格局已初步形成，而且國(guó)內(nèi)許多造紙企業(yè)引進(jìn)了很多國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)裝備，國(guó)內(nèi)許多大的造紙企業(yè)已經(jīng)完全與國(guó)際接軌。這都是我國(guó)造紙工業(yè)國(guó)際化的趨勢(shì)。各個(gè)造紙企業(yè)都在向生產(chǎn)名牌專業(yè)產(chǎn)品而努力。但是從世界范圍看，雖然可以說我國(guó)已經(jīng)是一個(gè)造紙大國(guó)，但并不是一個(gè)造紙強(qiáng)國(guó)。目前我國(guó)的造紙企業(yè)約有幾千家，雖然涌現(xiàn)出一批國(guó)內(nèi)甚至國(guó)際出名的造紙企業(yè)，但絕大多數(shù)企業(yè)由于歷史原因，規(guī)模偏小，技術(shù)和裝備落后，生產(chǎn)和管理水平低，環(huán)境污染嚴(yán)重，再加上原料結(jié)構(gòu)不合理，以及其他一些客觀因素的影響，紙張產(chǎn)品質(zhì)量差、檔次低，原材料消耗大、成本高，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。因此全面提升我國(guó)造紙行業(yè)整體的管理、裝備和自動(dòng)化水平，使我國(guó)造紙行業(yè)進(jìn)入低污染、低消耗、高效益的強(qiáng)國(guó)之列。為了適應(yīng)紙機(jī)不斷向高速、寬幅發(fā)展的需求，造紙機(jī)傳動(dòng)形式也在更新。并隨著紙機(jī)更高功能需求、控制精度、系統(tǒng)可靠性和功能化以及降低運(yùn)行周期成本變化而變化。概括地將造紙機(jī)傳動(dòng)形式經(jīng)歷了四大階段和各自的特點(diǎn)。(1)交直流總軸傳動(dòng)階段。在該傳動(dòng)形式下，各個(gè)分部的傳動(dòng)比例分配是靠機(jī)械調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。該傳動(dòng)形式的結(jié)夠復(fù)雜、占地面積大、效率低。(2)直流分部傳動(dòng)階段。當(dāng)直流控制理論與控制技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成熟可控硅的制造技術(shù)已經(jīng)成熟的情況下逐步發(fā)展起來的。其控制精度可滿足紙機(jī)對(duì)傳動(dòng)控制的需要。(3)交流變頻分部傳動(dòng)階段。交流變頻技術(shù)是應(yīng)實(shí)際中交流電機(jī)無級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。并隨著新的控制理論和技術(shù)如：矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、無速度傳感器控制及基于模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制等理論的逐步完善，使交流變頻技術(shù)日益成熟。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在許多性能指標(biāo)如：調(diào)速范圍、調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、零速轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)、運(yùn)行效率和使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)單等中有些方面甚至超過了直流調(diào)速系統(tǒng)。因此在許多領(lǐng)域交流變頻調(diào)速系統(tǒng)有逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用。(4)交流變頻分部直接傳動(dòng)階段。該階段是在對(duì)紙機(jī)傳動(dòng)形式和對(duì)紙機(jī)傳動(dòng)特性的深入研究探討和實(shí)際紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的。它是在大功率電機(jī)和大功率變頻單元的日益成熟的前提下，為適應(yīng)紙機(jī)傳動(dòng)的高穩(wěn)態(tài)性和高動(dòng)態(tài)性而采用的方案。該傳動(dòng)控制方式已經(jīng)被ABB公司成功地運(yùn)用到大型高速紙機(jī)的傳動(dòng)中，使用效果是非常理想的。現(xiàn)在正被大力使用。1.4紙機(jī)的類型及工藝流程按造紙機(jī)網(wǎng)部結(jié)構(gòu)的不同，造紙機(jī)[1]有下列幾種主要的類型：長(zhǎng)網(wǎng)類型、圓網(wǎng)類型、夾網(wǎng)類型、疊網(wǎng)類型和帶有飾面輥等一些結(jié)構(gòu)比較特殊的造紙機(jī)網(wǎng)造紙機(jī)是造紙工業(yè)中最廣泛使用的一種造紙機(jī)。造紙機(jī)可以看作是一種由多臺(tái)設(shè)備組成的聯(lián)動(dòng)機(jī)。通?？煞譃闈癫亢透刹?jī)纱蟛糠?。濕部包括漿料流送設(shè)備、網(wǎng)部和壓榨部；干部包括干燥部、壓光機(jī)和卷紙機(jī)。經(jīng)過配漿、施膠、加填和凈化以后，具有適于抄紙的性能的漿料，在0.3～1.3%的濃度下進(jìn)入造紙機(jī)的漿料流送設(shè)備。在這里，紙料經(jīng)過漿流分布器和流漿箱對(duì)漿流的分布和勻整以后，均勻而穩(wěn)定地流送到運(yùn)動(dòng)著的成形網(wǎng)的網(wǎng)面上。漿流在網(wǎng)案的胸輥中心線附近上網(wǎng)以后，逐漸地過濾、脫水，形成連續(xù)的濕的紙幅。網(wǎng)案上通常設(shè)有案輥、真空吸水箱、伏輥等成形-脫水元件。當(dāng)濕紙幅脫水到一定干度(通常是20%左右)，便可以從網(wǎng)面剝離，送至壓榨部繼續(xù)脫水。造紙機(jī)的壓榨部是由若干組輥式壓榨組成。濕紙幅是由壓榨毛毯支托著，在壓輥間用機(jī)械擠壓的方法脫水的。為了保持壓榨毛毯的良好脫水性能，壓榨上輥配設(shè)有毛毯洗滌裝置。經(jīng)壓榨部后，濕紙幅的干度一般可達(dá)40%左右。濕紙幅在紙機(jī)上進(jìn)一步脫水，通常是用加熱蒸發(fā)干燥的方法。造紙機(jī)的干燥部通常是由許多用蒸汽從內(nèi)部加熱的烘缸組成。烘缸上包覆著干毯(或帆布、干網(wǎng))，目的是將紙幅緊壓到缸面上，提高傳熱效率和增進(jìn)紙幅的表面質(zhì)量。干燥后，通常使用由6～8輥組成的壓光機(jī)來提高紙幅表面質(zhì)量。最后用卷紙機(jī)卷成紙筒，供整飾工段進(jìn)一步加工使用。長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)的用途廣泛，可以生產(chǎn)絕大多數(shù)品種的紙張。小型長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)的生產(chǎn)能力每天只有數(shù)噸大型長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)的日產(chǎn)量可達(dá)500噸以上。各種用途和大小的長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)基本上是類似的，它們有相同的工作原理和相似的結(jié)構(gòu)組成，只是由于生產(chǎn)能力和產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)上有一些局部的差異。長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)的傳動(dòng)點(diǎn)依據(jù)紙機(jī)的大小不同而配置不同。小型紙機(jī)只有一個(gè)主傳動(dòng)點(diǎn)，真空伏輥，此類紙機(jī)傳動(dòng)比較容易控制，沒有特殊要求。中大型紙機(jī)網(wǎng)部采用多電機(jī)傳動(dòng)，主傳動(dòng)點(diǎn)有真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥，有些紙機(jī)還有導(dǎo)網(wǎng)輥傳動(dòng)。這類紙機(jī)在傳動(dòng)控制中應(yīng)設(shè)有負(fù)荷分配。網(wǎng)部負(fù)荷變化在造紙機(jī)中是最劇烈、最大的，所以網(wǎng)部負(fù)荷分配控制比較復(fù)雜。網(wǎng)部真空伏輥包角比較小，在沒有開真空度時(shí)與網(wǎng)摩擦力較小，而且上漿后真空度的變化引起負(fù)荷的變化，會(huì)造成打滑現(xiàn)象。當(dāng)網(wǎng)較為松弛時(shí)，負(fù)荷分配調(diào)節(jié)有可能造成驅(qū)網(wǎng)輥打滑。所以網(wǎng)部負(fù)荷分配應(yīng)充分考慮到這幾種工作狀態(tài)，必須設(shè)置負(fù)荷不平衡度限制和速度限幅保護(hù)功能。有導(dǎo)網(wǎng)輥的紙機(jī)由于導(dǎo)網(wǎng)輥傳動(dòng)功率在網(wǎng)部所占比例非常小，不能讓其參與負(fù)荷分配運(yùn)算，只能把其當(dāng)作從機(jī)，利用軟特性和負(fù)荷分配調(diào)節(jié)配合完成負(fù)荷分配功能。圓網(wǎng)造紙機(jī)與長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)的組成基本相同，也是由網(wǎng)部、壓榨部、干燥部和卷紙機(jī)等組成。與長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)不同之處，主要是在于網(wǎng)部是主網(wǎng)籠和網(wǎng)槽組成。圓網(wǎng)造紙機(jī)在國(guó)內(nèi)小型造紙廠中被廣泛地采用。它主要是用來生產(chǎn)一些質(zhì)量要求不高、定量較低的紙張，如有光紙、郵封紙、火柴紙和一般的文化、印刷用紙等，多圓網(wǎng)多烘缸紙機(jī)廣泛地用在紙板的生產(chǎn)中，并在造紙工業(yè)中用來生產(chǎn)某些定量較大的繪圖紙、卡片紙等。