（电力电子与电力传动专业论文）全交流复卷机电控系统的分析与设计.pdf

i i 1 1l 1lll lil ll llll y 17 9 914 4 a n a l y s i sa n dd es i g no ff u l la c r e w i n d e re l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e m at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r m e n gy a n i i n g m a y , 2 0 1 0 全交流复卷机电控系统的分析与设计 摘要 本文在对复卷机电控系统工艺要求和核心控制理论理解与分析 的基础上，以全交流传动调速为核心设计了交流复卷机电气控制系 统，并对全交流复卷机电控系统的现场调试和可靠性做了分析与说 明。最终控制效果达到了用户需求。 文中通过对交直流电控系统性能和技术特点对比，得出交流电 机是未来复卷机控制的发展趋势，对其研究有很大的价值。重点从 两个方面对交流传动做了详细分析：矢量控制( v c ) 和直接转矩控 制( d t c ) 。并给出了两种控制策略下交流电机电磁转矩稳态响应性 能、动态响应性能以及鲁棒性。结合复卷机传动系统的特点，制定 了适合交流复卷机运行的传动路线， 其次，通过对复卷机控制工艺的分析，得出成品纸卷内紧外松、 盘面平整光滑度与压纸辊压力、前后底辊的转矩差以及放卷张力之 间的密切相关。为了提高成品纸卷的质量，针对复卷机电气控制的 要求，给出了全交流复卷机控制方案，其技术路线为：对前后底辊 负荷分配实行主从控制；给出成品纸卷从内到外有一定紧度差的压 纸辊压力曲线；并对放卷恒张力和放卷动态惯量进行了补偿。本文 还给出了该控制方案的软件实现流程图，清晰的反应了该方案的软 件实现过程。 最后，以a b b 公司生产的a c s 8 0 0 变频器作为全交流复卷机电 控系统传动单元，对变频器在实际应用中参数的设置以及设置含义 作了详细介绍和说明；以p r o f i b u s d p 通讯协议为例说明了控制单 元与传动单元的通讯过程；之后给出了实际调试中关于变频器可靠 性和抗干扰性的几点要求。 文中设计的全交流控制方案已经成功应用于国内某造纸厂，并 且运行良好，进一步证明了该方案的可行性、实用性和优越性。 关键词：复卷机交流电控系统，矢量控制，直接转矩控制，p l c 程 序设计，现场调试 a n a l y s i sa n dd e s i g no ff u l la cr e w i n d e r e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t o nt h eb a s eo ft h o r o u g h l yu n d e r s t a n da n da n a l y z et h et e c h n i c s r e q u i r e m e n t s o fr e w i n d e re l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n dc o r ec o n t r o l t h e o r y ，t h i sa r t i c l ea d o p t sf u l la cd r i v et oa d j u s tr e w i n d e rc o n t r o l l i n g ， d e s i g n saf u l la cr e w i n d e ra a j u s t i n ge l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m a n dt h e n a n a l y z e sa n di l l u s t r a t e st ot h ei n s i t ec o m m i s s i o n i n ga n dr e l i a b i l i t yo f t h ef u lla cr e w i n d e re l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m t h e s et e c h n o l o g i e sm a k e r e w i n d e rc o n t r o le f f e c tr e a c h e dt op a p e rr o l l i n gq u a l i t yr e q u i r e m e n t s f i r