（电力电子与电力传动专业论文）造纸机电控系统的工程设计与研究Ⅰ.pdf

分) 、公共制动单元的选择、公共直流母线中间电容器容量的选择、中央控 制单元p l c 的选择、驱动单元逆变器的选择、人机交互单元操作屏( 触摸 屏) 的选择、上位机的选择、协议和总线的选择、反馈单元的选择、传动单 元熔断器的选择、传动控制单元n d c u 的选择、输出滤波器的选择、配套 电气元件的选择、三相变频电机的选择设计。软件设计包括对纸机多传动控 制系统的速度链、负荷分配、张力控制等功能实现进行详细阐述，最后给 出了系统现场运行参数和运行效果。 在系统设计完成后，为使公共直流母线系统在实际运行中获得更好的运 行效果，就异步电动机的多变量数学模型、基于动态模型保持定子磁链恒定 的直接转矩控制基本原理、a b b 驱动装置a c s 8 0 0 ( 变频器与逆变器) 的系统 性能指标、纸和纸板的性能指标等与纸机电气传动控制系统性能相关的指标 作了分析，在此基础上依据纸机电气传动控制系统的特点、研究了纸机电 控系统的可靠性、并对系统的可靠性设计做了分析设计。 总之，通过对基于公共直流母线系统造纸机的供电单元、逆变单元以及 安全操作等问题的研究，为国内自主知识产权的纸机电气传动控制系统设计 与开发提供理论和原创性的技术依据，使之达到技术含量高、整体控制精度 高、运行稳定和投资成本低的目的。为我国国产中高速造纸机配套国产高速 高精度的多传动系统提供了较好的设计蓝本和参考应用案例。 关键词：造纸机，公共直流母线系统设计，性能分析，可靠性设计 i i t 丑ee n g 眦e r 玎叮gd e s i g na n dr e s e a r c ho f p a p e r c h 姗e l e c t r i cc o n t r o l l e d s y s t e mi a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt op a p e r - m a c h i n ec r a f tc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n t r o l d e m a n do fm u l t i d r i v e s y s t e m ，t h ep a p e rm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mb a s eo n c o m m o nd c - b u sp o w e rs u p p l yi sp u tf o r w a r d ，a n dt h ec o m m o ns u p p l yu n i ti s d e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，t h em a i nc i r c u i to fc o n t r o ls y s t e m 、c o r r e l a t i v e f u n c t i o nr e a l i z a t i o n ，p r o t e c t i v ec i r c u i t ，e l e c t r o d y n a m i cf o r c e ，e l e c t r o m o t i v e f o r c e ，p a p e rm a c h i n es y s t e mp e r f o r m a n c ea n a l y s i se t ca r ed i s c u s s e do n eb yo n e t h ea r t i c l ei nt ot h ed e v e l o p m e n tt r e n do fp a p e rm a c h i n em a c h i n e r y ，p a p e r m a c h i n ee l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o nc o n t r o l s y s t e mp r e s e n t s i t u a t i o na n d d e v e l o p m e n t ，p a p e rm a c h i n ed r i v ec r a f ta n da c d ct r a n s f o r m a t i o np r i n c i p l e i n t r o d u c t i o nf o u n d a t i o n s ，p r o p o s e dt h ed i f f e r e n tl e v e lp a p e rm a c h i n ee l e c t r i c a l t r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e mr e q u e s tp l a na n dd i s c u s s e si t ，i nt h i sf o u n d a t i o n ， m a i n l yo i lp r e s e n tn e w l yb u i l ta sw e l la se x t e n s i o np a p e r m a k i n gp r o d u c t i o nl i n e b yl a r g ea n dm i d d l es c a l ep a p e rm a c h i n ep r i m a r i l yc h a r a c t e r i s t i cu n d e ro u r c o u n t r ym a c r o e c o n o m i cr e g u l a t i o n ，e m p h a t i c a l l ys t u d i e da n dh a sd e s i g n e das e t o fh i g hs p e e dp a p e rm a c h i n ee l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e m i nt h e d e s i g n ， t h ep r o c e s sp l a nc o m p a r e dt oa sw e l la sp r e s e n ta n dt h ef u t u r ep a p e r m a k i n gd r i v e s y s t e mt r e n