復(fù)合造紙機(jī)，使用上述各類型造紙機(jī)的網(wǎng)部，即使用不同型式的紙幅成形裝置所組合起來的造紙機(jī)，都可以稱為復(fù)合造紙機(jī)。根據(jù)產(chǎn)品的需要，復(fù)合造紙機(jī)有很多可能的組合形式?，F(xiàn)在最常見的是由多個(gè)圓網(wǎng)和一個(gè)長(zhǎng)網(wǎng)組合成的紙機(jī)它常用來生產(chǎn)多層板紙。通常是用質(zhì)量較差的漿料在圓網(wǎng)上抄造板紙的內(nèi)層，用質(zhì)量較好的漿料在長(zhǎng)網(wǎng)上抄成板紙的面層，兩種濕的紙層復(fù)合在一起后，可以得到具有良好表面質(zhì)量的板紙。1.5本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)本課題主要對(duì)文化紙機(jī)硬件傳動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及各部分原理的了解和紙機(jī)速度鏈、負(fù)荷分配等功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。通過對(duì)文化紙機(jī)變頻傳的工藝、工業(yè)控制現(xiàn)埸總線在文化紙機(jī)變頻傳動(dòng)中的應(yīng)用、文化紙機(jī)變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)特殊問題的了解，對(duì)本課題有一個(gè)全面的掌握。紙機(jī)的基本組成部分按照紙張成型的順序分為網(wǎng)部、壓榨、前干燥、后壓榨、后干燥、壓光機(jī)、卷紙機(jī)等。本課題設(shè)計(jì)主要基于文化紙機(jī)網(wǎng)部和壓榨部的傳動(dòng)控制，采用交流多點(diǎn)傳動(dòng)方式。為了防止紙張?jiān)趥鲃?dòng)過程中出現(xiàn)斷裂、卷曲、褶皺、壓痕等問題。本課題主要在傳動(dòng)過程部分進(jìn)行高精度的速度控制（速度鏈問題），以達(dá)到高質(zhì)量的延伸特性。紙機(jī)各部分之間的張力控制，以使紙機(jī)生產(chǎn)線對(duì)應(yīng)于脫水及干燥度等工藝參數(shù)，從而保證了紙張按成紙方向所限定的伸展率進(jìn)行延伸。在造紙機(jī)壓榨、壓光部等控制中，需要采取負(fù)荷配比控制方式。在紙機(jī)的網(wǎng)部等多傳動(dòng)網(wǎng)控制中需要有靜態(tài)補(bǔ)償控制。同時(shí)還要解決西門子S7-200PLC與ABB公司的ACS550變頻工摸屏之間的通訊方式和控制程序等。

2變頻調(diào)速基礎(chǔ)知識(shí)2.1變頻器2.1.1變頻器基礎(chǔ)原理知識(shí)變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。國(guó)內(nèi)技術(shù)較領(lǐng)先的品牌有英威騰、匯川、三晶、紫日電器科技公司、雷諾爾、歐瑞(原煙臺(tái)惠豐)、藍(lán)海華騰。2.1.2變頻器的組成和分類控制電路：控制電路完成對(duì)主電路的控制。它將信號(hào)傳給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)接受來自這些部分的信號(hào)。整流器:整流器與單相或三相電源連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電壓，將交流變換為直流。中間電路：直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波。將整流電壓變換成直流電流；使脈動(dòng)的直流電壓變得穩(wěn)定平滑，供逆變器使用。逆變器：逆變器產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)電壓的頻率，逆變電路將直流電再逆變?yōu)榻涣麟姟Ｒ话愕娜嘧冾l器[2]的整流電路由三相橋式全控整流橋組成。它的主要作用是對(duì)工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路的主要分類有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。直流中間電路的作用是對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路和控制電路能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。此外，由于電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要，在直流中間電路中有時(shí)還包括制動(dòng)電阻以及其他輔助電路。逆變電路是變頻器主要的部分之一。它是利用六個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載，無論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)還是發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，變頻器功率因素總不會(huì)為1。因此，在直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換，這種無功能量就靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來緩沖。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。變頻器的分類變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。2.1.3變頻器工作原理主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的整流器，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源?，F(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成的。整流電路：VD1-VD6六個(gè)整流二極管組成不可控全波整流橋。對(duì)于380V額定電源，一般二極管反向耐壓值應(yīng)選1200V，二極管正向電流為電機(jī)額定電流1.414-2倍。2.1.4變頻器功能與控制方式自70年代初產(chǎn)生的變頻器調(diào)速技術(shù)，經(jīng)過30年的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)理論上成熟，技術(shù)上完善的電力拖動(dòng)控制設(shè)備。但是，不論技術(shù)上如何變化，變頻器本質(zhì)上的功能不會(huì)變化，基本原理和基本功能不會(huì)變化。例如最初的變頻器電壓和頻率的控制規(guī)律簡(jiǎn)稱V/F曲線是由設(shè)定的電壓/頻率曲線或圖形來表示和實(shí)現(xiàn)的。而現(xiàn)在的變頻器則大多以轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、轉(zhuǎn)矩提升等形式給出，雖然沒有原來那樣直觀但是卻增加了許多智能化的成分。例如，確定的V/F曲線，可以理解為就是一個(gè)變頻電源，至于實(shí)際的電機(jī)運(yùn)行情況變頻器是不予理會(huì)的。而轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)差補(bǔ)償就不一樣了，他是一種實(shí)時(shí)計(jì)算過程，根據(jù)預(yù)先輸入的電機(jī)參數(shù)通過電機(jī)模型計(jì)算電機(jī)應(yīng)有的電流和轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)矩控制輸出電壓和頻率。只要電機(jī)參數(shù)基本準(zhǔn)確，這種補(bǔ)償比起V/F控制要先進(jìn)多了，理論上說可以實(shí)現(xiàn)真正的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。但是，這種功能對(duì)于使用者來說需要對(duì)變頻器原理和自動(dòng)控制原理方面的知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。因?yàn)樵O(shè)定和使用這些參數(shù)發(fā)揮最佳效果必須經(jīng)過試驗(yàn)和反復(fù)調(diào)整，如果設(shè)定不好可能還不如簡(jiǎn)單的V/F曲線好。變頻器的常見的幾種控制方式如下：1)U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式的特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。2)電壓空間矢量（SVPWM）控制方式電壓空間矢量（SVPWM）控制方式是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。3)矢量控制（VC）方式矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1（Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。以上問題都有各自更深層次的理論和具體的技術(shù)問題，提出的目的在于提醒決策人員了解系統(tǒng)和變頻器二者之間的關(guān)系，清楚各種控制方式及相互的區(qū)別和含義，不要盲目追求變頻器的性能或?qū)δ承┎粶?zhǔn)確的產(chǎn)品宣傳，而輕視諸如電機(jī)和負(fù)載及給定反饋等因素，導(dǎo)致系統(tǒng)性能達(dá)不到應(yīng)有的指標(biāo)?；虿桓鶕?jù)負(fù)載和使用情況采用一些不適當(dāng)?shù)呐渲?，投資增加卻沒有應(yīng)有的效果。