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1 引言
現(xiàn)在造紙機傳動控制基本上全部采用交流變頻傳動控制系統(tǒng)，而市場上變頻器品牌眾多，功能各異。面對如此眾多的變頻器產(chǎn)品，如何選擇變頻器及相應的控制系統(tǒng)成為各廠家的難題，下面簡單介紹造紙機對變頻器的基本要求，以及如何選擇變頻器。
2 造紙機傳動特性與變頻器機械特性
一臺造紙機完整結構如圖1所示。
圖1 造紙機結構圖
造紙機傳動屬于恒轉矩負載，所以要求電機采用恒轉矩調速。要求變頻器工作在恒轉矩調速控制狀態(tài)，所以應該選用恒轉矩機械負載變頻器。有的公司對于恒轉矩調速和恒功率調速采用不同型號的變頻器，如西門子公司的eco系列風機、水泵控制用變頻器和mdv、6se70恒轉矩變頻器。有的公司對于恒轉矩調速和恒功率調速采用同一型號的變頻器，對于同一臺變頻器采用不同的控制方式所接配的電機不同，變頻器內部參數(shù)設置不同。如abb公司acs400、acs600系列變頻器。比如型號為acs401-0030的變頻器在恒轉矩調速控制接配電機22kw，那么，當它在風機、水泵等恒功率控制時接配的電機為30kw。所以用戶在選擇變頻器是應該首先了解變頻器與傳動機械特性匹配。
3 頻率分辨率對造紙機傳動性能的影響
頻率分辨率是衡量變頻器的重要指標。頻率分辨率包含頻率給定分辨率和頻率控制分辨率。
(1) 頻率給定分辨率指變頻器的給定通道對輸入信號的分辨率，一般指模擬輸入通道ad的位數(shù)。對于通訊通道一般給定精度遠遠大于模擬通道，所以模擬給定通道若能滿足要求，通訊通道是絕對能滿足的。
一般紙機對傳動調速的控制精度要求為0.1%，對于一臺確定的造紙機從頻率分辨率的角度來說，若能在最低速滿足給定控制精度，則在高速運行是沒有問題的。下面我們舉例說明:
設本臺紙機在低速抄紙，變頻器運行頻率為10hz，則要求給定精度為:10×0.1%=0.01hz，所以要求變頻器的頻率分辨率必須能夠小于0.01hz。
設本臺紙機在高速抄紙，變頻器運行頻率為50hz，則要求給定精度為:50×0.1%=0.05hz，所以要求變頻器的頻率分辨率必須能夠小于0.05hz。
我們在選擇傳動系統(tǒng)時注意紙機低速時變頻器能否滿足控制精度的要求。而不必擔心高速的給定精度。給定精度也可以通過變頻器參數(shù)來進行調節(jié)，但缺點是在改變工作狀態(tài)時需要重新調整參數(shù)。
如一臺用于流漿箱控制的上漿泵變頻器，其運行頻率一般在30～50hz之間，控制采用sr73a調節(jié)器，但是流漿箱液位無法穩(wěn)定，上漿量忽大忽小，變頻器始終調節(jié)不能穩(wěn)定。原因變頻器設定分辨率不夠。給定忽大忽小，1ma對應2.5hz。我們可以調節(jié)參數(shù)，變頻器的最小給定為30hz，即給定0ma對應30hz，給定20ma對應50hz，這樣1ma對應1hz，給定頻率分辨率提高了2.5倍。
(2) 頻率控制分辨率指變頻器的輸出最小分辨率，通常說變頻器是無級調速是相對而言的。變頻器有它的最小分辨率，每次調速頻率的最小變化量。現(xiàn)在變頻器的最小分辨率一般為0.01hz。用戶在選擇變頻器時應該注意頻率分辨率是否能滿足設備需要。
4 具有轉差補償變頻器對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的影響
交流異步電機都存在轉差頻率，電機的輸出轉矩和功率與轉差頻率成正比，變頻器為了提高速度控制精度，對電機控制采用轉差補償。
依據(jù)異步電機的機械特性，當負載轉矩增大，轉差頻率增大，轉子產(chǎn)生速降。轉差補償就是利用依據(jù)負載改變定子同步頻率，以補償轉子因為負載的速降，消除調速靜差，從而保證轉子的速度維持恒定。
變頻器的轉差補償依據(jù)電機的機械特性進行，變頻器要求輸入電機銘牌參數(shù)，依據(jù)銘牌參數(shù)來確定電機的控制數(shù)學模型，轉差補償量應為:
式中:f為轉差補償量;
n0為電機銘牌的空載轉速;
ne為電機銘牌的額定轉速;
m為電機輸出轉矩;
me為電機額定轉矩。
由于電機在變頻控制調速過程中，不同公司的電機的阻抗不同，所以轉差補償有時是欠補償，有時為過補償。因此對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)精度會有一定的影響。
所以在使用變頻器的過程中合理使用轉差補償會消除靜差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。調節(jié)轉差補償可以獲得與特殊的機械特性的匹配，在板紙機、瓦楞紙機調試運行中非常重要。
5 變頻器功能的基本要求