s t l y ，t h r o u g hc o m p a r e st h ec a p a b i l i t ya n dt e c h n o l o g yo fa c a n d d cc o n t r o ls y s t e m ，a n dm a k eac o n c l u s i o n ：a ct e c h n o l o g yi st h e g r o w i n gt r e n do ff u t u r ei nr e w i n d e rc o n t r o ls y s t e m ，s oi ti sv a l u a b l et o r e s e a r c h t h e nd e t a i l e d l ya n a l y z e st w oc o n t r o ls t r a t e g i e si nt h ea c d r i v e ：v e c t o rc o n t r o la n dd i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 a n da n a l y z e ss t e a d y s t a t er e s p o n s ea n dd y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s ，r o b u s t n e s sw h i c h a r ea b o u ta cm o t o re l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eu n d e rt h e s et w oc o n t r o l s t r a t e g i e s f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e w i n d e rd r i v e ，a n dm a k e so u t p r o p e rc o n t r o lm e t h o d sf o rr e w i n d e ra cc o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y ，t h r o u g hu n d e r s t a n dt h er e w i n d e rc o n t r o lp r o c e s s ，a n d m a k eac o n c l u s i o nt h a tt h er e l a t i o n so ft i g h t n e s so fr o l l ，d r u mt o r q u e a n dt e n s i o no fr o l l i n g o f fa r ei n t e n s i v e i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t y o f r o l l i n gp a p e r ，w ep r o v i d eac o n t r o lp l a nf o rf u l la c r e w i n d e rw h i c hi s c o i n c i d e n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fr e w i n d e r n e wp l a n ：m a s t e ra n d s l a v ec o n t r o lo fd r u ml o a dd is t r i b u t i o n ；p r e s s u r ec u r v ew h i c hi sa d o p t e d t ot h er o l l i n gt i g h t n e s sa n dt h eg i v ead y n a m i ci n e r t i ac o m p e n s a t eo f t e n s i o nt om a k es u r et e n s i o nc o n s t a n t a n dt h e ng i v ep r o g r a m m i n gf l o w u 1 c h a r tw h i c hc a nr e a c tc o n t r o lp r o c e s sc l e a r l y a tl a s t ，c o n s i d e r i n ga c s8 0 0d r i v