2.2ACS550系列變頻器2.2.1ACS550變頻裝置的組成和功能ACS550變頻器安裝于一個(gè)拼裝柜內(nèi)，門上裝有控制盤安裝組件及狀態(tài)指示燈，柜體內(nèi)配置了電源輸入熔斷隔離開關(guān)，含快速ACS550變頻器安裝于一個(gè)拼裝柜內(nèi)，門上裝有控制盤安裝組件及狀態(tài)指示燈，柜體內(nèi)配置了電源輸入熔斷隔離開關(guān)，含快速熔斷器，并配有操縱手柄，具有隔離和短路保護(hù)雙重功能；同時(shí)還配置進(jìn)線接觸器，控制邏輯回路等所需的設(shè)備，以利于系統(tǒng)更安全、可靠的運(yùn)行柄，具有隔離和短路保護(hù)雙重功能；同時(shí)還配置進(jìn)線接觸器控制邏輯回路等所需的設(shè)備，以利于系統(tǒng)更安全、可靠的運(yùn)行。2.2.2ACS550的構(gòu)成及功能ACS550是ABB公司標(biāo)準(zhǔn)型的無傳感器矢量控制全數(shù)字交流變頻器，它能夠沒有光碼盤或測(cè)速電機(jī)的反饋的條件下，精確控制任何標(biāo)準(zhǔn)鼠籠電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。ACS550標(biāo)準(zhǔn)變頻器模塊從0.75KW至110KW所有功率范圍都是IGBT功率模塊，并且在變頻器內(nèi)部設(shè)置了直流擺式電抗器（0.75KW-37KW）或進(jìn)線電抗器(45KW-110KW)，從而有效地抑制了高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響；ACS550緊湊型的設(shè)計(jì)已經(jīng)標(biāo)配了適用于第一及第二環(huán)境的RFI濾波器，而無需任何額外的外部濾波器就可滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)；ACS550還內(nèi)置了使用RS485協(xié)議的Modbus接口，可以很方便地與PLC或計(jì)算機(jī)通訊。同時(shí)ACS550內(nèi)部還可以安裝三種類型的可選模塊：I/O擴(kuò)展模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線適配器、脈沖編碼器接口模塊等。在大多數(shù)應(yīng)用中，ACS550所具有的磁通制動(dòng)功能可以滿足系統(tǒng)快速停車的應(yīng)用需要；如果系統(tǒng)需要頻繁起制動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)，ACS550也可內(nèi)置制動(dòng)斬波器（可選）和制動(dòng)電阻以實(shí)現(xiàn)有效的制動(dòng)功率。ACS550變頻器滿足多種應(yīng)用要求，從最簡(jiǎn)單的到最復(fù)雜要求的應(yīng)用。2.2.3ACS550的功能描述ACS550矢量控制的變頻器是全數(shù)字技術(shù)的有電壓中間回路的變頻器，它具有電機(jī)辨識(shí)運(yùn)行功能，此功能在變頻器初次驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，控制電機(jī)的運(yùn)行，創(chuàng)建電機(jī)模型，從而達(dá)到辨識(shí)電機(jī)特性，優(yōu)化控制的目的。因此ACS550適用于風(fēng)機(jī)、水泵和恒轉(zhuǎn)矩等各種變速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用合。ACS550還預(yù)置了八種應(yīng)用宏，用戶可根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需要選擇不同的應(yīng)用宏，ACS550將自動(dòng)管理輸入輸出和信號(hào)處理的配置，其靈活性提供了廣泛應(yīng)用的可能性。1）助手型控制盤ACS550助手型控制盤具有下列性能：*啟動(dòng)向?qū)А?dòng)向?qū)?huì)引導(dǎo)用戶完成所有的調(diào)試步驟·語言的選擇·電機(jī)參數(shù)的設(shè)置·應(yīng)用宏及I/O口的設(shè)置·PID調(diào)節(jié)器自優(yōu)化·相關(guān)參數(shù)的其他應(yīng)用，如危險(xiǎn)頻率段的設(shè)置或恒定速度的設(shè)置。*維護(hù)助手根據(jù)所選擇的維護(hù)基準(zhǔn)：千瓦時(shí)（Kwh）/運(yùn)行時(shí)間/電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，設(shè)置預(yù)維護(hù)功能·用戶可以建立相關(guān)的應(yīng)用或機(jī)械報(bào)警·報(bào)警可以通過控制盤顯示或繼電器輸出報(bào)警*診斷助手當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，通過help鍵顯示故障信息及維護(hù)建議*與變頻器的連接可隨時(shí)插拔*拷貝功能可實(shí)現(xiàn)將參數(shù)復(fù)制到控制盤的存儲(chǔ)器中，可用于備份或拷貝參數(shù)到其他的ACS550上去*時(shí)鐘功能·可以按照預(yù)先時(shí)間改變給定值·顯示故障發(fā)生的時(shí)間·備份電池可用10年傳動(dòng)優(yōu)化功能

通過傳動(dòng)優(yōu)化功能可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效、低噪、穩(wěn)定控制

·可改變恒壓頻比U/F

·改變IGBT的開關(guān)頻率

·磁通優(yōu)化

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依據(jù)實(shí)際負(fù)載的變化，改變磁通的幅值3）應(yīng)用宏ACS550內(nèi)置了八種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用宏：·ABB標(biāo)準(zhǔn)宏–通常方案·3–線型–用于瞬時(shí)型按鍵控制的場(chǎng)合·交變型–提供了一種特別的I/O配置·電動(dòng)電位器–提供了與PLC相連接的經(jīng)濟(jì)型接口·手動(dòng)/自動(dòng)–提供了典型的HVAC的I/O配置·PID控制–用于多種閉環(huán)控制系統(tǒng)·PFC宏–用于泵和風(fēng)機(jī)控制的應(yīng)用·轉(zhuǎn)矩控制–用于要求對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制的場(chǎng)合標(biāo)準(zhǔn)I/O板OMIO包括：·2路電壓/電流模擬輸入，0…10V/0(4)…20mA/10bits·2路電流模擬輸出，0(4)…20mA/10bits·6路數(shù)字輸入，+24V·3路繼電輸出，2A/250VACor2A/30VDC5）可編程的故障保護(hù)功能：·外部故障功能--帶有外部故障功能，通過定義一個(gè)數(shù)字輸入口作為外部聯(lián)鎖信號(hào)輸入，可以監(jiān)視外部故障?！る姍C(jī)過熱保護(hù)--可以激活電機(jī)過熱保護(hù)功能并選擇一種電機(jī)過熱保護(hù)模式來保護(hù)電機(jī)防止過熱。電機(jī)過熱保護(hù)模式一種是基于電機(jī)溫度熱模型，另一種是基于電機(jī)溫度傳感器元件過溫指示。·堵轉(zhuǎn)功能--變頻器在電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)保護(hù)電機(jī)?？梢哉{(diào)整監(jiān)視極限(頻率，時(shí)間)，選擇傳動(dòng)如何動(dòng)作(警告顯示/故障顯示和停止傳動(dòng)/不反應(yīng))?！ねㄓ嵐收瞎δ?-通訊故障功能監(jiān)測(cè)逆變器與外部控制設(shè)備(如現(xiàn)場(chǎng)總線適配器模塊)之間的通訊。用戶可以定義通訊丟失時(shí)傳動(dòng)的動(dòng)作，以及設(shè)定動(dòng)作的延時(shí)。用戶還可以定義傳動(dòng)單元中的I/O接口指示通訊連接的是否處于故障狀態(tài)。.ACS550技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)線電源：三相供電電壓：U3IN=380…480V±10%/-15頻率：0-500Hz；功率因數(shù)：cosf1=0.98；效率：額定效率時(shí)：＞98%；可能的短路電流:如果主電源電纜使用合適的熔斷器進(jìn)行保護(hù)，進(jìn)線側(cè)允許的最大可能的短路電流是65kA；電網(wǎng)頻率：48至63Hz，最大變化速率為17%/s；電網(wǎng)不平衡度：最大為電網(wǎng)線電壓的±3%；過載容量(最高環(huán)境溫度40o時(shí))：正常使用1.1xI2N，每10分鐘過載1分鐘重負(fù)荷使用1.5xI2hd，每10分鐘過載1分鐘，保持1.8xI2hd，每60秒過載2秒。7)應(yīng)用宏的選擇所謂應(yīng)用宏就是根據(jù)變頻器在一些常用的場(chǎng)合中所需的一些功能在出廠時(shí)已經(jīng)經(jīng)過預(yù)編程的參數(shù)集。利用這些應(yīng)用宏用戶可以快速完成對(duì)變頻器的直動(dòng)。ABB600系列變頻器的應(yīng)用宏有以下幾種：（1）Factory（工廠宏）(2)Hand/Autoctrl(手動(dòng)/自動(dòng)宏)（3）PIDcontrol(PID控制宏)（4）sequentialcontrol（順序控制宏）(5)Torquecontrol（轉(zhuǎn)矩控制宏）。用戶以根據(jù)需要選擇應(yīng)用宏。例如在利用變頻做壓力或流量控制系統(tǒng)中，就可以用PID控制宏實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

