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，隨著我國自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動化取得了長足的進步。變頻器由于性能穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保、性價比高，在工業(yè)各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中，冶金、造紙等行業(yè)對電氣控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的動靜態(tài)指標有著較高的要求，在轉(zhuǎn)爐或紙機的電氣控制上要求各部分驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速嚴格同步，否則，無法維持正常生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。然而，在實際生產(chǎn)中，有許多因素都會干擾電機的同步控制，例如電網(wǎng)電壓的波動、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(shè)備或者同一條生產(chǎn)線的各個運動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的方式，而這些不同的運動部分彼此間在運動速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)方面常常有配合協(xié)調(diào)關(guān)系，這就要求在各電動機的調(diào)速控制之間建立某種關(guān)系，這就是所謂的同步運行問題。

同步運行是變頻調(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，是在同步運行領(lǐng)域正確設(shè)計變頻調(diào)速系統(tǒng)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現(xiàn)。

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(yīng)功率的變頻器組成其傳動系統(tǒng)。相對于多電機電氣傳動系統(tǒng)，單臺大功率電機傳動系統(tǒng)由于只有一個傳動速度，同步性能最優(yōu)。然而，也正是由于該系統(tǒng)的唯一性，任何一個設(shè)備發(fā)生故障都將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的停機，系統(tǒng)冗余性差，而且由于電機、變頻器等電氣設(shè)備的功率較大，維護困難，恢復(fù)時間較長。

2.2 群拖

用一臺變頻器帶動多臺電動機同步運行的方式，稱為群拖。這時變頻器的輸出側(cè)就成了供電母線，各電動機接受同頻率同幅值的電壓。在電動機規(guī)格相同時，彼此間總是運行在理想空載轉(zhuǎn)速相同、斜率也大致相同的機械特性上，當(dāng)負載大致一致時，實際轉(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)和動態(tài)調(diào)速性能都不高，且低速時帶載能力差，起動轉(zhuǎn)矩低，一般應(yīng)用于調(diào)速性能要求不高的場合。另外，群拖方式下，各電動機只是理想空載轉(zhuǎn)速一致，而實際轉(zhuǎn)速由機械特性曲線和負載力矩決定，因此，群拖方式下的各個電機轉(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行要求不高的場合。

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系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)矩控制能力的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方法。利用這個高性能的控制算法，可在同步運行的機構(gòu)之間建立合理的負載分配關(guān)系，充分發(fā)揮各電動機的轉(zhuǎn)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齒輪、鏈條等進行剛性連接，如圖1(a)所示。從機采用轉(zhuǎn)矩控制模式，以使傳動單元之間平均分配負載轉(zhuǎn)矩，此時是由機械結(jié)構(gòu)保證轉(zhuǎn)速同步，由于每臺電機分別由單獨的變頻器控制，保證了各電動機承擔(dān)的負載分配合理，防止出現(xiàn)分配轉(zhuǎn)矩嚴重不平衡，甚至彼此頂?，F(xiàn)象的發(fā)生。

(2)當(dāng)主機和從機的電機軸采用柔性連接時，如圖1(b)所示。從機應(yīng)該采用速度控制方式，在這種情況下，機械結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能保證同步運行的要求，由變頻器組成的傳動系統(tǒng)除了采用速度控制方式解決轉(zhuǎn)速同步問題，同時還要利用轉(zhuǎn)矩下垂特性實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)矩在各個電機上的平均分配。

圖2示出了轉(zhuǎn)矩下垂功能原理：用參數(shù)規(guī)定額定負載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速差，而系統(tǒng)根據(jù)實際轉(zhuǎn)矩和給定轉(zhuǎn)速決定實際的速度給定值，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和從機之間存在微小的速度差。

式中，n為實際給定轉(zhuǎn)速，n0為給定轉(zhuǎn)速，δn為轉(zhuǎn)速差，t為實際轉(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

(1) 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)部建立了一個交流異步電動機的軟件數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實測的直流母線電壓、開關(guān)狀態(tài)和電流計算出一組精確的電機轉(zhuǎn)矩和定子磁通實際值，并將這些參數(shù)值直接應(yīng)用于控制輸出單元的開關(guān)狀態(tài)，變頻器的每一次開關(guān)狀態(tài)都是單獨確定的，這意味著可以產(chǎn)生實現(xiàn)最佳的開關(guān)組合并對負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)，且無超調(diào)，真正實現(xiàn)了對電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的實時控制。控制原理如圖3所示。