do fd e v e l o p m e n t , t a k et h e3 9 0 0 4 5 0p a p e rm a c h i n ei np r o j e c t i m p l e m e n t a t i o no fg u a n g d o n gj i n s h e n gz h i y eg r o u p sa st h er e s e a r c hd e s i g n o b j e c t , w a sp r o p o s i n gb a s e do nt h ec o m m o nd c - b u sh i g hs p e e dp a p e rm a c h i n e d r i v ec o n t r o ls y s t e md e s i g np r o p o s a l t h i ss y s t e md e s i g ni st h ec o l l e c t i o n s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ni sab o d yi n t e g r i t ys y s t e md e s i g n ，s t r e s s e st h e h a r d w a r ed e s i g n - 一s p e c i a l yi st h ec o m m o l ld c - b u su n i td e s i g n i i i w h e nt h ec o m m o nd c b u ss y s t e md e s i g nr e a l i z a t i o n ，f i r s tw a sb r i e f i n t r o d u c e dt h ec o m m o nd c b u sd e f i n i t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h e nh a v e e m p h a t i c a l l yg i v e nd e t a i l e dd e s i g na n a l y s i ss h o w i n go nt h es y s t e md e s i g n r e a l i z a t i o n ，t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mb yt h ei n d e p e n d e n tr e c t i f i c a t i o n u n i t c e n t r a l i s mp o w e rs u p p l y ，t h el o t so ff r e q u e n c yc h a n g e rs u b s t i t u t i o ni n v e r t e rd r i v e m o t o r sa l o n et om o v e t h es y s t e ma d o p t s p r o f i b u s - d pp r o t o c o l ，a n de v e r y i n v e r t e ri s e q u i p p e do n ep r o f i b u s - - d pa d a p t e r - r p b a 01 ；a n da d o p t sp l ca s c o n t r o lc o r e ，w h i c hw i l lt r e a tw i t ht h eo p e r a t i o no fe v e r yd r i v ep o i n ta n dt r a n s m i t s p e e ds i g n a lt h a tm e a s u r e db yp u l s ec o d e rt oi n v e r t e r s b e c a u s ei ti s au n i t a r y c o m m u t a t eu n i t ，t h ec o m m o nd c - b u sw i l ls a v ea d d e d8 15 e n e r g yt h a n t r a d i t i o n a la cs y s t e md o e s ；a n dt h ed cv o l t a g ei sf u r t h e rs t e a d yt h a nt h a to f s i n g l ec o n v e r t e r ，s ot h a ta n t i - d i s t u r b a n c eo fi n v e r t e ri si m p r o v e da n dt h ep o w e r f a c t o ro fs y s t e mi se n h a n c e d ；l o t so fb r a k eu n i ta n db r a k er e s i s t a n c e sa r es a v e d ， s ot h a tt h e s y s t e ms t r u c t u r ei sc o m p a c t ，a n do c c u p i e da r e aa n dd e v i c e s m a i n t e n a n c ea r es a v e d ，a n dt h er e l i a b i l i t yo fu n i t a r yd e v i c e si se n h a n c e d w i t h t h ea p p l i c a t i o no fc o m m o nd c b u s ，t h ep h e n o m e n at h a ti n v e r t e r sf a u l ta n dr u m o f fd u et oo v e r - v o l t a g ea r ea v o i d e d ，a n di tw i l lr e d u c ed e b u g g i n ga n dh a l tt i m e g r e a t l yd u r i n gd e b u g g i n ga n dp r o d u c i n g t h es y s t e md e s i g nr e a l i z a t i o nm a i n l y i n c l u d e si nt h eh