3變頻調(diào)速和直接轉(zhuǎn)矩控制3.1變頻調(diào)速3.1.1變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展紙機(jī)變頻傳動(dòng)技術(shù)[4]水平是和變頻器的技術(shù)發(fā)展水平緊密相關(guān)的，由80年代中期變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段以來，變頻調(diào)速紙機(jī)系統(tǒng)也在不斷發(fā)展變化，在90年代初期，由于變頻器自身及應(yīng)用水平的局限。大部分紙機(jī)傳動(dòng)是以開環(huán)和單機(jī)運(yùn)行的方式工作的。有一部分紙機(jī)雖然設(shè)計(jì)成了閉環(huán)系統(tǒng)，但是由于各種原因，最終大部分仍以開環(huán)運(yùn)行。而組成DCS網(wǎng)絡(luò)形成的控制系統(tǒng)和PLC工控機(jī)等現(xiàn)代技術(shù)的引進(jìn)則是90年代中期以后。3.1.2變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成及原理變頻器是變頻調(diào)速的核心，也是構(gòu)成大型復(fù)雜傳動(dòng)系統(tǒng)的基本單元，變頻器實(shí)際上就是把固定電壓，固定頻率的交流變換成可調(diào)電壓和頻率的交流電的變換器。變換過程有中間直流環(huán)節(jié)的稱為交—直—交變頻，沒有直流環(huán)節(jié)的稱為交—交變頻。直流可以認(rèn)為是頻率為零的交流，按傳統(tǒng)理解，交流變成直流叫整流（AC-DC變換），而直流變成交流叫逆變（DC-AC變換），所以變頻器就叫AC-AC或AC-DC-AC變換器。變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成和控制結(jié)構(gòu)依然可以仿照直流系統(tǒng)的形式分為電源，反饋和控制三大部分。只不過人們習(xí)慣上把交流到直流的變換稱為整流，把直流到交流的變換稱為逆變。因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)就是由逆變單元或逆變器，反饋系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制單元組成的一個(gè)交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1變頻傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖變頻調(diào)速系統(tǒng)通過預(yù)先設(shè)定給定值控制控制器，控制器控制變頻部分，即控制整流電路、逆變電路的可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而使電動(dòng)機(jī)的輸入電源頻率與電壓得到控制。變頻調(diào)速的原理：當(dāng)在一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組上加上三相交流電壓時(shí)，該電壓將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其速度由定子電壓的頻率所決定。當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，位于該磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)子繞組將切割磁力線，并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，而此感應(yīng)電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力，即轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)將三相異步電動(dòng)機(jī)繞組的任意兩相進(jìn)行交換時(shí)，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向?qū)l(fā)生改變。因此，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。異步電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)和電源頻率所決定：n0=60f/p（3-1）其中n0——電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；f—供電電源頻率（Hz）；p—電機(jī)定子磁極對(duì)數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可由下式給出：n=n0(1-s)=60f(1-s)/p（3-2）式中n—電機(jī)實(shí)際速度；s—轉(zhuǎn)差率（同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，s=0）。由式（3-2）可知，改變參數(shù)f和s中的任意一個(gè)就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。因此可以通過改變?cè)撾娫吹念l率來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。從某種意義上說，變頻器就是一個(gè)可以任意改變頻率的交流電源。在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持每極磁通量Φm，為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的磁心，是一種浪費(fèi)；若要增大磁通，又會(huì)使磁通飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)來說，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合理，保持Φm不變時(shí)很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)為(3-3)式中E1氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值；f——定子頻率；w——定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；fr1——基波繞組因數(shù)；Φm——每相氣隙磁通量。由公式可知。只要控制好E和f便可以控制磁通Φm不變。需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況：a）基頻以下調(diào)速：即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)。由上式可知，要保持Φm不變，但頻率f從額定值fm向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低E1。然而繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以控制的，但電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓U=E，則得U/f=常值。低頻時(shí)，U和Eg都較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能再忽略。這時(shí),可以人為的把電壓U抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性為b線，無補(bǔ)償?shù)臑閍線。如圖3-2所示。U端子相電壓UmabOfmf頻率圖3-2基頻以下調(diào)速恒壓頻比控制特性b）基頻以上調(diào)速：在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從fm往上增加，但電壓U與頻率成反比的降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電機(jī)的變頻調(diào)速特性，如圖3-3。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容許的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。U/定子電壓恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒功率調(diào)速UmU1Ofmf頻率圖3-3基頻以上調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性3.1.3變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)變頻調(diào)速相對(duì)于直流調(diào)速來說，有其自己的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。交流變頻傳動(dòng)和直流傳動(dòng)從本質(zhì)上說是輸出值即轉(zhuǎn)速和給定值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的區(qū)別。直流傳動(dòng)由于電機(jī)是電壓控制裝置，所以不論產(chǎn)生電壓的控制信號(hào)是否為數(shù)字量，到電機(jī)端電壓上的只能是模擬量，這就導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)速受到電網(wǎng)電壓或任何引起電壓波動(dòng)的因素干擾。因此，在開環(huán)運(yùn)行時(shí)，直流傳動(dòng)很難滿足造紙的生產(chǎn)要求。交流傳動(dòng)的給定頻率是一個(gè)和電壓成比例的數(shù)字量，在電壓變化不大的范圍內(nèi)，可以認(rèn)為速度和電壓無關(guān)，而僅取決于給定數(shù)字量的頻率值。因而交流傳動(dòng)的開環(huán)精度和穩(wěn)定性明顯高于直流傳動(dòng)。對(duì)造紙機(jī)而言，在一定的工藝條件下，最主要的是保證速度的穩(wěn)定性。引起速度變化的外界因素來自兩方面：紙機(jī)內(nèi)部條件的變化和外部電網(wǎng)的波動(dòng)。