ABB變頻器主從控制在工業(yè)上的應用

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)栏裢?，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：

　?。?）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。

　?。?）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。

　　2.3.2 abb變頻器主從控制原理及參數設置

　?。?） 主從控制原理

　　abbacs800系列變頻器主從控制采用直接轉矩（dtc）作為其核心控制原理。而直接轉矩控制技術(shù)是在變頻器內部建立了一個(gè)交流異步電動(dòng)機的軟件數學(xué)模型，根據實(shí)測的直流母線(xiàn)電壓、開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流計算出一組精確的電機轉矩和定子磁通實(shí)際值，并將這些參數值直接應用于控制輸出單元的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，變頻器的每一次開(kāi)關(guān)狀態(tài)都是單獨確定的，這意味著(zhù)可以產(chǎn)生實(shí)現最佳的開(kāi)關(guān)組合并對負載變化作出快速地轉矩響應，并將轉矩相應限制在一拍以?xún)?，且無(wú)超調，真正實(shí)現了對電動(dòng)機轉矩和轉速的實(shí)時(shí)控制?？刂圃砣鐖D3所示。

　　在主從控制應用中，外部信號（包括起動(dòng)、停止、給定信號等）只與主機變頻器相連，主機通過(guò)光纖將從機控制字和轉速給定值、轉矩給定值廣播給所有的從機，實(shí)現對從機的控制。從機一般不通過(guò)主從通訊鏈路向主機發(fā)送任何反饋數據，從機的故障信號單獨連至主機的運行使能信號端，形成聯(lián)鎖。一旦發(fā)生故障，聯(lián)鎖將停止主機和從機的運行。

　　主機發(fā)送給從機的的控制字是一個(gè)16位字，其中僅b3（run）、b7（reset）、b10（remote－cmd）使用，當從機參數10.01（ext1start/stop／dir）或10.02（ext2start/stop/dir）設置為comm.cw時(shí)，控制字命令有效。給定值是包括1個(gè)符號位和15個(gè)整數位的16位字，給定1為速度給定，給定2為轉矩給定。在從機中，要將給定1定義為從機的外部速度給定，需將參數11.03（extref1 select）設置為comm.ref；要將給定2定義為從機的外部轉矩給定，需將參數11.06（ext ref2select）設置為comm.ref。

　　圖4為主機和從機為剛性連接時(shí)，從機跟隨主機轉矩給定的控制原理圖。主機采用速度控制方式，即速度給定speedref3與實(shí)際速度actual speed相比較，通過(guò)pi調節器得到轉矩給定值torqref3，該值經(jīng)過(guò)頻率限幅、直流電壓限幅、功率限幅和轉矩限幅后，得到最終的轉矩給定值torq refused。該值和定子磁通給定值分別同相應的實(shí)際值在滯環(huán)比較器內進(jìn)行比較，得到最優(yōu)的pwm信號，最終通過(guò)驅動(dòng)逆變器的開(kāi)關(guān)器件達到調節轉速的目的。主機速度環(huán)輸出的最終轉矩給定值torqref used同時(shí)作為從機的轉矩給定值，實(shí)現主機和從機的負載轉矩平衡分配。

　　由于從機采用轉矩控制，其轉速由主機速度和機械耦合度共同決定。當機械耦合緊密時(shí)，從機速度保持與主機同步；當由于機械原因導致耦合度變差時(shí)，從機實(shí)際負載轉矩減少，來(lái)自主機的給定轉矩torqrefused大于從機的實(shí)際負載轉矩，從而引起從機轉速的迅速升高，直到達到其轉速的限幅值，如圖5（a）所示。此時(shí)，從機由轉矩控制方式轉變?yōu)樗俣瓤刂品绞?，速度給定值為轉速限幅值。在工程中，為防止主從機速度相差過(guò)大，在從機的速度環(huán)節中增加了窗口控制功能。窗口控制原理如圖5（b）所示。當從機轉速超過(guò)窗口控制所設定的轉速范圍后，窗口控制功能激活從機轉速pi調節器輸出torqref2，該輸出值與主機轉矩給定值的和作為最終的從機轉矩給定值torq ref used，保證從機轉速限制在窗口限定的范圍之內。