eo fa b ba s ar e w i n d e ra c c o n t r o lu n i t c o m b i n e st h ed r i v ea p p l i c a t i o ni np r a c t i c e ，a n dg i v e sa d e t a i l e di n t r o d u c t i o nf o r s e t t i n g d r i v e p a r a m e t e r s a n dp a r a m e t e r s m e a n i n g s ；t a k e s p r o f u b u s d pc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l a s a n e x a m p l et oi n t r o d u c ec o m m u n i c a t i o no fc o n t r o l l e ra n dd r i v eu n i t ；a n d m a k e ss o m e s u g g e s t i o n s a b o u t r e l i a b i l i t y a n da n t i i n t e r f e r e n c e p e r f o r m a n c ew h i c hs h o u l db en o t i c e dw h e nc o m m i s s i o n i n g t h e s ec o n t r o l s t r a t e g i e s a r e s u c c e s s f u l l y u s e di nt h ea c t u a l d o m e s t i cp r o je c t r u n n i n gr e s u l ti sf a v o r a b l e a n dv e r i f yi t sf e a s i b i l i t y ， p r a c t i c a b i l i t ya n da d v a n t a g e s k e yw r o d s ：r e w i n d e ra ce l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ，v e c t o rc o n t r o l ， d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，p l cp r o g r a m m i n gd e s i g n ，i n s i t ec o m m i s s i o n 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 绪论1 1 1 复卷机简介1 1 2 国内外复卷机电控系统的技术发展现状和特点1 1 2 1 国外复卷机的发展1 1 2 2 国内复卷机的发展3 1 3 研究课题的意义和安排3 2 交流电控系统特点及应用基础5 2 1 直交流电控系统的技术特点和性能分析【1 儿9 1 5 2 1 1 开环稳定性5 2 1 2 电机的四象限运行以及状态转换1 1 2 6 2 1 3 交直流传动系统极限能力的比较10 2 1 4 投资运行效益的比较【1 1 1 0 2 1 5 维护和可靠性分析【1 0 2 2 矢量控制变频调速系统原理1 1 2 2 1 矢量控制的基本思想【15 1 ：1 1 2 2 2 矢量控制系统的实现和原理性结构“ 2 3 三相异步电机的数学模型1 2 2 3 1 电机方程12 2 3 2 坐标变换和动态数学模型的简化【16 1 13 2 4 矢量控制变频调速系统1 6 2 4 1 异步电动机在m t 同步旋转坐标系中的数学模型1 6 2 4 2 矢量控制基本方程1 7 2 5 直接转矩控制系统原理2 0 2 5 1 直接转矩控制基本思想 1 7 1 2 1 2 5 2 感应电机数学模型j 2 1 2 5 3 电压源逆变器模型2 3 2 5 4 电压空间矢量与逆变器开关状态的关系2 3 2 5 5 定子磁链矢端轨迹【19 1 2 4 2 6 变频器a c s 5 5 0 矢量控制和a c s 8 0 0 直接转矩控制比较1 9 儿2 0 1 2 7 2 6 1a c s 5 5 0 矢量转矩控制2 7 2 6 2a c s s 0 0 直接转矩控制( d t c ) 一2 8 2 7 复卷机交流传动控制系统需求2 8 2 8 小结2 9 3 复卷机工艺过程分析3 0 3 1 复卷机工艺和控制要求3 0 3 