a r d w a r es u p p l i e sp o w e rt h eu n i tc h o i c ea n dt h ed e s i g n ( c o r e p a r t ) ，p u b l i cb r a k eu n i tc h o i c e ，t h ec o m m o nd c b u si n t e rc o n d e n s e rc a p a c i t y c h o i c e ，t h ec e n t r a lc o n t r o lu n i tp l cc h o i c e ，d r i v eu n i ti n v e r t e rc h o i c e ，t h e m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o nu n i to p e r a t i o ns c r e e n ( t o u c h i n gs c r e e n ) c h o i c e ，h i g h e r a u t h o r i t yc o m p u t e rc h o i c e ，t h ep r o t o c o la n dt h eb u sc h o i c e ，t h ef e e d b a c ku n i t c h o i c e ，t h et r a n s m i s s i o nu n i tf u s ec h o i c e ，t h et r a n s m i s s i o nc o n t r o lu n i tn d c u c h o i c e ，o u t p u t st h ef i l t e rt h ec h o i c e ，t h en e c e s s a r ye l e c t r i c a lp a r tc h o i c e ，t h e t h r e e p h a s ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nm o t o rc h o i c ed e s i g n t h es o f t w a r ed e s i g n i n c l u d i n gp a p e rm a c h i n e m u l t i t r a n s m i s s i o ns y s t e ms p e e dc h a i n ，l o a da s s i g n m e n t ， t e n s i o nc o n t r o la n ds oo nc o n t r o lf u n c t i o nr e a l i z a t i o n sc a r r i e so nt h ed e t a i l e d e l a b o r a t i o n ，f i n a l l yh a sg i v e n t h es y s t e mm o v e m e n tp a r a m e t e ra n dt h em o v e m e n t e f f e c t a f t e rt h es y s t e md e s i g nc o m p l e t e s ，f o rt h ec o m m o nd c b u ss y s t e mt o o b t a i nt h eb e t t e rm o v e m e n te f f e c ti nt h ea c t u a lm o v e m e n t ，t h r o u g ha s y n c h r o n o u s m o t o rm u l t i v a r i a b l em a t h e m a t i c a lm o d e l ，b a s e do nd y n a m i cm o d e lm a i n t e n a n c e i v s t a t o rf l u xl i n k a g ec o n s t a n td i r e c tt o r q u ec o n t r o lb a s i cp r i n c i p l e ，t h r o u g ha b b d r i v ea c s 8 0 0 ( f r e q u e n c yc h a n g e ra n di n v e r t e ot h es y s t e mp e r f o r m a n c e t a r g e t a n dt h ea n a l y s i s ，t h ep a p e ra n dt h ec a r d b o a r dp e r f o r m a n c ei n d e xa n ds oo nh a s m a d et h ea n a l y s i st ot h ep a p e rm a c h i n ee l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e m p e r f o r m a n c e ，i n t h i sf o u n d a t i o nb a s e do nt h e p a p e rm a c h i n ee l e c t r i c i t y t r a n s m i s s i o nc o n t r o l s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c ，h a sa n a l y z e dt h ep a p e rm a c h i n e e l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e mr e l i a b i l i t y ，a n dh a sm a d et h ed e s i g na n a l y s i st ot h e s y s t e mr e l i a b i l i t yd e s i g n i nb r i e f , t h r o u g ht ob a s e do nt h ec o m m o nd c b u sp o w e rs u p p l ya n ds a f e o p e r a t i o nq u e s t i o nr e s e a r c h ，p r o v i d e st h et h e o r ya