ABB變頻器主從控制在工業(yè)上的應(yīng)用

1 引言

　　近年來(lái)，隨著我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。變頻器由于性能穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保、性價(jià)比高，在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中，冶金、造紙等行業(yè)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)有著較高的要求，在轉(zhuǎn)爐或紙機(jī)的電氣控制上要求各部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速嚴(yán)格同步，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(jī)的同步控制，例如電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、頻率的變化、負(fù)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(yùn)行方案的選擇

　　工業(yè)中同一臺(tái)設(shè)備或者同一條生產(chǎn)線的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部分通常采用一臺(tái)大功率電機(jī)或多臺(tái)相對(duì)功率較小的電機(jī)分別拖動(dòng)的方式，而這些不同的運(yùn)動(dòng)部分彼此間在運(yùn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)方面常常有配合協(xié)調(diào)關(guān)系，這就要求在各電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制之間建立某種關(guān)系，這就是所謂的同步運(yùn)行問(wèn)題。

　　同步運(yùn)行是變頻調(diào)速在工業(yè)應(yīng)用中比較復(fù)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(yùn)行領(lǐng)域正確設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。通常，同步運(yùn)行主要可以采用以下三種方式實(shí)現(xiàn)。

　　2.1 單臺(tái)大功率電機(jī)

　　對(duì)于大功率負(fù)載，一般選用一臺(tái)大功率電機(jī)及相應(yīng)功率的變頻器組成其傳動(dòng)系統(tǒng)。相對(duì)于多電機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，單臺(tái)大功率電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)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(tǒng)的唯一性，任何一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障都將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的停機(jī)，系統(tǒng)冗余性差，而且由于電機(jī)、變頻器等電氣設(shè)備的功率較大，維護(hù)困難，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。

　　2.2 群拖

　　用一臺(tái)變頻器帶動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行的方式，稱為群拖。這時(shí)變頻器的輸出側(cè)就成了供電母線，各電動(dòng)機(jī)接受同頻率同幅值的電壓。在電動(dòng)機(jī)規(guī)格相同時(shí)，彼此間總是運(yùn)行在理想空載轉(zhuǎn)速相同、斜率也大致相同的機(jī)械特性上，當(dāng)負(fù)載大致一致時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速也大致相同。

　　由于矢量控制和直接轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)速性能都不高，且低速時(shí)帶載能力差，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低，一般應(yīng)用于調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合。另外，群拖方式下，各電動(dòng)機(jī)只是理想空載轉(zhuǎn)速一致，而實(shí)際轉(zhuǎn)速由機(jī)械特性曲線和負(fù)載力矩決定，因此，群拖方式下的各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)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(yùn)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(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，每臺(tái)電機(jī)分別由單獨(dú)的變頻器控制，因此，主從控制可以采用具有轉(zhuǎn)矩控制能力的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方法。利用這個(gè)高性能的控制算法，可在同步運(yùn)行的機(jī)構(gòu)之間建立合理的負(fù)載分配關(guān)系，充分發(fā)揮各電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。主從控制連接方式一般有以下兩種：

　?。?）主機(jī)和從機(jī)的電機(jī)軸通過(guò)齒輪、鏈條等進(jìn)行剛性連接，如圖1（a）所示。從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式，以使傳動(dòng)單元之間平均分配負(fù)載轉(zhuǎn)矩，此時(shí)是由機(jī)械結(jié)構(gòu)保證轉(zhuǎn)速同步，由于每臺(tái)電機(jī)分別由單獨(dú)的變頻器控制，保證了各電動(dòng)機(jī)承擔(dān)的負(fù)載分配合理，防止出現(xiàn)分配轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重不平衡，甚至彼此頂?，F(xiàn)象的發(fā)生。

　?。?）當(dāng)主機(jī)和從機(jī)的電機(jī)軸采用柔性連接時(shí)，如圖1（b）所示。從機(jī)應(yīng)該采用速度控制方式，在這種情況下，機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能保證同步運(yùn)行的要求，由變頻器組成的傳動(dòng)系統(tǒng)除了采用速度控制方式解決轉(zhuǎn)速同步問(wèn)題，同時(shí)還要利用轉(zhuǎn)矩下垂特性實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在各個(gè)電機(jī)上的平均分配。

　　圖2示出了轉(zhuǎn)矩下垂功能原理：用參數(shù)規(guī)定額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速差，而系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)矩和給定轉(zhuǎn)速?zèng)Q定實(shí)際的速度給定值，如式（1）所示。這樣，系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)矩情況自動(dòng)調(diào)整給定轉(zhuǎn)速，具備了速度適應(yīng)能力。因此，轉(zhuǎn)矩下垂特性允許主機(jī)和從機(jī)之間存在微小的速度差。