2 压纸辊压力曲线的分析与设计3 1 3 2 1 压纸辊压力控制的分析3 2 3 2 2 压纸辊过程控制的设计一3 3 3 3 前后底辊转矩差控制系统一3 4 3 3 1 卷取部的受力分析3 4 3 3 2 两底辊负荷分配设计3 6 3 3 3 前后底辊负荷分配主从控制的实现一3 7 3 4 放卷张力的控制3 7 3 4 1 放卷张力控制的分析3 7 3 4 2 张力恒定的控制方法4 0 3 4 3 张力控制程序的设计4 3 3 5 小结4 4 4 全交流复卷机电控系统设计一4 5 4 1 交流复卷机电控电气传动系统设计一4 5 4 1 1 传动控制系统主结构4 5 4 1 2 西门子s 7 3 0 0p l c 控制单元4 5 4 1 3 西门子o p 2 7 0 操作员面板4 6 4 1 4 传动控制单元的硬件连接4 6 4 1 5 调速装置与p l c 之间的数据交换4 8 4 2p l c 程序的设计4 9 4 2 1p l c 的软件组态4 9 4 2 2p l c 逻辑和功能的设计5 0 4 2 3p l c 程序的仿真5 2 4 3 人机操作界面h m i 的功能设计一5 3 4 3 1 人机操作界面5 3 4 3 2 功能画面的设计5 3 i i 4 4 小结5 5 5 复卷机电控系统现场调试和可靠性应用5 6 5 1 变频器参数设置5 6 5 1 1 电机启动参数( 9 9 组) 5 6 5 1 2 速度控制参数( 2 0 2 3 组) 一5 7 5 1 - 3 编码器参数( 5 0 组) 5 9 5 1 4 通讯参数( 5 1 5 2 组) 6 0 5 1 5 激活可选模块( 9 8 组) 一6 2 5 1 6 传动控制参数( 1 0 1 3 组) 6 2 5 1 7 控制字和状态字( 9 0 、9 2 组) 6 4 5 2 电机辨识6 6 5 3 通讯的调试6 7 5 3 1p r o f i b u s 协议6 7 5 3 2 适配器r p b a 0 1 的安装和设置6 7 5 3 3p r o f i b u s 现场总线连接器6 9 5 3 4 软件调试7 0 5 4 操作说明7 3 5 5 小结7 4 致谢7 5 参考文献7 6 攻读学位期间发表的学术论文目录7 8 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明7 9 全交流复卷机电控系统的分析与设计 1 绪论 1 1 复卷机简介 复卷机是将造纸机生产出来的纸卷( 称为原纸卷) 进行依次复卷的设 备，纸张经过复卷后作为成品纸出场。由于卷纸机卷得的纸卷比较松软， 内部可能会有破损或断头，两侧边缘不整齐，纸幅宽度等多不能直接使用 于纸张加工或印刷等机器，大部分纸种( 如新闻纸、凸版印刷纸、包装纸 等) 必须经过复卷机切边、分切、接头、在纸卷芯上重卷形成一定规格、 一定紧度要求的成品纸卷才能出厂。因此，复卷机是造纸过程的最后一道 工序。复卷过程主要完成三个任务：其一，切除原纸毛边；其二，将整幅 原纸分切成若干符合用户规格的幅宽；其三，控制成品纸卷的卷径，使之 符合出厂规格。目前，复卷机用交流传动代替直流传动在行业中已成为发 展趋势【1 1 。 。 1 2 国内外复卷机电控系统的技术发展现状和特点 1 2 1 国外复卷机的发展 1 ) 复卷机机械的发展动向与特点 当今世界，在复卷机机械制造技术方面，居于领先地位的只有三家公 司【：】，分别是v o i t hs u i z e r ( 伏依特一苏尔寿) 公司、v a l m e t ( 维美德) 公司 和m e t s o ( 美卓) 公司。m e t s o 公司先后推出了三种有代表性的现代复卷机： w i n d r u m ( 双鼓复卷机) 、w i n b e l t ( 皮带床复卷机) 、w i n r o l l 复卷机。v a l m e t 公司先后推出了w i n a i r ( 气垫减压式复卷机) 、j r l0 0 0 e 复卷机。v o i t hs u i z e r 公司推出的是t o r ot d 复卷机、t o r oc o m b i 复卷机和t o r os d 复卷机。 从它们的产品可以看出现代复卷机发展的主要技术动向与特点 3 1 ： ( 1 ) 高车速。全面地提高了复卷机车速，设计车速达3 5 0 0 m m i n ，工作 车速能达到3l0 0 m r a i n 以上。复卷机幅宽与纸机同步发展达l0 m 之多。 ( 2 ) 大卷径。满足市场对大直径卷筒纸的需求，由原来只能复卷直径为 1 l0 0 r a m 12 5 0 m m 的成品卷筒纸，逐步发展到复卷直径为15 0 0 m m 18 0 0 m m ， 现在有的复卷机已能复卷直径为2 8 0 0 m m 的卷筒纸。 ( 3 ) 模块化。现代复卷机的先进控制系统，采用模块化结构最近的控制 系统包括具有上10 0 项的选择参数复卷配方和复卷监控系统。制造出适应 不同纸种、纸板复卷的各种式样的现代复卷机。 陕西科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 自动化。现代复卷机大幅度提高复卷机的自动化水平，使得复卷机 中的许多人工操作转变成监控员，这意味着复卷机已经可以完成单人作业。 同时，由于控制技术的现代化，复卷质量显著改善。 ( 5 ) 高效率。提高设备的利用率，由过去的0 6 0 8 提高到0 8 5 o 9 5 ， 甚至达到了0 9 5 1 0 。 2 ) 复卷机电控系统的发展动向 现代化的高性能复卷机，必须配置先进的控制系统，用于优化复卷过 程中的各个参数。 v o i t h s u l z e r 公司和v a l m c t 公司，在现代复卷控制技术方面，都取得了 丰硕的成果，使复卷机的性能大幅度提高。主要体现在以下几个方面【】： ( 1 ) w i n d c o n t r o l 一复卷控制器。复卷控制器主要功能是，计算复卷运行 参数，提高最佳参数值，使复卷机始终在最佳条件下和最高效率下进行复 卷。控制器也可预编复卷菜单，可实现具体化、个性化复卷，以满足不同 纸种、不同定量、不同用户的需要。也就是说，可以根据上述不同情况， 预先编制出标准化复卷菜单。从而，可以保证每一个复卷纸卷和各个班的 复卷纸卷，都具有均匀一致的最佳复卷质量。同时，还能提供在一年里复 卷出的所有纸卷的复卷历史记录，对每一个纸卷都可以进行分析检验。从 而，能做到容易地判明用户意见和印刷厂投诉的原因，为进一步改善复卷 质量创造了极为有利的条件。当今，控制器的功能，对于优化速度曲线、 节约能源、控制纸卷尺寸等，都可以达到相当高的精确度。 ( 2 ) w i n d h e l p - - 复卷帮助。有了w i n d h e l p ，操作人员和控制技术维护人 员就可以在显示器上直接获知故障和有关信号( 如操作错误、连锁状态等) ， 可由操作人员独立排除。 ( 3 ) i n i n f o 一复卷跟踪。复卷跟踪是一个产品监控和跟踪系统。该系统可 提供有关复卷机的生产、作业时间等各种各样的报告，是一个产量和生产 效率的计算系统。 ( 4 ) i n c o m m 一复卷通讯。复卷通讯是将复卷过程控制系统与纸厂其它数 据处理系统连接起来，简化操作的信息系统。即把复卷机的生产与整个纸 厂的过程控制、生产计划、纸张检验等联系在一起，输出或输入复卷机生 产的数据。 ( 5 ) 远程诊断。远程诊断软件包可以进行远程诊断，这样能对远处出现 的故障进行分析诊断，并快速排除。 复卷机技术是一个机电工艺结合的综合技术，以上所介绍的仅仅是几 2 全交流复卷机电控系统的分析与设计 个代表性公司的情况。总之，复卷机的发展和特点都是围绕着高车速、大 卷径、智能化、模块化、网络化进行的。 1 2 2 国内复卷机的发展 比较国外复卷机的发展情况，国内复卷机则落后的多【5 】。 首先，车速大部分集中在15 0 0 m m i n 以下，超过2 0 0 0 m m i n 的不多。这使 得造纸过程大打折扣，目前造纸机的工作车速可以达到8 0 0 m m i n ，甚至更高， 那么相对于复卷机来说，车速至少要达到造纸机的2 3 倍，即15 0 0 2 5 0 0 m m i n 。 出现这种情况的时候，一般采用增加生产线的办法了弥补车速的不足。 第二，品种单一，主要是上、下引纸两种。而作为代表目前复卷机发展方 向的下引纸复卷机，也只能是以双底辊复卷机为主，表明我国复卷机生产制造 厂家的复卷机理以及与纸张之间的适应性研究是远远不够的，因此也就限制了 复卷机工作车速和复卷质量的提高。 第三，自动化程度是国产复卷机的又一个弱势，带来的问题是，复卷机的 实际效率大打折扣，这样的话造纸机的车速必然受到限制，从而对生产效率的 提高和生产成本的控制产生不利因素。 因此说，目前国内的高速复卷机研究已经滞后于国外的发展水平，成为制 约我国造纸行业进一步提升行业水平的瓶颈之一。 1 3 研究课题的意义和安排 随着国内经济实力的不断增强，科技力量不断前进，造纸行业也得到了迅 猛地发展，与此同时纸张的需求量也在不断地扩张，复卷机的效率却直接决定 着纸张的供求关系，因此复卷机电控系统的性价比往往是一个企业所关注的焦 点。复卷机电控系统的性价比，是指在企业对设备的资本投入和运行维护尽可 能少的前提下，最大化地提高车速和自动化程度。 在国内，复卷机的电控系统正在经历着直流渐渐地被交流所代替的变革。 