造紙機變頻改造設計方案

造紙企業(yè)是高能耗企業(yè)每噸紙所耗電能在500 度以上，電能消耗十分嚴重。傳統的造紙機械的采用SCR 直流調速(大功率)和滑差電機(小功率)傳動(dòng)， 在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常由于機械磨損、傳動(dòng)帶的打滑等因數造成速度匹配失調，形成斷紙、厚度不均等現象。為了降低能耗、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、現代化的造紙設備多采用多電機分部傳動(dòng)，即在每一個(gè)傳動(dòng)分部安裝交流電動(dòng)機并配制相應的特制變頻器、要求各分部能夠不僅實(shí)現同步控制，而且能夠在一定的范圍內調速。全數字化的控制系統使設備的自動(dòng)化程度提高了一個(gè)檔次， 它特有的全程在線(xiàn)監控系統讓用戶(hù)非常清晰的了解到設備的生產(chǎn)現狀。

二、 方案設計

1、造紙工藝

造紙機械的基本組成部分按照紙張形成的順序分為網(wǎng)部、壓榨、前干燥、后壓榨、后干燥、壓光機、卷紙機等。其工藝為流漿箱輸出的紙漿在網(wǎng)部脫水成型，在壓榨部進(jìn)行壓縮使紙層均勻，經(jīng)過(guò)前干燥進(jìn)行干燥，接著(zhù)進(jìn)入后壓榨進(jìn)行施膠，再進(jìn)入后干燥器烘干處理，然后利用壓光機使紙張平滑，最后通過(guò)卷紙機形成母紙卷。

2、控制方案

造紙機傳動(dòng)控制系統是一種轉速恒定、負載基本恒定的穩速系統。從控制特性上可分為：速度控制、轉矩控制、負荷分配控制三種基本控制方式，其控制要求為速度長(cháng)期穩定，動(dòng)態(tài)恢復時(shí)間盡可能短。根據紙機對象特性.控制方案可歸納為多分部同步速度控制鏈控制、負荷分配控制分部控制系統這兩種典型的結構形式。負荷分配控制分部方案通常應用于大型的造紙設備上，具有功率大線(xiàn)速高等優(yōu)點(diǎn)，但其控制系統成本高，不適合應用于中小型造紙機上。多分部同步速度控制是利用恒轉矩電機和矢量變頻來(lái)實(shí)現速度同步功能實(shí)現整機同步，同時(shí)利用變頻的矢量控制功能來(lái)修正設備分部因負荷變化而導致的速度變化。具有調速廣、成本低、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，多用于中小型造紙機。下面我們具體介紹一下造紙機上使用的多分部同步速度傳動(dòng)系統：

造紙機由紙漿到形成紙張，需經(jīng)過(guò)多個(gè)分部，因此是一個(gè)多單元的速度協(xié)調系統。各個(gè)分部間的速度要求嚴格配合，根據工藝流程，一般有下表所示關(guān)系，只要其中一個(gè)分部速度不穩，就會(huì )無(wú)法維持生產(chǎn)，紙幅不是斷裂，就是松垮下來(lái)。如果整臺紙機車(chē)速不穩，就不能保證紙張的定量(每平方米紙頁(yè)的質(zhì)量) 不變。因此要求紙機的各分部都能穩速。且各分部之間滿(mǎn)足一定的速比關(guān)系; 此時(shí)應采用多分部同步速鏈控制系統。

一般造紙機各分部的速比關(guān)系

造紙機各分部的速比

各部名稱(chēng)

以粘狀漿制成紙張(如電容紙、仿牛皮紙) 一般紙張(如書(shū)寫(xiě)紙、印刷紙)

伏輥 89-91 94-95.5

第一壓榨 94-96 96-97

第二壓榨 97-98 97.5-98

第三壓榨 98.5-99 98.5-99

干燥部 100 100

壓光機 100.05-100.15 100.05-100.15

卷取機 100.10-100.30 100.10-100.30

1.多分部同步速度鏈控制原理

假設造紙機傳動(dòng)系統有n 個(gè)分部，各分部速度分別為：N1、N2、...、Nn，相鄰

兩個(gè)分部速度比分別為K1、K2、...、Kn-1，那么可有如下關(guān)系式：

N2=K1 N1

N3=K2 N2=K2K1 N1

N4=K3 N3=K3K2K1 N1

...

Nn=Kn-1 Nn-1=Kn-1...K1 N1

上式中N1為第一傳動(dòng)點(diǎn)的速度，也稱(chēng)為全線(xiàn)速度。改變全線(xiàn)速度N1，其余各傳動(dòng)點(diǎn)速度N2、...、Nn 都會(huì )隨之成比例改變，但改變速比K i(i=1、2、...、 n-1)，只有第i 個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)后面的傳動(dòng)速度會(huì )改變，i 之前的各傳動(dòng)點(diǎn)速度不會(huì )改變。

例如：調整速比K3，傳動(dòng)速度N4、N5、...Nn 都會(huì )改變，但N1、N2、N3 不會(huì )改變

2.多分部同步速度鏈控制系統的實(shí)現

這種系統的特點(diǎn)是各傳動(dòng)點(diǎn)之間只存在速比關(guān)系，無(wú)負荷分配控制。這種系統較為簡(jiǎn)單，可以滿(mǎn)足多種紙機和變頻器相結合的需要，同步速度鏈可以是模擬式速度鏈、數字式速度鏈以及PLC程序式速度鏈，以下分別說(shuō)明其原理。

1)模擬式速度鏈

這種速度鏈在直流傳動(dòng)時(shí)代就已經(jīng)被采用了，其原理如下圖所示。

其中N1是全線(xiàn)速度，只有第一傳動(dòng)點(diǎn)能改變全線(xiàn)速度，其余各點(diǎn)只能微調，范圍大約在5%-10%之間。模擬速度鏈的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、靈活、成本低，缺點(diǎn)是抗干擾能力較差，當信號線(xiàn)較長(cháng)時(shí)使用受到限制，存在可靠性差、功能不足等缺點(diǎn)。

2)PLC 程序式速度鏈

對于大型多傳動(dòng)點(diǎn)的紙機能很好的解決模擬式速度鏈的可靠性差、功能不足等問(wèn)題。該控制器采用進(jìn)口的可編程序控制器(PLC)作為現場(chǎng)的控制中心，設備所有的輸入控制開(kāi)關(guān)、保護接點(diǎn)及輸出點(diǎn)通過(guò)光電隔離進(jìn)出PLC，有效屏蔽掉了現場(chǎng)的干擾信號，中央處理器運行的可靠運行得到保障。原來(lái)的電氣驅動(dòng)部分采用直流調速。改造后將采用以PLC+工控機作中央控制器控制多變頻全數字化的控制系統(見(jiàn)圖1)。依據具體控制要求設計控制方案如下：

(1)PLC 對八臺特制變頻器均采用閉環(huán)矢量控制，從而增加變頻調速的控制精度及系統的啟動(dòng)能力，實(shí)現在線(xiàn)無(wú)級調速(見(jiàn)圖2)。各電機之間相互關(guān)聯(lián)同步，驅動(dòng)器具有同步加減速功能。