　　圖6為主機與從機為柔性連接時(shí)，從機跟隨主機速度給定的控制原理圖。主機為速度控制方式，轉速給定為speedref3。從機跟隨主機的轉速給定，給定值為speedref3，主機轉矩給定值無(wú)效。在此控制方式中，主機和從機轉矩下垂功能的使用保證了負載功率在主從機上的平均分配。當從機因摩擦力下滑等原因出現部分卸載情況時(shí)，從機輸出轉矩降低，在轉矩下垂功能的作用下，實(shí)際給定轉速略有升高，實(shí)際輸出功率變化不大。此時(shí)，主機承受的負載增加，其內部輸出轉矩相應提高，而轉矩下垂功能使給定轉速下降，從而保證主機輸出功率的平衡。當從機摩擦力恢復后，從機承受的負載增加，內部輸出轉矩相應增加，實(shí)際給定轉速減少；主機承受負載減少，內部輸出轉矩相應減少，實(shí)際給定轉速相應提高。由于轉矩下垂功能的存在，主從機在一定程度上可以實(shí)現負載功率的平均分配。

　?。?） 主從機參數設置

　　abb acs800系列變頻器主從機參數設置如表1～2所示，具體信息可參考文獻［2］。

　　需要注意的是，當從機采用跟隨主機轉矩控制時(shí)，如采用窗口控制功能，參數組60.02應選擇參數add，表示窗口控制對轉矩控制模式下的從機進(jìn)行速度監視。

　　在轉速偏差在參數定義的范圍內，從機遵循主機的轉矩給定信號，窗口控制將會(huì )保持從機速度調節器的輸入和輸出為零。

　　若轉速偏差超出窗口范圍，窗口控制將誤差傳至速度調節器。速度調節器輸出將會(huì )增加或減少內部轉矩給定值，將轉速限制在窗口定義的轉速范圍內。

3 應用主從案例分析

　　山西朔州中煤集團的皮帶運輸機采用兩臺大功率電機主從連接的傳動(dòng)方式，保證負載的分配平衡。由于應用場(chǎng)合的差異，該廠(chǎng)采用了兩種不同的主從控制方式，即主機采用轉速控制方式，從機采用跟隨主機轉矩和跟隨主機轉速的控制方式。傳動(dòng)系統參數如下：

　　電機參數：額定電壓為660v；額定電流為720.9a；額定功率為710kw；額定轉速為1448r/min；額定頻率為50hz。

　　變頻器：2 × acs800-07-1700-7

　　3.1 從機跟隨主機轉矩的控制方式

　　圖7為兩臺電機通過(guò)同一個(gè)減速機同軸聯(lián)結（剛性連接）的主從波形圖。采用abb傳動(dòng)調試軟件drivewindow監測主機和從機在工作過(guò)程中的轉速（［1］代表主機，［4］代表從機）、電流（［2］代表主機，［5］代表從機）和輸出轉矩（［3］代表主機，［6］代表從機）的波形。圖7中的數值為相應的實(shí)測值。主機給定轉速為1480r/min。由圖可見(jiàn)，從機跟隨主機的轉矩輸出，兩電機分別輸出額定轉矩的約37.4%左右，負載分配基本平衡，兩電機實(shí)際輸出電流約為320a左右。由于主從機為剛性連接，主從機轉速由機械結構保持同步，實(shí)際轉速為1480r/min左右。

　　3.2 從機跟隨主機轉速的控制方式

　　圖8為兩臺電機通過(guò)皮帶機同軸聯(lián)結（柔性連接）的主從波形圖。采用abb傳動(dòng)調試軟件drivewindow監測主機和從機在工作過(guò)程中的轉速（［1］代表主機，［3］代表從機）和輸出轉矩（［2］代表主機，［4］代表從機）的波形。圖中的數值為相應的實(shí)測值。主機給定轉速為200r/min。由圖8可見(jiàn)，由于從機采用轉速控制，從機轉速保持與主機一致，維持在200r/min左右。由于系統為柔性連接，主從機所承受的負載轉矩略有不同，因此，其輸出轉矩也略有差別，但基本維持在電機額定轉矩的28%左右，兩電機輸出功率基本相同。

4 結束語(yǔ)

　　由以上分析可知，在工業(yè)應用中，針對同軸連接需要同步運行的場(chǎng)合，主從控制是一種最佳的選擇方案，不僅能夠保證多個(gè)同軸電機的同步運行，而且可較好地實(shí)現負載的均勻分配，減少了設備因不同步、負載分配不平衡而導致的系統故障和產(chǎn)品質(zhì)量差等現象的發(fā)生，保證了生產(chǎn)的正常高效的進(jìn)行。