尤其是功率在6 5 k w 以下的中低速复卷机使用全交流复卷机电控系统不仅价 格比直流电控系统价格便宜【6 】，而且相对于直流电机的碳刷需要定期维护来说， 交流电机更可以说是免维护。并且无论在功率器件方面、微电子技术方面、还 是在控制理论方面，都对全交流复卷机电控系统提供了很大的帮助和改善。就 功率器件而言，很多老字号企业像a b b 和西门子在驱动装置里，i g b t ( i p m ) 已经全面取代了电力晶体管称为通用变频器逆变电路的主流开关器件。微电子 方面，16 位、3 2 位高速微处理器以及d s p 和专用集成电路技术快速发展，为 实现变频器高精度、多功能化提供了硬件基础 7 1 。控制理论方面，如矢量控制、 3 陕西科技大学硕士学位论文 直接转矩控制早已经成熟地应用在像造纸这种工业之中。 本课题的研究方向是全交流复卷机电控系统的分析与设计。本文将在第二 章分析交流电控系统，主要叙述矢量控制和直接转矩控制的控制理念。第三章 主要对复卷机的控制工艺做一个全面的分析，主要针对影响成品纸卷质量的三 个量：纸幅张力( t e n s i o n ) 、压区压力( n i pl o a d ) 、扭矩( t o r q u e ) ，简称t n t j 。 第四章将设计全交流复卷机电控系统。第五章将实现对交流复卷机电控系统的 现场调试，其中不但对参数的设置做详细的说明，而且还将调试过程中的可靠 性做说明。 4 全交流复卷机电控系统的分析与设计 2 交流电控系统特点及应用基础 本章首节从稳定性、四象限运行状态和状态转换、极限能力、投资效益、 以及维护和可靠性对交直流电控系统进行了详细的分析，从这几方面分析是想 说明交流电控系统不仅可以更好的完成直流电机的工作，还展现了自身的优越 性。第二节详细叙述了交流电控系统的控制理论矢量控制的原理和控制方法。 第三节详细叙述了直接转矩控制理论和控制方法。从这几个方面深刻理解交流 传动的特点，从而设计出合适复卷机自身特点的交流控制系统。 2 1 直交流电控系统的技术特点和性能分析 在前面的章节中所提到，无论是国内还是国外都经历着直流传动被交流传 动所代替的变革，也就是说，交流传动不但可以胜任直流传动的任务，甚至在 某些方面超越了直流传动系统。因此，可以从交直流传动系统的稳定性、直交 流四象限运行和状态装换、交直流系统的极限能力、投资效益、以及维护和可 靠性来比较交直流的性价比。 2 1 1 开环稳定性 在直流传动电控系统中，通常情况下为调压调速，即有一个专门控制电压 的设备，所以控制信号到了直流电机端一定是模拟信号，如果电网电压不稳定 产生波动，对电机控制速度的影响是相当明显的。在交流传动电控系统中，通 常采用v f 控制，在电压变化范围不大的情况下，交流电机端的给定只取决于 数字量的频率值o o 】。在上面的分析中可以看出，交流的开环精度是高于直流传 动的，下面再用公式加以证明。 直流电机开环转速方程： 以：竺二生：墨( 2 1 ) c 。咖 设直流电机参数为u = 2 2 0 v ，= 3 0 0 v ，r = 0 1 5 q s ：l ：j l ：f l x ：丝：2 0 5 ( 2 2 ) 胃= = 一= 一= 生一= 、w nz _ zj “ a n + n l + 一n l + 坠二血：墨 “。 ” r 设交流6 极电机参数为】：n = 9 7 0 r m i n ，n o = 6 0 f p = 1 0 0 0 r m i n j ：竺：3 ( 2 3 ) a n + n 5 陕西科技大学硕士学位论文 从上面的数据中可以看出，交流的开环静差率比直流开环静差率明显要好 的多，即使在没有闭环的情况下，也能良好的运行。 2 1 2 电机的四象限运行以及状态转换1 1 2 所谓电机的四象限运行是指一个电机能够在给定指令的作用下实现正转 电动和制动( 能耗或发电) 及反转电动和制动( 制动或者发电) 的自动转换运 行。 1 ) 直流可逆系统的四象限运行及状态转换 直流可逆系统的四象限运行及状态转换，如下面所示，图2 1 ( a ) 为正转 电动状态，即能量从电网输出到电动机。图2 1 ( b ) 为反转发电状态，即能量 从机械负载到电网。 图2 1a ) 第一象限 f i 9 2 1a ) f i r s tq u a d r a n t b ) 第四象限 b ) f o u r t hq u a d r a n t 图2 - 2 直流双闭环不可逆调速系统结构图 f i 9 2 2s t r u c t u r eo fd ct w oc l o s el o o pi r r e v e r s i b l eg o v e r n i n gs y s t e m 图2 2 为直流双闭环不可逆调速系统，可以通过图2 1 和图2 2 来说明电 动和发电转换过程。