在主從控制應(yīng)用中，外部信號(包括起動、停止、給定信號等)只與主機變頻器相連，主機通過光纖將從機控制字和轉(zhuǎn)速給定值、轉(zhuǎn)矩給定值廣播給所有的從機，實現(xiàn)對從機的控制。從機一般不通過主從通訊鏈路向主機發(fā)送任何反饋數(shù)據(jù)，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16位字，其中僅b3(run)、b7(reset)、b10(remote-cmd)使用，當(dāng)從機參數(shù)10.01(ext1start/stop/dir)或10.02(ext2start/stop/dir)設(shè)置為comm.cw時，控制字命令有效。給定值是包括1個符號位和15個整數(shù)位的16位字，給定1為速度給定，給定2為轉(zhuǎn)矩給定。在從機中，要將給定1定義為從機的外部速度給定，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為主機和從機為剛性連接時，從機跟隨主機轉(zhuǎn)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與實際速度actual speed相比較，通過pi調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定值torqref3，該值經(jīng)過頻率限幅、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)的實際值在滯環(huán)比較器內(nèi)進行比較，得到最優(yōu)的pwm信號，最終通過驅(qū)動逆變器的開關(guān)器件達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。主機速度環(huán)輸出的最終轉(zhuǎn)矩給定值torqref used同時作為從機的轉(zhuǎn)矩給定值，實現(xiàn)主機和從機的負載轉(zhuǎn)矩平衡分配。

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

圖6為主機與從機為柔性連接時，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(zhuǎn)速給定為speedref3。從機跟隨主機的轉(zhuǎn)速給定，給定值為speedref3，主機轉(zhuǎn)矩給定值無效。在此控制方式中，主機和從機轉(zhuǎn)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(dāng)從機因摩擦力下滑等原因出現(xiàn)部分卸載情況時，從機輸出轉(zhuǎn)矩降低，在轉(zhuǎn)矩下垂功能的作用下，實際給定轉(zhuǎn)速略有升高，實際輸出功率變化不大。此時，主機承受的負載增加，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，從而保證主機輸出功率的平衡。當(dāng)從機摩擦力恢復(fù)后，從機承受的負載增加，內(nèi)部輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)增加，實際給定轉(zhuǎn)速減少;主機承受負載減少，內(nèi)部輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減少，實際給定轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高。由于轉(zhuǎn)矩下垂功能的存在，主從機在一定程度上可以實現(xiàn)負載功率的平均分配。

(2) 主從機參數(shù)設(shè)置

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

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

在轉(zhuǎn)速偏差在參數(shù)定義的范圍內(nèi)，從機遵循主機的轉(zhuǎn)矩給定信號，窗口控制將會保持從機速度調(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

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

電機參數(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 從機跟隨主機轉(zhuǎn)矩的控制方式

圖7為兩臺電機通過同一個減速機同軸聯(lián)結(jié)(剛性連接)的主從波形圖。采用abb傳動調(diào)試軟件drivewindow監(jiān)測主機和從機在工作過程中的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩([3]代表主機，[6]代表從機)的波形。圖7中的數(shù)值為相應(yīng)的實測值。主機給定轉(zhuǎn)速為1480r/min。由圖可見，從機跟隨主機的轉(zhuǎn)矩輸出，兩電機分別輸出額定轉(zhuǎn)矩的約37.4%左右，負載分配基本平衡，兩電機實際輸出電流約為320a左右。由于主從機為剛性連接，主從機轉(zhuǎn)速由機械結(jié)構(gòu)保持同步，實際轉(zhuǎn)速為1480r/min左右。

3.2 從機跟隨主機轉(zhuǎn)速的控制方式

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

4 結(jié)束語

由以上分析可知，在工業(yè)應(yīng)用中，針對同軸連接需要同步運行的場合，主從控制是一種最佳的選擇方案，不僅能夠保證多個同軸電機的同步運行，而且可較好地實現(xiàn)負載的均勻分配，減少了設(shè)備因不同步、負載分配不平衡而導(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)的正常高效的進行。