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

　　2.3.2 abb變頻器主從控制原理及參數(shù)設(shè)置

　?。?） 主從控制原理

　　abbacs800系列變頻器主從控制采用直接轉(zhuǎn)矩（dtc）作為其核心控制原理。而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是在變頻器內(nèi)部建立了一個(gè)交流異步電動(dòng)機(jī)的軟件數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)測(cè)的直流母線電壓、開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流計(jì)算出一組精確的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子磁通實(shí)際值，并將這些參數(shù)值直接應(yīng)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(dú)確定的，這意味著可以產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)最佳的開(kāi)關(guān)組合并對(duì)負(fù)載變化作出快速地轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，并將轉(zhuǎn)矩相應(yīng)限制在一拍以內(nèi)，且無(wú)超調(diào)，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制?？刂圃砣鐖D3所示。

　　在主從控制應(yīng)用中，外部信號(hào)（包括起動(dòng)、停止、給定信號(hào)等）只與主機(jī)變頻器相連，主機(jī)通過(guò)光纖將從機(jī)控制字和轉(zhuǎn)速給定值、轉(zhuǎn)矩給定值廣播給所有的從機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)從機(jī)的控制。從機(jī)一般不通過(guò)主從通訊鏈路向主機(jī)發(fā)送任何反饋數(shù)據(jù)，從機(jī)的故障信號(hào)單獨(dú)連至主機(jī)的運(yùn)行使能信號(hào)端，形成聯(lián)鎖。一旦發(fā)生故障，聯(lián)鎖將停止主機(jī)和從機(jī)的運(yùn)行。

　　主機(jī)發(fā)送給從機(jī)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(dāng)從機(jī)參數(shù)10.01（ext1start/stop／dir）或10.02（ext2start/stop/dir）設(shè)置為comm.cw時(shí)，控制字命令有效。給定值是包括1個(gè)符號(hào)位和15個(gè)整數(shù)位的16位字，給定1為速度給定，給定2為轉(zhuǎn)矩給定。在從機(jī)中，要將給定1定義為從機(jī)的外部速度給定，需將參數(shù)11.03（extref1 select）設(shè)置為comm.ref；要將給定2定義為從機(jī)的外部轉(zhuǎn)矩給定，需將參數(shù)11.06（ext ref2select）設(shè)置為comm.ref。

　　圖4為主機(jī)和從機(jī)為剛性連接時(shí)，從機(jī)跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定的控制原理圖。主機(jī)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(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩限幅后，得到最終的轉(zhuǎn)矩給定值torq refused。該值和定子磁通給定值分別同相應(yīng)的實(shí)際值在滯環(huán)比較器內(nèi)進(jìn)行比較，得到最優(yōu)的pwm信號(hào)，最終通過(guò)驅(qū)動(dòng)逆變器的開(kāi)關(guān)器件達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。主機(jī)速度環(huán)輸出的最終轉(zhuǎn)矩給定值torqref used同時(shí)作為從機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡分配。

　　由于從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制，其轉(zhuǎn)速由主機(jī)速度和機(jī)械耦合度共同決定。當(dāng)機(jī)械耦合緊密時(shí)，從機(jī)速度保持與主機(jī)同步；當(dāng)由于機(jī)械原因?qū)е埋詈隙茸儾顣r(shí)，從機(jī)實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩減少，來(lái)自主機(jī)的給定轉(zhuǎn)矩torqrefused大于從機(jī)的實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而引起從機(jī)轉(zhuǎn)速的迅速升高，直到達(dá)到其轉(zhuǎn)速的限幅值，如圖5（a）所示。此時(shí)，從機(jī)由轉(zhuǎn)矩控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣瓤刂品绞?，速度給定值為轉(zhuǎn)速限幅值。在工程中，為防止主從機(jī)速度相差過(guò)大，在從機(jī)的速度環(huán)節(jié)中增加了窗口控制功能。窗口控制原理如圖5（b）所示。當(dāng)從機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)窗口控制所設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍后，窗口控制功能激活從機(jī)轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器輸出torqref2，該輸出值與主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值的和作為最終的從機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值torq ref used，保證從機(jī)轉(zhuǎn)速限制在窗口限定的范圍之內(nèi)。