从第1 象限到第象限达到状态变化过程是在机械负载的 6 全交流复卷机电控系统的分析与设计 作用下实现的。设u n 幸 0 在某值下工作，则i 专 0 ， i i 幸i = l i f i ，但i i 木l 略 大于| i f | 系统工作在正转电动即第1 象限。如果电机此时被负载强制减速直至反 转，则速调s t 输出进入饱和，即i 宰= i m 搴 0 ，所以电流调节器 l t 不饱和，且给定和反馈极性均不变但l i f l 略大于i i r a * i ，所以电流调节器输出为 负( 电流反馈采用整流式，如果采用直流检测，则结构上需做必要调整) 。因 此，系统自动进入第象限回馈制动状态。这就是两象限不可逆系统的状态 变化过程。 而四象限可逆系统的工作状态和不可逆系统有较大区别。用图2 3 来说明 四象限可逆系统的状态转换特点。设u n 木 o 为某一给定值，当电机被机械负载 拖动由正转变为反转时，其关系同有关变量的状态变化过程和不可逆系统是一 样的，但是，如果电机被负载拖动和电动状态旋转方向一致，即机械外力的作 用使电机产生加速，此时状态过程是：u n 木 o 不变，当外力使电机加速趋势时 u n f 增大，则s t 输出偏正使给定电流i 幸减小，当这种状况继续保持时，s t 输 出由负变为正。此时正组桥输出电流即电机负载电流迅速减小至零，之后反向， 通过反组逆变回馈电网。 图2 - 3 直流双闭环可逆调速系统 f i 9 2 - 3d ct w oc l o s el o o pr e v e r s i b l eg o v e r n i n gs y s t e m 这一动态过程比较复杂，因为和给定突变反向是不一样的，速度被拉升过 程有可能在正组和反组工作状态都不变的情况下实现电流反向，也有可能在短 时工作状态变化，即反组进入整流，从而加快电流反向，之后又回到逆变状态。 但稳定之后的各点输入输出极性如图2 3 中带o 号内的极性所示。在回馈制动 力和机械外力平衡的条件下，s t 和l t 均不饱和但和电动状态时不同，其输入 和输出极性不取决于给定而是取决于反馈。如果机械外力增大到m f z m d m 。x ， l u n f i l u n 霉l ，则s t 饱和，输出最大电流给定值。而电流调节器l t 不饱和。但 7 陕西科技大学硕士学位论文 制动力达到最大值，即电磁制动无法平衡机械动力。因而电机正向加速，直到 和制动力矩平衡为止。这就是直流可逆系统在正向发电制动时内部状态的转换 和极性变化的规律。当然上述分析不涉及动态过度过程的瞬间变化情况，而仅 仅是稳定以后的情况。 2 ) 交流电控系统的四象限运行及状态转换 对造纸传动而言经常遇到的工作状况是某一或几个传动点被其它传动点 拖动的运行状态。即前面所分析的直流可逆系统的情况。而变频调速在开环调 速时，本身就具有和直流可逆系统相似的工作状态转换情况，以下分析之： 变频调速时转速公式为 1 1 = ( 1 一s ) 6 0 f p ( 2 4 ) 其中f 是电源频率，p 是极对数，s 为转差率。 图2 4 a 是异步电动机工作在正转电动时的电压相量图，此时i s o ， q 1 9 0 。；图2 4 b 是工作在正转发电状态的电压相量图，有1 s 9 0 。 其中q 1 是定子电压和电流的相位角。 t 、 1 2 = e “s + 豇纠 ( 2 5 ) a )b ) 图2 4 异步电动机相量图 f i 9 2 - 4a s y n c h r o n o u sv e c t o rg r a p h 在变频调速控制下，当定子电流滞后电压相位超过9 0 0 时，电功率的有功 分量为负值，能量从电动机返回电网。典型的变频器主回路结构整流部分是三 相不控整流桥。因此，在异步电动机发电状态下，在直流主回路上的直流电流 方向和电动状态是相反的。而由于整流侧是不控二极管整流，电流不能反向。 所以电能就在电容两端积累形成电压上升即所谓泵升压现象，这就是变频调速 时电动机工作状态的转变和能量的流动过程【l3 1 。由此可见与直流相比有以下几 8 全交流复卷机电控系统的分析与设计 点区别： ( 1 ) 变频速度时一旦转差频率为负，就会产生泵升压，自动形成一个短时 间的制动作用。随着电压升高能量积累，直流检测电路会发出过压报警信号封 锁脉冲输出。而直流不可逆系统的情形与此不同，当直流电机的转速被拖动超 过给定转速时，从图2 2 知速度调节器输出将反向，电流给定值变为零或负值， 触发角从小于9 0 0 变到大于9 0 0 。不论为何值，整流输出直流电压u 都是小于 反电势电压的。