造紙機傳動系統(tǒng)對變頻器功能的要求與選擇的上位控制系統(tǒng)有關，不同的控制方式對變頻器的功能有不同的要求。紙機一般要求在操作臺上能夠對變頻器進行起停、爬行/運行、速度微調等控制操作;能夠顯示分部線速度、電機電流等功能;能夠顯示變頻器工作狀態(tài)等功能。
下面列舉在不同的控制方式下對變頻器的功能要求。
5.1 模擬控制與速度鏈控制器控制
要求變頻器有兩路以上的模擬量輸入和輸出功能;兩路以上的數(shù)字量輸入功能;兩路數(shù)字量輸出功能。
兩路模擬量輸入用于速度給定和反饋輸入，第三路模擬量輸入用于速度附加給定控制。兩路模擬量輸出一路用于顯示分部線速度，一路用于顯示變頻器輸出電流。兩路以上的數(shù)字量輸入用于起停控制和爬行/運行轉換控制。兩路數(shù)字量輸出用于顯示變頻器的工作狀態(tài)。
5.2 電動電位器控制方式
要求變頻器有兩路模擬量輸出功能;四路以上的數(shù)字量輸入功能;兩路數(shù)字量輸出功能。
兩路模擬量輸出一路用于顯示分部線速度，一路用于顯示變頻器輸出電流。兩路數(shù)字量輸入用于起停控制和爬行/運行轉換控制;兩路數(shù)字量用于速度微調控制。兩路數(shù)字量輸出用于顯示變頻器的工作狀態(tài)。
5.3 plc通訊控制方式
plc通訊控制方式按照操作方式分有兩種控制方式，一種是采用傳統(tǒng)的按鈕操作方式，另一種為觸摸屏操作方式。這兩種控制方式要求變頻器有通訊控制功能和對應的通訊適配器。如modbus網(wǎng)絡要求有modbus通訊板; profibus-dp總線要求有profibus-dp通訊板。
(1) 按鈕控制方式要求變頻器有兩路模擬量輸出功能;兩路的數(shù)字量輸入功能;兩路數(shù)字量輸出功能。兩路模擬量輸出一路用于顯示分部線速度，一路用于顯示變頻器輸出電流。兩路數(shù)字量輸入用于起停控制和爬行/運行轉換控制;兩路數(shù)字量輸出用于顯示變頻器的工作狀態(tài)。
(2) 觸摸屏控制方式要求變頻器有一路數(shù)字量輸入，用于急停功能。其它顯示控制都在觸摸屏上進行。
6 應用實例
就以上介紹，現(xiàn)以abb公司acs800變頻器應用在造紙機主傳動為例，說明如何選擇變頻器，系統(tǒng)原理圖如圖2、圖3所示。
圖2 造紙機主傳動變頻調速系統(tǒng)原理圖
圖3 造紙機主傳動控制原理圖
在這里，首先確定造紙機主傳動變頻器選恒轉矩系列，acs800變頻器能滿足要求，另外還要考慮頻率分辯率，acs800變頻器頻率分辯率0.01hz，即若一臺四極電機，當最小頻率變化為分辨率時，設造紙機車速為450m/min，那么它的速度變化約為0.09 m/min，即造紙機線速度1min變化9cm，完全能滿足速度微調要求。本例所設計的主傳動系統(tǒng)選擇電動電位器方式，由于篇幅限制，僅畫出一臺變頻器的原理圖，圖中pn011為反饋板(因變頻器輸入端子只接受模擬信號，而編碼器輸出為數(shù)字信號，所以需要轉換一下，本圖中反饋板為我單位專利產(chǎn)品，實際選擇時設計人員可根據(jù)自身情況選擇各變頻器廠家配套的反饋卡);t012為反饋板的工作電源變壓器;pn012為測速表，前面提到如何選擇各種端口問題，本例中有兩塊指示電流表，pa011、pa012一塊在控制柜，另外一塊安裝在操作臺用于轉矩指示，這就需要有兩路以上模擬輸出(當然實際中也可選用外裝電流互感器，但從經(jīng)濟角度講不支持)，造紙機傳動工藝要求有啟動、停止、加速、減速、爬行/運行、單動/聯(lián)動等功能，其中啟動、停止、加速、減速、爬行/運行這些功能要求用數(shù)字口來實現(xiàn)(圖中di口)，本圖中，加、減速用一輔助plc來實現(xiàn)，其他由變頻器自身端口完成，這需要考慮di口數(shù)量，abb系列變頻器有6組數(shù)字輸入口，完全可滿足要求。系統(tǒng)指示燈用變頻器自身提供的繼電輸出觸點來實現(xiàn)。
總之，選擇變頻器時，在基本框架確定后，一定要選擇在設計或功能實現(xiàn)時盡量節(jié)省外部附加回路的變頻器。這樣，一方面減少設計外部回路的工作量及實物投資，另一方面也可以減少系統(tǒng)復雜程度，從而減少出現(xiàn)故障的幾率。當然，若在本例設計中全部功能用通訊(plc通訊控制)控制的話，只需在滿足恒轉矩及頻率分辯率較高的條件下選擇合適性價比的產(chǎn)品即可。所以，如何選擇一臺變頻器要具體情況具體分析。
7 結束語
一臺造紙機能否正常運轉并能使其所生產(chǎn)出的產(chǎn)品滿足客戶的要求，不僅僅是工藝一方面所能決定，其電氣傳動控制系統(tǒng)也起到舉足輕重的作用。因此，如何選擇一套好的傳動系統(tǒng)(即選擇一種好的系統(tǒng)的核心裝置——變頻器)就顯得尤為重要，文中為作者從事多年造紙傳動系統(tǒng)設計相關工作的所得的經(jīng)驗，供大家參考。
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