一般來說外部電網(wǎng)的波動(dòng)可以控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)干擾比較小。對(duì)傳動(dòng)速度干擾主要來自紙機(jī)的內(nèi)部條件的變化，如真空度的波動(dòng)，漿原料成分的波動(dòng)以及壓榨輥壓力波動(dòng)等。直流傳動(dòng)采用的是直流電動(dòng)機(jī)，而直流電動(dòng)機(jī)的主回路功率流入的是轉(zhuǎn)子，所以散熱比較困難，再加上直流電動(dòng)機(jī)的換向器、減速箱等均為易損件，這就使直流電動(dòng)機(jī)的故障大大高于交流電動(dòng)機(jī)，從而使直流傳動(dòng)方式的維護(hù)工作大大增加，從而影響了紙機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行。造紙廠24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，這樣一臺(tái)電機(jī)的故障就有可能導(dǎo)致整條生產(chǎn)線的停產(chǎn)，就有可能使?jié){料流失、產(chǎn)品報(bào)廢、連續(xù)生產(chǎn)過程被中斷。由于恢復(fù)正常生產(chǎn)秩序需要較長(zhǎng)時(shí)間，因而每次故障停機(jī)都將使工廠蒙受較大經(jīng)濟(jì)損失。面對(duì)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的種種優(yōu)勢(shì)，交流傳動(dòng)系統(tǒng)取代直流傳動(dòng)系統(tǒng)，成為各類紙機(jī)首選的傳動(dòng)系統(tǒng)，就不難理解了。概括起來變頻調(diào)速的特點(diǎn)如下a)調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高；b)調(diào)速范圍較大，精度高；c)起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯；d)于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化；e)變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡(jiǎn)便；f)必須有專門的變頻電源，目前造價(jià)較高；g)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過載能力大為降低；h)內(nèi)設(shè)功能多，可滿足不同工藝要求。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能可靠、匹配完善、價(jià)格便宜的變頻器會(huì)不斷出現(xiàn)，交流變頻調(diào)速技術(shù)會(huì)得到更為廣泛、普遍的應(yīng)用，這一方法將是異步電機(jī)最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。3.1.4變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)對(duì)于任何一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的性能指標(biāo)不外乎有以下幾個(gè)：a）穩(wěn)態(tài)特性，如靜差率、調(diào)速范圍、穩(wěn)定度、最大轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等；b）動(dòng)態(tài)特性，如上升時(shí)間、超調(diào)量、動(dòng)態(tài)速降、恢復(fù)時(shí)間等。但是，這些指標(biāo)必須是在確定的電機(jī)和負(fù)載及變頻器的情況下才存在的。有些宣傳變頻器的廣告把本應(yīng)在系統(tǒng)中存在的指標(biāo)也納入到變頻器的性能中去，這是不正確的。例如零速轉(zhuǎn)矩或堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為某某值，最常見的提法就是以百分?jǐn)?shù)形式給出，如150%，200%額定轉(zhuǎn)矩等。實(shí)際上決定轉(zhuǎn)矩的主要因素是電機(jī)，他的效率，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等。其次是變頻器，他可以輸出的最大電流及電流的波形等。而單獨(dú)對(duì)變頻器而言，僅存在電流的大小和波形的質(zhì)量問題，嚴(yán)格講和轉(zhuǎn)矩是無關(guān)的。所以，零速轉(zhuǎn)矩的提法不確切不合理。實(shí)際上用戶只需要知道最低頻率下變頻器能夠輸出的電流是多少就可以了，頻率越低，輸出電流越大越好。再一個(gè)就是波形越接近正弦越好，高次諧波越少越好。還有調(diào)速范圍也不是變頻器自身所能決定的，很大程度上和電機(jī)及負(fù)載有關(guān)。變頻器只有輸出頻率的范圍而沒有調(diào)速范圍的概念。如果考慮加上反饋和電機(jī)及負(fù)載的特性在內(nèi)，調(diào)速范圍的概念也還要和系統(tǒng)所要求的穩(wěn)速指標(biāo)相聯(lián)系。一般來說穩(wěn)速精度指標(biāo)越高，調(diào)速范圍就越小。3.2直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器原理3.2.1直接轉(zhuǎn)矩控制的主要特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制[3]變頻調(diào)速技術(shù)，是繼矢量控制方法提出后于80年代由德國(guó)Depenbrock教授等人提出的一種新的變頻調(diào)速控制技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制理論從控制思想上放棄了矢量控制理論中模仿直流電機(jī)控制，而采用的是解耦和雙閉環(huán)控制概念。而是從轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生到控制的角度，通過對(duì)電壓矢量的實(shí)時(shí)控制而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。因此這種方法和矢量控制相比又簡(jiǎn)潔明了得多，而且控制性能甚至超過矢量控制。其主要特點(diǎn)為a)直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)做比較、等效、轉(zhuǎn)化；既不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)交換等復(fù)雜的變換與計(jì)算。因此，它所需要的信號(hào)處理工作特別簡(jiǎn)單，所用的控制信號(hào)使觀察者對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)的物理過程能夠做出直接和明確的判斷。b)直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)定向所用的定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來。而矢量控制磁場(chǎng)定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測(cè)轉(zhuǎn)子需要知道電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制性能能易受參數(shù)變化影響的問題。c)直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制其各物理量，使問題變得特別簡(jiǎn)單。d)直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)得是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果，它包括兩層意思，即直接控制轉(zhuǎn)矩和對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制效果。3.2.2直接轉(zhuǎn)矩控制工作原理直接轉(zhuǎn)矩控制與著名的矢量控制方法不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，直接控制轉(zhuǎn)矩。因此它非極力獲得理想的正弦波波形，也不是專門強(qiáng)調(diào)磁鏈的原型軌跡，相反，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，它強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制效果，其控制方式是通過轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作滯環(huán)的比較，把轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小，由頻率調(diào)節(jié)器來控制。因此它的控制效果不僅取決于電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況。它的控制既直接又簡(jiǎn)化。對(duì)轉(zhuǎn)矩的這種直接控制方式也稱為直接控制，其基本的原理是在維持定子磁鏈恒定的條件下控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。而轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的乘積及夾角有關(guān)，而轉(zhuǎn)矩控制又是如何避開轉(zhuǎn)子磁鏈而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制,這就需要從電動(dòng)機(jī)的基本方程來推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈及轉(zhuǎn)子磁鏈之間的關(guān)系來說明，下面我們從異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)等值電路推導(dǎo)保持定子磁鏈不變或定子磁場(chǎng)定向時(shí)，轉(zhuǎn)矩和角速度的關(guān)系，推導(dǎo)過程及結(jié)論簡(jiǎn)述如下：T-I型等值電路圖3-4異步電機(jī)動(dòng)態(tài)等值電路將三相異步電機(jī)經(jīng)3/2變換為α、β軸上的兩相電機(jī)，再將α、β軸坐標(biāo)用極坐標(biāo)表示，則三相電機(jī)的方程就變成了由定子電壓方程和轉(zhuǎn)子電壓方程組成的等效電路方程，圖3-4是對(duì)應(yīng)的等效電路圖。和電機(jī)學(xué)中等效電路不同的是該電路代表的是空間電壓綜合矢量方程，而不是一相電壓的電路方程。其中ωr是某一工作點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，e為相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。3.2.3直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際上控制的是定子磁鏈的幅值和瞬時(shí)速度，而電壓矢量控制方式的結(jié)果也是控制定子磁鏈。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制其實(shí)上就是電壓矢量控制再加上轉(zhuǎn)矩反饋或者說定子磁鏈反饋而組成的一種閉環(huán)電壓矢量控制。根據(jù)前面講的電壓矢量控制方法，控制定子矢量磁鏈軌跡實(shí)際上就是控制主回路開關(guān)的6個(gè)非零電壓矢量狀態(tài)和2個(gè)零矢量狀態(tài)的作用時(shí)間長(zhǎng)短和作用時(shí)刻。因此，轉(zhuǎn)矩直接控制和電壓矢量控制的控制過程和思路完全一樣，只不過在電壓矢量控制的系統(tǒng)中加入了轉(zhuǎn)矩反饋和速度調(diào)節(jié)的控制。ROM就可以根據(jù)作為地址碼的6位輸入信號(hào)，輸出事先存儲(chǔ)在其中的表格數(shù)據(jù)—定子電壓矢量的數(shù)據(jù)Sa、Sb、Sc。用它去控制逆變器的開關(guān)，使所需要的電壓矢量加到異步電動(dòng)機(jī)的端子的直接控制。圖3-5異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)框圖3.3脈寬調(diào)試變頻器工作原理在變頻調(diào)速時(shí)，由于頻率和電壓同時(shí)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生作用。所以在變頻的同時(shí)必須變壓才能保證電機(jī)的正常運(yùn)行。在采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量即指脈沖的面積，這里所說的效果基本相同是指該環(huán)節(jié)的輸出相應(yīng)波形相同。脈沖越窄，輸出的差異越小。本著這一理論可以解決變頻調(diào)速中的調(diào)壓?jiǎn)栴}。實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的方法有很多，主要分直流幅值可變和不可變兩種。在前述可控硅方波輸出的變頻器中只能采用直流電壓調(diào)整的方法。而脈寬調(diào)制型變頻器則可以采用直流電壓可變控制也可以采用直流電壓不變控制。PWM控制利用了采樣控制理論中的結(jié)論，可以用一系列等幅而不等寬的脈沖來近似正弦波，且脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，這種方法稱為SPWM(SinusoidalPWM)。SPWM各脈沖的寬度和間隔可以準(zhǔn)確計(jì)算出來，按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的SPWM波形。但這種計(jì)算很繁瑣。較為常用的方法是采用調(diào)制的方法，即把正弦波作為調(diào)制信號(hào)，把接收調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過對(duì)載波的調(diào)制即可得到SPWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度線性關(guān)系，且左右對(duì)稱，當(dāng)它與正弦波調(diào)制信號(hào)相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于正弦波幅值的脈沖，這正好符合SPWM控制的要求。三角載波的頻率fc和正弦調(diào)制波的頻率fr之比即fc/fr=Nc稱為載波比。用生成SPWM波控制逆變器開關(guān)器件的通斷，可得到等幅且脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖列輸出電壓。正弦調(diào)制波的頻率也即是逆變器的輸出頻率f，改變fr便可改變f。三角載波的幅值為恒定，因而改變正弦調(diào)制波的幅值就改變了矩形脈沖的面積，由此實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的改變。脈寬調(diào)制變頻器，就是在方波輸出的基礎(chǔ)上，使電壓波形變?yōu)橐幌盗忻}沖波。從諧波分析可知，用一系列脈沖波代替方波后，其基波和高次諧波的幅值比例發(fā)生變化。PWM變頻器一般都是電壓型供電的，無論是PWM型變頻還是方波（6階方波）變頻，根據(jù)直流電壓是可變和不可變的控制都可以分為以下兩種調(diào)壓方式。幅值可調(diào)PWM這是一種變頻器輸出電壓和頻率分別進(jìn)行調(diào)節(jié)的一種控制方式，其基本電路如圖3-6所示，該電路由可控整流器、中間環(huán)節(jié)與可控硅（或其他電力開關(guān)元件）逆變組成，中間環(huán)節(jié)是濾波電容器，可控硅整流器用來調(diào)壓。和一般可控硅調(diào)壓系統(tǒng)一樣，采用相位控制，通過改變觸發(fā)脈沖的相位角來獲得與逆變器輸出頻率相對(duì)應(yīng)的不同大小的直流電壓。逆變器只作輸出頻率控制，它一般也是由6個(gè)開關(guān)元件組成，按脈沖調(diào)制方法工作。圖3-6PWM基本電路圖2）恒值PWM變頻器恒值脈寬調(diào)制（PWM）式變頻器電路，它由二極管整流橋、濾波電容和逆變器組成，逆變器的輸入為恒定不便的直流電壓，通過調(diào)節(jié)逆變器的脈沖寬度和輸出交流電壓的頻率，既實(shí)現(xiàn)調(diào)壓又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，變頻變壓都由逆變器承。這是目前采用較普遍的一種變頻系統(tǒng)。其主回路簡(jiǎn)單，只要配上相應(yīng)的控制電路就可以了。由于這種PWM型變頻器輸出交流電壓的大小和頻率直接由逆變器決定，所以調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能好，若逆變器中的開關(guān)采用高速電子元件進(jìn)行高頻脈沖調(diào)制，并在由中大規(guī)模集成件組成的高性能控制電路的配合下，可以極大地提高變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，縮小裝置的體積，提高效率，降低成本。另外，他的輸入功率因數(shù)高，而且多個(gè)逆變器可以接在一個(gè)公共直流母線上，便于實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速拖動(dòng)。

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求4.1.1硬件設(shè)計(jì)的依據(jù)(1)紙機(jī)介紹生產(chǎn)紙種：文化紙紙張定量：90-120g設(shè)計(jì)車速：350米/分工作車速：280米/分左右手機(jī)：右手機(jī)主要根據(jù)：文化紙機(jī)工藝要求，設(shè)備狀況，控制功能，I/O點(diǎn)數(shù)，據(jù)此構(gòu)成的比較先進(jìn)的控制系統(tǒng)。(2)技術(shù)數(shù)據(jù)電源電壓：AC380-415V±10%三相電源頻率：48-63Hz輸出頻率：0-50Hz輸出電壓：AC0-380V三相爬行車速：30米/分起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：200%額定轉(zhuǎn)矩穩(wěn)速精度：1‰頻率分辨：0.01Hz(3)工藝要求是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是控制系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的最終目的。(4)設(shè)備狀況了解工藝要求之后還要掌握控制對(duì)象的設(shè)備狀況，先應(yīng)滿足整個(gè)工藝要求了解時(shí)，既掌握設(shè)備的種類、數(shù)量，還要掌握設(shè)備的新舊程序。(5)控制功能根據(jù)工藝要求和設(shè)備狀況就可提出控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的控制功能，只有掌握了要實(shí)現(xiàn)的控制功能，才能據(jù)此設(shè)計(jì)系統(tǒng)的類型、規(guī)模、機(jī)型、模塊、軟件等內(nèi)容。(6)I/O點(diǎn)數(shù)和種類根據(jù)工藝要求，設(shè)備狀況和控制功能，可以對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)形成一個(gè)初步的方案，但要進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，則要對(duì)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)和種類有一個(gè)精確的設(shè)計(jì)，以便確定系統(tǒng)的規(guī)模擬量，各種電壓電流等級(jí)，智能模板要求。