因此，对直流不可逆系统而言，任一时刻都不可能产生发电制 动作用，其状态从电动变到自由运转状态，直流回路上有电压而无电流。这和 变频器调速系统相比是不同的。 s 一 淫；奢- o否鲒 衫 筠n ， 一 图2 5 异步电动机变频调速时的机械特性 f i 9 2 - 5m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ev a r i a b l ef r e q u e n c yv a r i a b l es p e e ds y s t e m ( 2 ) 加减速度过程不同，对直流不可逆系统而言，当给定速度突变时，从 双闭环起动特性知，电机将以恒最大转矩加速，直至实际速度和给定速度相等 接近为止。在此阶段速度给定实际上已不起作用，即速度环处于开环状态。同 样当给定突减时，由于直流电流不能反向，电机只能工作在零电流自由降落状 态，而变频调速则不同，不论给定值加或减，其对电机的控制作用始终存在， 除非变频器保护动作封锁输出，其状态可用图2 5 说明。因为变频器给定值是 一个频率信号，所以当转速处于a 点n l 时如果给定值突然增加此时有两个可能， 一种增量不大如从f l 变为f 2 ，则工作曲线从f l 变到f 2 ，在给定变化瞬间，电磁 转矩增大到b 点，电机加速，然后沿f 2 曲线上升至d 点和负载转矩平衡达到稳 定转速n 2 。第二种情况如果给定频率一下增大到f 3 如图2 5 所示，工作曲线从 f l 到f 3 工作点处c 处，此时电磁转矩小于负载，电机不但不加速反而减速直至 停车。造成这一现象的原因是变频调速时电机的转矩和直流电机产生方式不 同。异步电机的转矩在磁通恒定条件下，转矩和转差频率成比例。如果超出了 9 陕西科技大学硕士学位论文 转差频率的线性段，则转矩反而减小。直流电机电磁转矩和电流成正比而和转 速没有直接关系。在减速过程时，变频调速同样对电机产生一种和转差频率相 关的制动过程，在降速开始时，如果给定频率使速度低于电机转速则电机立即 进入制动状态，产生回馈升压制动，随着转速下降重新进入稳定工作区。 2 1 3 交直流传动系统极限能力的比较 直流系统主回路一般为可控硅元件，特点为极限能力强，瞬间尖峰电流可 大额定电流的几十甚至上百倍。可控硅元件损坏的原因一般为过压击穿和导通 过程功率过大，使得元件长时间处于大电流中，对于这种情况，一般使用快速 熔断器来对可控硅元件进行保护。交流系统主要使用大功率全控型开关器件， 过载能力一般在1 5 5 倍之间，而且这种器件开关速度频繁，损坏的几率也非 常大，对自关断器件有专门的设计电路保护，由此可见，交流传动系统的极限 能力远远不如直流传动系统。 2 1 4 投资运行效益的比较 在近些年，随着变频技术的日益成熟，在各个行业直流电机逐渐的被交流 电机所代替，交流电机的大面积使用使得交流电机的价格也开始降低。就目前 以电机和驱动装置的合计价格来说，3 0 k w 以下直流系统的价格低于交流系统， 在3 0 k w 以上交流系统价格高于直流系统大约3 0 。但是直流系统中电机的价 格远远高于直流装置，而交流系统中正好相反，变频装置的价格却高于交流电 机。从目前的市场来看，电机的价格是由铁铜的价格决定的，这种资源升降的 幅度是不会很大的，但是随着电力电子技术的成熟，交流装置价格会逐步下降。 在运行阶段，每年都需要投入一部分钱对直流电机的碳刷进行维护，而这 部分钱对于交流电机几乎是免费的。在能耗方面，直流系统需要加整流变压器 或者电抗器来抑制d i d t 的上升率，同时由于触发导通造成的电源缺口生成的 谐波也会导致一部分损耗，加上励磁电源一般在几百瓦到几千瓦之间，每台直 流系统的损耗功率占系统功率的5 1 0 左右。而对于交流系统而言，进线采用 全波整流对电网的波形干扰较少，同样由于脉冲电流也会产生一定的谐波损 耗，但是相比直流系统而言少大约5 。无论从实践还是从实践来考虑，交流 系统的节能性事毋庸置疑的。 2 1 5 维护和可靠性分析i l l 尽管现在的电力电子设备出厂时都是经过严格的工艺和层层的测试，可靠 性还是非常高的，经过多家企业的使用经验来看，国外的变频器故障频率在 1 2 ，并且故障出现的时间一般在变频器使用后的半年左右，最稳定的时间 在l 2 年，2 年之后故障率又开始增加，当然这也与变频器的工作环境以及使 1 0 全交流复卷机电控系统的分析与设计 用方式有关。关于维护方面，前面已经指出，如果电力电子元件或者线路板已 经非常便宜，直接更换故障元件和线路板是处理问题的最直接方法。因此，交 流电控系统的传动部分的可靠性非常稳定，维护也很方面和低廉。 2 2 矢量控制变频调速系统原理 异步电动机转速开环v f 控制变频调速系统，其结构都比较简单，基本上 能