采用主從控制使變頻器得到理想同步控制效果解析方案

1 引言

近年來(lái)，隨著(zhù)我國自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化取得了長(cháng)足的進(jìn)步。變頻器由于性能穩定、節能環(huán)保、性?xún)r(jià)比高，在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。其中，冶金、造紙等行業(yè)對電氣控制系統的轉速和轉矩的動(dòng)靜態(tài)指標有著(zhù)較高的要求，在轉爐或紙機的電氣控制上要求各部分驅動(dòng)電機轉矩或轉速?lài)栏?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/同步">同步，否則，無(wú)法維持正常生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，有許多因素都會(huì )干擾電機的同步控制，例如電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、頻率的變化、負載的突變、溫度的改變等。因此，為了得到理想的同步控制效果，采用主從控制是比較好的解決方案之一。

2 同步運行方案的選擇

工業(yè)中同一臺設備或者同一條生產(chǎn)線(xiàn)的各個(gè)運動(dòng)部分通常采用一臺大功率電機或多臺相對功率較小的電機分別拖動(dòng)的方式，而這些不同的運動(dòng)部分彼此間在運動(dòng)速度、轉矩等參數方面常常有配合協(xié)調關(guān)系，這就要求在各電動(dòng)機的調速控制之間建立某種關(guān)系，這就是所謂的同步運行問(wèn)題。

同步運行是變頻調速在工業(yè)應用中比較復雜和要求很高的領(lǐng)域。正確選擇同步控制方案，是在同步運行領(lǐng)域正確設計變頻調速系統的關(guān)鍵因素。通常，同步運行主要可以采用以下三種方式實(shí)現。

2.1 單臺大功率電機

對于大功率負載，一般選用一臺大功率電機及相應功率的變頻器組成其傳動(dòng)系統。相對于多電機電氣傳動(dòng)系統，單臺大功率電機傳動(dòng)系統由于只有一個(gè)傳動(dòng)速度，同步性能最優(yōu)。然而，也正是由于該系統的唯一性，任何一個(gè)設備發(fā)生故障都將導致整個(gè)系統的停機，系統冗余性差，而且由于電機、變頻器等電氣設備的功率較大，維護困難，恢復時(shí)間較長(cháng)。

2.2 群拖

用一臺變頻器帶動(dòng)多臺電動(dòng)機同步運行的方式，稱(chēng)為群拖。這時(shí)變頻器的輸出側就成了供電母線(xiàn)，各電動(dòng)機接受同頻率同幅值的電壓。在電動(dòng)機規格相同時(shí)，彼此間總是運行在理想空載轉速相同、斜率也大致相同的機械特性上，當負載大致一致時(shí)，實(shí)際轉速也大致相同。

由于矢量控制和直接轉矩控制都不能用于群拖方式，因此，群拖方式只能采用恒壓頻比控制方式。由于恒壓頻比控制方式的穩態(tài)和動(dòng)態(tài)調速性能都不高，且低速時(shí)帶載能力差，起動(dòng)轉矩低，一般應用于調速性能要求不高的場(chǎng)合。另外，群拖方式下，各電動(dòng)機只是理想空載轉速一致，而實(shí)際轉速由機械特性曲線(xiàn)和負載力矩決定，因此，群拖方式下的各個(gè)電機轉速并不能保證完全一致，同步性不高，故群拖方式只能用于同步運行要求不高的場(chǎng)合。

2.3 主從控制

2.3.1 主從控制連接方式

主從控制是為多電機傳動(dòng)系統設計，每臺電機分別由單獨的變頻器控制，因此，主從控制可以采用具有轉矩控制能力的矢量控制和直接轉矩控制方法。利用這個(gè)高性能的控制算法，可在同步運行的機構之間建立合理的負載分配關(guān)系，充分發(fā)揮各電動(dòng)機的轉矩輸出能力。主從控制連接方式一般有以下兩種：

(1)主機和從機的電機軸通過(guò)齒輪、鏈條等進(jìn)行剛性連接，如圖1(a)所示。從機采用轉矩控制模式，以使傳動(dòng)單元之間平均分配負載轉矩，此時(shí)是由機械結構保證轉速同步，由于每臺電機分別由單獨的變頻器控制，保證了各電動(dòng)機承擔的負載分配合理，防止出現分配轉矩嚴重不平衡，甚至彼此頂?，F象的發(fā)生。

(2)當主機和從機的電機軸采用柔性連接時(shí)，如圖1(b)所示。從機應該采用速度控制方式，在這種情況下，機械結構已經(jīng)不能保證同步運行的要求，由變頻器組成的傳動(dòng)系統除了采用速度控制方式解決轉速同步問(wèn)題，同時(shí)還要利用轉矩下垂特性實(shí)現負載轉矩在各個(gè)電機上的平均分配。

圖2示出了轉矩下垂功能原理：用參數規定額定負載轉矩下的轉速差，而系統根據實(shí)際轉矩和給定轉速決定實(shí)際的速度給定值，如式(1)所示。這樣，系統根據轉矩情況自動(dòng)調整給定轉速，具備了速度適應能力。因此，轉矩下垂特性允許主機和從機之間存在微小的速度差。

式中，n為實(shí)際給定轉速，n0為給定轉速，δn為轉速差，t為實(shí)際轉矩，t0為額定轉矩。