(7)系統(tǒng)的先進(jìn)性在設(shè)計(jì)PLC組成的控制系統(tǒng)時(shí)，要考慮到控制方案的先進(jìn)性。4.1.2系統(tǒng)原件的布置及負(fù)荷分配各主動(dòng)點(diǎn)電機(jī)功率及負(fù)荷分配初定如下表4-1：表4-1各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)功率及負(fù)荷分配序號(hào)名稱電機(jī)功率KW有無負(fù)荷分配01伏輥90有02驅(qū)網(wǎng)輥55有03第一導(dǎo)網(wǎng)輥7.5有04一壓上輥75有05一壓下輥75有06二壓上輥75有07二壓下輥75有08一組缸55無09二組缸55無10施膠上輥22有11施膠下輥22有12三組缸45無13卷紙機(jī)30無該控制系統(tǒng)一共38個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，元件的布置如下：主傳動(dòng)系統(tǒng)電源及變壓器位于G1柜中，伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥、第一導(dǎo)網(wǎng)輥位于G2柜，一壓位于G3柜，二壓位于G4柜，一組缸、二組缸，施膠身上位于G5柜，施膠下、三組缸、卷取位于G6柜中，勻漿輥等輔助傳動(dòng)位于G7柜。4.1.3操作說明操作系統(tǒng)配有操作屏，分別設(shè)立在控制現(xiàn)場(chǎng)。操作屏采用西門子大型智能操作控制單元OP570操作屏。控制屏上設(shè)有功能鍵，可以自由地組態(tài)畫面，設(shè)置多個(gè)畫面，可以通過畫面的切換動(dòng)態(tài)地運(yùn)用文字、數(shù)字、示波器、棒圖等來顯示各分部傳動(dòng)點(diǎn)的工作狀態(tài)（如啟動(dòng)/停止、運(yùn)行/爬行、故障、報(bào)警、開環(huán)/閉環(huán)等）和運(yùn)行參數(shù)（如電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)矩、分部線速度等），可以對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，具體控制功能如下：a）起動(dòng)/停止：用于控制本分部電機(jī)的起?？刂疲籦）爬行/運(yùn)行：用于低速調(diào)試檢修、正常抄紙切換；c）單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)：對(duì)于要求負(fù)荷分配各傳動(dòng)點(diǎn)的單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)控制；d）速度微增：用于本傳動(dòng)點(diǎn)的速度微調(diào)；e）速度微減：用于本傳動(dòng)點(diǎn)的速度微調(diào)；f）緊紙：用于本傳動(dòng)點(diǎn)的緊紙調(diào)節(jié)；g）松紙：用于本傳動(dòng)點(diǎn)的松紙調(diào)節(jié)；h）負(fù)荷分配功能：負(fù)荷分配點(diǎn)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分配；i）張力設(shè)定：用于張力控制點(diǎn)的張力設(shè)定。監(jiān)測(cè)顯示功能有：a）變頻器運(yùn)行、故障等狀態(tài)顯示；b）電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)矩、分部線速度、速差顯示；c）張力顯示；d）卷紙機(jī)狀態(tài)顯示。單獨(dú)設(shè)置緊急停車，按照需要安裝在紙機(jī)上，當(dāng)紙機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)意外事故，威脅到設(shè)備安全及人身安全時(shí)才可使用。緊急停車采用按鈕控制,信號(hào)直接送入PLC和變頻器,采用雙重急?？刂?確保系統(tǒng)得可靠性。4.1.4速度鏈控制我們依據(jù)紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)，速度鏈的設(shè)計(jì)采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法實(shí)現(xiàn)速度鏈功能。這樣可以構(gòu)成任意分支控制速度鏈控制系統(tǒng)。1）速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)速度鏈[5]結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法用于完成傳遞功能。首先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字抽象，確定速度鏈中各傳動(dòng)點(diǎn)編號(hào)，此編號(hào)應(yīng)與變頻器內(nèi)部地址一致。然后根據(jù)二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定各結(jié)點(diǎn)的上下、左或右編號(hào)。即任一傳動(dòng)點(diǎn)由3個(gè)數(shù)據(jù)（“父子兄”或“父子弟”）確定其在速度鏈中的位置，填位置寄存器數(shù)值。如圖4-1所示。圖4-1速度鏈結(jié)構(gòu)

該傳動(dòng)點(diǎn)速度給變頻器后，訪問位置寄存器，確定子寄存器結(jié)點(diǎn)號(hào)，若不為0，則對(duì)該結(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)處理，直到該鏈完全處理完；再查兄弟寄存器結(jié)點(diǎn)號(hào)，處理另一支鏈。故只須對(duì)位置寄存器初始化，即可構(gòu)成任意分支速度鏈。2）算法設(shè)計(jì)例如，如圖所示我們把紙機(jī)第一分部點(diǎn)作為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn)，即它的給定速度就決定整個(gè)紙機(jī)的工作車速，調(diào)節(jié)其給定速度就調(diào)節(jié)了整個(gè)紙機(jī)車速。在PLC內(nèi)，我們檢測(cè)到車速調(diào)節(jié)信號(hào)則改變車速單元值，1點(diǎn)處的速度就為第一臺(tái)變頻器的運(yùn)行速度設(shè)定值，將其送第一臺(tái)變頻器執(zhí)行，并送給第二臺(tái)計(jì)算。第一分部的速度值乘以第二分部的變比b1/a則為第二臺(tái)變頻器的給定值。若第二分部速度不滿足運(yùn)行要求，說明第二分部變比不合適，可通過操作第二分部的加速、減速按鈕實(shí)現(xiàn)，PLC檢測(cè)到按鈕信號(hào)后調(diào)節(jié)b1即調(diào)整了變比，使其適應(yīng)生產(chǎn)要求。相當(dāng)于在PLC內(nèi)部有一個(gè)高精度的齒輪變速箱，可以任意無級(jí)調(diào)速。若正常生產(chǎn)中變比合適，某種原因需要用緊紙、松紙時(shí)，按下該分部緊紙、松紙按鈕，PLC將對(duì)應(yīng)在速度鏈上附加一正或負(fù)的偏移量則實(shí)現(xiàn)緊紙、松紙功能。圖中2點(diǎn)就包含了調(diào)速和緊紙、松紙等操作指令的速度值，將它送給第二臺(tái)變頻器執(zhí)行，同時(shí)送下一級(jí)計(jì)算。依此類推，構(gòu)成速度鏈控制系統(tǒng)。速度鏈的分支設(shè)計(jì)采用父子算法，可以構(gòu)成任意分支的速度鏈結(jié)構(gòu)。本速度鏈的設(shè)計(jì)不僅只是為實(shí)現(xiàn)紙機(jī)傳動(dòng)控制要求，而且為后續(xù)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制提供了可能。在PLC內(nèi)部有非常精確的傳動(dòng)變比，我們?cè)O(shè)計(jì)為精度為0.001%，通過設(shè)定參數(shù)可以做到更高。這樣有精確的傳動(dòng)變比上位計(jì)算機(jī)可以精確地記憶紙機(jī)傳動(dòng)過程參數(shù)，當(dāng)需要更換品種或車速時(shí)，上位計(jì)算機(jī)可以準(zhǔn)確地將紙機(jī)運(yùn)行參數(shù)傳入到PLC，由PLC執(zhí)行，將紙機(jī)調(diào)整到當(dāng)前工作狀態(tài)。4.1.5負(fù)荷分配控制網(wǎng)部、壓榨部要求有負(fù)荷分配[7]，所以它們之間要求速度同步的同時(shí)還要求負(fù)載率均衡，否則會(huì)影響正常抄紙。當(dāng)負(fù)荷不能均勻分布時(shí)，有可能撕壞毛布或造成斷紙，所以這些傳動(dòng)部分的各自傳動(dòng)點(diǎn)之間實(shí)施負(fù)荷分配自動(dòng)控制功能。負(fù)荷分配原理在紙機(jī)、印染機(jī)或其他傳動(dòng)系統(tǒng)中，只是電動(dòng)機(jī)速度同步并不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的工作要求，實(shí)際系統(tǒng)還要求各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率相同，即δ=Pi/Pie相同（Pi為i電機(jī)所承擔(dān)負(fù)載功率，Pie為電機(jī)額定功率）[8]?，F(xiàn)在以三點(diǎn)負(fù)荷分配為例，P1e、P2e、P3e為三臺(tái)電機(jī)額定功率，Pe為額定總負(fù)載功率，Pe=P1e+P2e+P3e。P為實(shí)際總負(fù)載功率，P1、P2、P3為電機(jī)實(shí)際負(fù)載功率，則P=P1+P2+P3。系統(tǒng)工作要求P1=P*P1e/Pe，P2=P*P2e/Pe，P3=P*P3e/Pe。負(fù)荷分配的目的就是使P1、P2、P3滿足上述要求。在實(shí)際控制當(dāng)中，電機(jī)功率是一間接量。