　　圖6為主機(jī)與從機(jī)為柔性連接時(shí)，從機(jī)跟隨主機(jī)速度給定的控制原理圖。主機(jī)為速度控制方式，轉(zhuǎn)速給定為speedref3。從機(jī)跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)速給定，給定值為speedref3，主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值無(wú)效。在此控制方式中，主機(jī)和從機(jī)轉(zhuǎn)矩下垂功能的使用保證了負(fù)載功率在主從機(jī)上的平均分配。當(dāng)從機(jī)因摩擦力下滑等原因出現(xiàn)部分卸載情況時(shí)，從機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降低，在轉(zhuǎn)矩下垂功能的作用下，實(shí)際給定轉(zhuǎn)速略有升高，實(shí)際輸出功率變化不大。此時(shí)，主機(jī)承受的負(fù)載增加，其內(nèi)部輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)提高，而轉(zhuǎn)矩下垂功能使給定轉(zhuǎn)速下降，從而保證主機(jī)輸出功率的平衡。當(dāng)從機(jī)摩擦力恢復(fù)后，從機(jī)承受的負(fù)載增加，內(nèi)部輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)增加，實(shí)際給定轉(zhuǎn)速減少；主機(jī)承受負(fù)載減少，內(nèi)部輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減少，實(shí)際給定轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高。由于轉(zhuǎn)矩下垂功能的存在，主從機(jī)在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率的平均分配。

　?。?） 主從機(jī)參數(shù)設(shè)置

　　abb acs800系列變頻器主從機(jī)參數(shù)設(shè)置如表1～2所示，具體信息可參考文獻(xiàn)［2］。

　　需要注意的是，當(dāng)從機(jī)采用跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，如采用窗口控制功能，參數(shù)組60.02應(yīng)選擇參數(shù)add，表示窗口控制對(duì)轉(zhuǎn)矩控制模式下的從機(jī)進(jìn)行速度監(jiān)視。

　　在轉(zhuǎn)速偏差在參數(shù)定義的范圍內(nèi)，從機(jī)遵循主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，窗口控制將會(huì)保持從機(jī)速度調(diào)節(jié)器的輸入和輸出為零。

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

3 應(yīng)用主從案例分析

　　山西朔州中煤集團(tuán)的皮帶運(yùn)輸機(jī)采用兩臺(tái)大功率電機(jī)主從連接的傳動(dòng)方式，保證負(fù)載的分配平衡。由于應(yīng)用場(chǎng)合的差異，該廠采用了兩種不同的主從控制方式，即主機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制方式，從機(jī)采用跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩和跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方式。傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如下：

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

　　變頻器：2 × acs800-07-1700-7

　　3.1 從機(jī)跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制方式

　　圖7為兩臺(tái)電機(jī)通過(guò)同一個(gè)減速機(jī)同軸聯(lián)結(jié)（剛性連接）的主從波形圖。采用abb傳動(dòng)調(diào)試軟件drivewindow監(jiān)測(cè)主機(jī)和從機(jī)在工作過(guò)程中的轉(zhuǎn)速（［1］代表主機(jī)，［4］代表從機(jī)）、電流（［2］代表主機(jī)，［5］代表從機(jī)）和輸出轉(zhuǎn)矩（［3］代表主機(jī)，［6］代表從機(jī)）的波形。圖7中的數(shù)值為相應(yīng)的實(shí)測(cè)值。主機(jī)給定轉(zhuǎn)速為1480r/min。由圖可見(jiàn)，從機(jī)跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，兩電機(jī)分別輸出額定轉(zhuǎn)矩的約37.4%左右，負(fù)載分配基本平衡，兩電機(jī)實(shí)際輸出電流約為320a左右。由于主從機(jī)為剛性連接，主從機(jī)轉(zhuǎn)速由機(jī)械結(jié)構(gòu)保持同步，實(shí)際轉(zhuǎn)速為1480r/min左右。

　　3.2 從機(jī)跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方式

　　圖8為兩臺(tái)電機(jī)通過(guò)皮帶機(jī)同軸聯(lián)結(jié)（柔性連接）的主從波形圖。采用abb傳動(dòng)調(diào)試軟件drivewindow監(jiān)測(cè)主機(jī)和從機(jī)在工作過(guò)程中的轉(zhuǎn)速（［1］代表主機(jī)，［3］代表從機(jī)）和輸出轉(zhuǎn)矩（［2］代表主機(jī)，［4］代表從機(jī)）的波形。圖中的數(shù)值為相應(yīng)的實(shí)測(cè)值。主機(jī)給定轉(zhuǎn)速為200r/min。由圖8可見(jiàn)，由于從機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制，從機(jī)轉(zhuǎn)速保持與主機(jī)一致，維持在200r/min左右。由于系統(tǒng)為柔性連接，主從機(jī)所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩略有不同，因此，其輸出轉(zhuǎn)矩也略有差別，但基本維持在電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的28%左右，兩電機(jī)輸出功率基本相同。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　由以上分析可知，在工業(yè)應(yīng)用中，針對(duì)同軸連接需要同步運(yùn)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(jī)的同步運(yùn)行，而且可較好地實(shí)現(xiàn)負(fù)載的均勻分配，減少了設(shè)備因不同步、負(fù)載分配不平衡而導(dǎo)致的系統(tǒng)故障和產(chǎn)品質(zhì)量差等現(xiàn)象的發(fā)生，保證了生產(chǎn)的正常高效的進(jìn)行。