安川VS-616G5变频器在造纸机中应用

1 引言 安川VS-616G5是全数字多功能电流矢量控制变频器具有良好的驱动性能，先进的自动控制功能和完善的保护功能。 矢量控制是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流,It1相当于与转矩成正比的电枢电流)既将力矩电流，励磁电流分量进行解耦。使解耦的磁通与力矩控制器使二者互不影响，而使电机的速度，力矩连续可调。从而可实现在低速状态时的平滑运行和高力矩高精度的速度、力矩控制。 具有4种控制方式可选:(1)无PG矢量控制;(2)带PG矢量控制;(3)无PG V/F控制;(4)带PG V/F控制。Auto-tuning(自学习)功能可以对不同电机实现高精度矢量控制。特别是带PG矢量控制方式以其极高的速度控制精度(+0.02%)极高的零起动转矩(0r/min时150%)并可实现力矩控制，与PLC配合使用，可以实现速度链控制、自动负荷控制、自动速差控制等功能，在造纸机传动中得到大量应用，并取得了较好的控制效果。 2 纸机传动对电气控制系统的要求 (1) 该纸机为1880/250 m/min长网多缸文化纸机，生产40~65g/m2高级文化用纸,纸机结构简如图1所示。 图1 该纸机由长网部、真空吸移+四辊二压区复合压榨部、干燥部、施胶部、压光部、卷取部组成。共16个传动点，总功率324kW，各传动点功率及变频器型号如附表所示。 (2) 纸机对传动系统的工艺要求 为了能生产出质量标准较高的产品，纸机对传动系统有如下的工艺要求: a) 纸机工作速度要有较大的调节范围:为了使造纸机具有较强的产品、原料的适应性(如打浆度、浆料配比与种类、定量、纸种等)，纸机传动可在较大的范围内均匀的调节速度，调速范围D=1:8。 b) 车速要有较高的稳定裕度:总车速提升、下降要平稳。纸机速度常因电源的电压、频率以及纸机负荷等因素的变化而波动。为了稳定纸的定量和和质量、减少纸幅断头，要求纸机稳速精度±0.5～1%。 c) 各分部间速比可调、稳定:纸幅在网部和压榨部时，其纵向伸长横向收缩，而在烘干部时，两向都收缩。因此纸机各分部的线速度稍有差异。纸机各分部的速比的最大波动值与浆料配比、定量、车速、生产工艺、分部之间的纸幅无承托引段的张力等因素有关。因此，造纸机各相邻分部间应有适当的速差来形成良好的纸页。纸机各分部的速度必须是可以调节的，在±10~15%。同时，为了生产较高质量的纸幅和减少断头率，就要保持各分部间速比的稳定。当出现负荷变化或其它干扰导致某分部的速度变化时，应保持能及时调整，使分部速比的变化不超过规定的范围。 d) 单个分部点的具有速度微升，微降功能，引纸操作时的紧纸功能。同时具有软连接的传动分部，网部的真空伏辊和驱网辊之间，具有刚性联结的施胶上辊与施胶下辊之间，具有刚性联结与软联结的传动分部，真空吸移、真空压辊、一压辊、二压辊之间，这些有负荷关联的传动点之间要能进行负荷动态调节。由于某点的速度发生变化而引起负荷在分部内动态转移，如果不及时进行自动的调节(因为现在使用的变频器基本上都不具备长期四象限运行能力)，这些传动点间有的负载可能超过它自身的功率范围引起过流发生，有的传动点被拖动而引起过高的泵升电压，导致变频器过压而保护跳闸，甚至损坏变频器、损坏毛布。并且在这些分部中，应具有单动、联动功能。并可以同时起动、停止。必要的显示，如:线速度、电流或转矩、运行信号、故障信号等。 e) 爬行速度 为了检修和清洗聚酯网、压榨毛毯、干网以及各分部的运行工况，各分部应有15～50m/min可调的爬行速度。 f) 纸机传动为恒转矩负载性质，要选择具有恒转矩控制性能的变频器，并具有较高的分辨率，以满足纸机控制系通正常工作的需要。 3 电气控制系统组成 (1) 系统硬件组成 变频器采用电流矢量控制安川VS-616G5型式，PLC选用S7-226型，电机采用变频专用电动机。变频器设定为带PG失量控制模式，整机处于速度控制模式, 系统硬件组成如图2所示。 