實(shí)際控制近似以電機(jī)定子電流或轉(zhuǎn)矩代替電機(jī)功率。負(fù)荷分配采樣各分部電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，這樣計(jì)算出系統(tǒng)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，根據(jù)系統(tǒng)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩可以計(jì)算出負(fù)載平衡時(shí)的期望值轉(zhuǎn)矩。計(jì)算平均負(fù)荷轉(zhuǎn)矩方法如下列公式所示，負(fù)荷分配控制器根據(jù)平均期望轉(zhuǎn)矩M和自己實(shí)際轉(zhuǎn)矩MLi比較進(jìn)行調(diào)節(jié)。紙機(jī)負(fù)載隨時(shí)波動(dòng)，(4-1)其中MLi—第i臺(tái)電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；Pei—第i臺(tái)電機(jī)額定功率；M—負(fù)荷平衡期望轉(zhuǎn)矩。所以計(jì)算出的平均期望轉(zhuǎn)矩M也根據(jù)實(shí)際負(fù)載變化，所以這種控制算法可以準(zhǔn)確計(jì)算出總負(fù)荷和每臺(tái)電機(jī)應(yīng)該輸出轉(zhuǎn)矩，為準(zhǔn)確控制提供了方便。紙機(jī)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)要求快、準(zhǔn)、穩(wěn)，所以負(fù)荷分配控制也要求快速穩(wěn)定無震蕩。負(fù)荷分配控制器根據(jù)平均期望轉(zhuǎn)矩M和自己實(shí)際轉(zhuǎn)矩MLi比較，得到偏差，應(yīng)該根據(jù)偏差信號(hào)的大小進(jìn)行PID控制算法調(diào)節(jié)。通過PLC來完成的負(fù)荷分配方法是PLC通過PROFIBUS-DP得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩，利用上述原理再配以先進(jìn)的PID調(diào)節(jié)算法調(diào)節(jié)變頻器的輸出使電機(jī)轉(zhuǎn)矩百分比一樣，即各電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流和額定電流比值應(yīng)相等。這樣完成負(fù)荷分配的自動(dòng)控制。對(duì)于網(wǎng)部，由于驅(qū)網(wǎng)輥和伏輥可能出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，所以對(duì)于驅(qū)網(wǎng)輥和伏輥設(shè)有最大速差保護(hù)，若超過最大速差還不能達(dá)到負(fù)荷平衡，則自動(dòng)負(fù)荷分配停止，處于速度控制模式。對(duì)于壓榨部根據(jù)紙機(jī)的壓榨部上下壓榨輥的加壓信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)上下輥加壓后，吸移輥與上下壓輥處于負(fù)荷分配控制模式，PLC啟動(dòng)負(fù)荷分配調(diào)節(jié)控制，上下輥分開時(shí)從機(jī)處于速度控制模式，PLC停止負(fù)荷分配，維持速度同步不變。由于負(fù)荷分配控制點(diǎn)屬于共同帶同一負(fù)載，所以要求同時(shí)啟動(dòng)，同時(shí)停止。但在調(diào)試檢修過程中要能單獨(dú)起停，因此對(duì)負(fù)荷分配各傳動(dòng)點(diǎn)采用單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)控制。此外，在負(fù)荷分配控制調(diào)節(jié)過程中，要求速度恒定，不能影響后邊的傳動(dòng)點(diǎn)，所以我們速度鏈控制采用主鏈與子鏈相結(jié)合的方法。4.2系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)4.2.1硬件組成及功能實(shí)現(xiàn)原理圖所示，本傳動(dòng)系統(tǒng)硬件組成包括：變頻器、斷路器、繼電器、接觸器、PLC單元、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、操作臺(tái)控制系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)、編碼器及接口模塊、指示燈等。其中A1、B1、C1為交流母線，為系統(tǒng)工作提供交流電。N為中性線E為地線。變頻器與電動(dòng)機(jī)的接地線接到E上。4-2控制系統(tǒng)典型原理結(jié)構(gòu)圖圖4-3PID控制宏1）變頻器的功能實(shí)現(xiàn)VF表示變頻器[16]，它的電壓及頻率都可變。本控制系統(tǒng)中變頻器的控制宏選為PID控制。PID過程控制宏用于過程變量的如壓力或張力等通過控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制變量。在變頻器內(nèi)部程序中有專門的PID過程控制程序，要進(jìn)行過程控制首先要對(duì)NIOC板（標(biāo)準(zhǔn)I/O控制板）進(jìn)行有效的接線。由原理圖，本傳動(dòng)系統(tǒng)硬件組成包括：變頻器，斷路器，繼電器，接觸器，互感器，PLC，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，操作臺(tái)控制系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)，編碼器及接口模塊，指示燈，電流表，電壓表，按鈕，接線端子。1.1）其中A1、B1、C1為交流母線，為系統(tǒng)工作提供交流電。N為中性線E為地線。變頻器與電動(dòng)機(jī)的接地線接到E上。DI1為了實(shí)現(xiàn)通信接PLC。DI2是變頻器運(yùn)行允許信號(hào)控制引腳，只有在DI2高電平時(shí)變頻器才允許運(yùn)行，否則變頻器的一切運(yùn)行啟動(dòng)信號(hào)不起作用。即在開關(guān)燈打開時(shí)變頻器未收到運(yùn)行允許信號(hào)，變頻器將不啟動(dòng)或運(yùn)轉(zhuǎn)中停止。在開關(guān)打開時(shí)（+24VDC）運(yùn)行允許有效，允許正常運(yùn)轉(zhuǎn)。+24VDC提供24V數(shù)字電壓。本系統(tǒng)通過繼電器的常閉觸點(diǎn)來控制DI2的得電與掉電從而控制變頻器是否允許運(yùn)行。只要觸點(diǎn)閉合那么DI2掉電，這樣VF立即停止，所以該繼電器控制觸點(diǎn)可以用作變頻器的急停保護(hù)。在有危險(xiǎn)時(shí)控制繼電器K131線圈使K131-1打開則變頻器急停。1.2）斷路器F011，作用是用來進(jìn)行電能的分配，給變頻器配電，將變頻器與交流母線進(jìn)行接通與切斷。對(duì)電動(dòng)機(jī)、變頻器等下屬電路進(jìn)行保護(hù)，具有過載、短路、欠電壓的等保護(hù)功能，是配電電路的保護(hù)器件。在本控制系統(tǒng)中交流母線的三相電通過斷路器F011配送給變頻器供變頻器工作和電量控制轉(zhuǎn)換。在變頻器、電機(jī)所在回路出現(xiàn)上述故障時(shí)斷路器F011將自動(dòng)切斷供電電路，從而起到了對(duì)所在電路的保護(hù)作用。通過斷路器來實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)比熔斷器要好。因?yàn)槿嚯娐范搪窌r(shí)，很可能只有一相熔斷器熔斷，造成單相運(yùn)行。對(duì)于斷路器來說只要造成短路都會(huì)使開關(guān)跳閘，將三相同時(shí)切斷。1.3）圖中K131-1為繼電器K131的常閉觸點(diǎn)。繼電器根據(jù)外來信號(hào)利用電磁原理使銜鐵產(chǎn)生閉合動(dòng)作，從而帶動(dòng)觸頭系統(tǒng)動(dòng)作，使控制電路接通或斷開，實(shí)現(xiàn)控制電路的狀態(tài)改變。繼電器的觸點(diǎn)只用來接入控制回路進(jìn)行控制，不能用來接通或分?jǐn)嘭?fù)載電路。圖中繼電器的觸頭系統(tǒng)K131-1、接到DI2上，對(duì)DI2（運(yùn)行允許）控制端進(jìn)行控制。這里繼電器K131控制變頻器的停止與允許運(yùn)行。通過閉合F011則可以使K131-1閉合，使DI2得電允許運(yùn)行；在出現(xiàn)故障時(shí)F011跳閘，則K131-1斷開使得DI2掉電運(yùn)行終止。或通過操作臺(tái)急停按鈕來完成急停，從而完成故障急停保護(hù)。1.4）風(fēng)機(jī)是給用于傳動(dòng)點(diǎn)拖動(dòng)的電機(jī)降溫的，防止電動(dòng)機(jī)因工作功率過高產(chǎn)生熱量過多不能及時(shí)散掉而燒壞電機(jī)。一般電機(jī)自身帶有散熱用的風(fēng)扇，在電機(jī)工作功率不大時(shí)，其自身風(fēng)扇就能滿足散熱要求，不需外加風(fēng)機(jī)幫助散熱。在本系統(tǒng)中，電機(jī)的功率較大，本身風(fēng)扇不能滿足散熱要求，所以借助外部風(fēng)機(jī)來幫助散熱。鑒于風(fēng)機(jī)的作用，所以風(fēng)機(jī)供電電源應(yīng)獨(dú)立于傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)。本系統(tǒng)直接從交流母線取得。1.5）TGO1是測(cè)速系統(tǒng)用來反饋電動(dòng)機(jī)的速度給變頻器，伏輥，驅(qū)網(wǎng)，第一導(dǎo)網(wǎng)輥，三個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)有負(fù)荷分配，伏輥為主負(fù)荷點(diǎn)，加入測(cè)速系統(tǒng)，從負(fù)荷點(diǎn)按照主負(fù)荷點(diǎn)調(diào)速，不加測(cè)速器。1.6）AO1接電流表與AGND連接用來測(cè)電機(jī)速