4 控制系统功能 该纸机传动系统采用由PLC作为系统的控制中心。由功能较强大的安川VS-616G5型矢量变频器为驱动单元，由欧姆龙编码器提供速度反馈信号，使纸机传动在闭环运行模式下，从而使控制系统稳速精度0.02%,由PLC通过Modbus协议、RS485网络与变频器实现速度链功能，速差控制，负荷分配功能，总车速升、降，各分部点的速度升、降及紧纸功能。性能较理想地满足纸机正常工作需求。 (1) 速度链结构 速度链结构采用主链与子链相结合的思路。纸机总的车速由二压来确定。速度链的传递关系由图2来体现，由PLC软件实现。每一级的速度由总车速点速度乘以相应的速比来确定。前一级车速调整，后面跟随调整，后级调整不影响前级。适应纸机操作引纸的顺序要求。 速度链结构如图2所示。 图2 系统硬件组成 (2) 负荷分配的实现 在纸机传动系统中，因为在有机械相联系的传动点由于所位置不同，毛布的包角大小不一样，承受的载荷在不同的工作状态下不一样，是一个变量。所以单纯的速度链无法满足造纸机工作的需要。实际系统还要求各传动点电机负载率相同，即δ=Pi/Pie相同(Pi为i电机所承担负载功率，Pie为电机额定功率)。在实际控制当中，由于电机功率是一间接量。实际控制电机定子电流或转矩代替电机功率。进行读取计算、调节。PLC通过总线得到电机电流或转矩，利用上述原理计算，并以PID调节算法调节变频器的输出使电机电流或转矩百分比一样，完成负荷分配的自动控制的目的。负荷不平衡度不大于3%。如果负荷不平衡度大于3%，PLC才进行调整，如果负荷分配不平衡度调整量设置太小，容易造成震荡。同时设置最大不平衡限幅值，防止机械发生损害。 图3 纸机速度链结构图 负荷分配分3部分:如图2虚线范围内部分。a)驱网辊与伏辊; b)吸移辊、真空压榨辊与一压辊与二压辊;c)施胶上辊与施胶下辊。为了保证系统在起动阶段和出现异常调节的状况时，直流过压问题。负荷相联系的分部进行变频器直流母线并联措施。将需负荷分配的两部分各分部伏辊与驱网辊的变频器，伏辊、驱网辊，吸移辊、真空压榨辊、一压辊、二压辊，施胶上辊与施胶下辊，使用10mm(耐压800V)导线按同极性将直流母线相连接，线长一些，并串一电阻，并保证有直流母线相连变频器的电源要同时通断。 (3)参数的优化 不同的纸机使用场所，须进行相应的参数设定,变频器参数的优化设置是充分发挥该变频器功能的保证。参数优化需要大量实际经验的积累和对造纸机机械设备、造纸工艺的了解及对变频理论与电机拖动理论的掌握。 (4)变频器的自学习 变频器对电机(不带负载)进行自学习过程。在自学习过程中，变频器将对电机的参数进行最优的识别，寻找最优的矢量控制测量，发挥变频器与电机的最优控制特性。 (5)调整卷纸机变频器的基频为60Hz，使该点的机械特性变软一些有利于从压光机到卷纸机的顺利引纸。 该纸机在内蒙一纸厂运行以经近2年，控制系统稳定，纸机运行可靠。 5 结束语 因为造纸机传动系统各个传动点既要保持一定的速度跟随一致性，又要有一定的速度差异，既速差。速差与工作车速、纸种、浆料特性等有关。同时具有机械相联系的传动点又要有负荷平衡既负荷分配。安川VS-616G5变频器具有矢量控制功能，具有很高的可靠性和和完善的功能实现，通过参数组态与PLC协调工作完全可以满足造纸机对传动要求大速比变化、高稳态精度等控制性能的需要。可以在中高速纸机上应用。 参考文献 [1] 安川VS-616G5变频器使用说明书。 [2] 吴锡祺，何镇湖，徐用懋. 多级分布式控制与集散系统[M]. 北京:中国计量出版社, 2001. [3] 王丹利,赵景辉. 可编程序控制器原理与应用[M].西安:西北工业大学出版社, 1997. [4] 西门子股份有限公司. SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册[M]. 2000. 作者简介 于衍星(1968-) 男 工程师 硕士在读 研究方向交直流电气传动的控制理论与应用。