n dt h eo r i g i n a lt e c h n i c a lb a s i s f 研t h ed o m e s t i cp r o p r i e t a r yi n t e l l e c t u a lp r o p e r t y f i g h t sp a p e rm a c h i n ee l e c t r i c i t y t r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g na n dt h ed e v e l o p m e n t ，e n a b l e si tt oa c h i e v e t h et e c h n i c a lc o n t e n th i g h ，t h ew h o l ec o n t r o lp r e c i s i o nh i g h ，t h em o v e m e n ts t a b l e a n dt h ei n v e s t m e n tc o s tl o wg o a l i th a sp r o v i d e dt h eg o o dd e s i g nm a i ns o u r c e a n dt h er e f e r e n c ea p p l i c a t i o nc a s ef o ro u rc o u n t r yd o m e s t i cp r o d u c tm i d d l ea n d h i g hs p e e dp a p e rm a c h i n en e c e s s a r yd o m e s t i cp r o d u c th i g hs p e e dh i 曲a c c u r a c y m u l t i t r a n s m i s s i o ns y s t e m k e yw o r d s ：p a p e r m a c h i n e ，c o m m o nd c b u ss y s t e md e s i g n ， p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，r e l i a b i l i t yd e s i g n n 造纸机电控系统的工程设计与研究i 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：叠基支 日 期： 2 q q 星生皇旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学 位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文储始救孙签游日期：她 造纸机电控系统的工程设计与研究i 1 绪论 1 1 引言 五千年历史孕育了中国丰富的文化底蕴，从最早出现的象形文字到造纸及印刷术的 发明，勤劳勇敢的中国人拥有历史的辉煌，但是法国人罗伯特( r o b e r t ) 1 7 9 9 年发明长 网造纸机，1 8 0 4 年英国人弗多利尼亚( f o u r d r i n i e r ) 兄弟将其实用化。美国人约翰迪全 森1 8 0 8 发明了圆网造纸机，1 8 7 0 年美国人制成生产纸板的多圆网造纸机【玎。随着时间 的推移，纸机制浆工艺、造纸机以及附属设备、电气传动控制系统的发展，中国落伍了， 与世界发达的造纸技术有了较大的差距。但中国已经在世界经济大潮中意识到问题的严 重性和发展的迫切性。我们要抓住技术更新的契机，迎头赶上。要创造造纸明天的辉煌。 中国人均纸与纸板的消费量仍不及美国人的1 5 ，中国纸业的发展前景是美好的潜力是 巨大的。深刻理解造纸机械相关理论，全面优化纸机控制系统，适应纸机向宽幅、高速 方向的快速发展【2 1 。我们还有许多工作要做。 1 2 造纸机机械发展趋势 作为我国的原材料工业之一的造纸行业，近几年取得了飞速的发展。特别是加入了 w t o 后，中国的造纸行业在国家有关政策的扶持下，通过技术改造，嫁接和整体技术设 备的引进，在较短的时期内提升了我国造纸机机械、电气控制的装备水平，加速缩短与外 国造纸技术与造纸装备和控制技术的差距。部分新上纸机装备已经与世界最先进的纸机 同步。【3 】如：福建南平纸业公司新上的5 号纸机，从芬兰维美德公司进口的高级彩色新 闻纸机，是世界上第一台全部运用“优化概念 设计的纸机，1 9 9 9 年1 2 月建成投产， 幅面宽5 2 5 米生产车速1 7 0 0 米分。2 0 0 0 年亚洲浆纸公司( a p p ) 在中国的旗舰企业一 镇江金东纸业( 江苏) 有限公司总投资1 5 1 ，4 6 亿人民币( 折合1 8 2 3 亿美元) ，一号纸 机是全套从德国v o i t hs u l z e r 公司引进的超大型文化纸机，幅宽9 7 7 米，设计车 速1 8 0 0 m m i n 。二号机抄宽为9 7 0 0 m m ，车速为1 8 0 0 m m i n 的涂布原纸生产线，年生产 能力7 0 万t 以上。2 0 0 3 年，我国造纸企业又有多条大型制浆生产线投入运行，其中主要 有：湖南岳阳林纸集团年产2 0 万t 轻涂纸，山东华泰集团年产2 0 万t 彩印新闻纸，山 东博汇纸业年产3 5 万t 高级涂布纸板，山东日照森博浆纸厂年产2 2 万t 木浆、1 7 万t 白卡纸，山东太阳纸业年产2 0 万t 白卡纸，广东玖龙纸业年产4 0 万t 箱纸板，东莞理 文纸业年产3 5 万t 箱纸板等生产线。 未来纸机采用整体o p t i u m ( 全优化) 概念进行设计，宽幅高速电气控制系统全自动化 是未来纸机的发展方向。芬兰美卓公司、德国v o i t h 公司是现代纸机制造技术的先行 目卜1 现代纸机结构图1 3 1 f 1g1 _ 1m o d e r np a p c r 吣c h i n ec o n f g ut i o nc h a n 1 2 1 造纸机的车速和幅宽 从经济角度看，纸机抄宽在现有的制造技术，加= r _ 技术等条件r 有定的界限。这 是山丁辊的挠度与辊的长度4 次方成正比，随着抄宽的增大，为了降低挠度，纸幅辊、 毛柿辊、导网辊、压榨辊的直径必须人大增加，使设备投资过大。 据b e l o i t 公司的s k a u g e n 先生颅测，木世纪新闻纸机网宽为1 2 m 午速将达 2 2 0 0 m r a i n 。另外，高级纸、中档低定量涂布纸及板纸机的幅宽都将突破l o m 。同样， 有报告指出，印刷川纸纸机在车速一定的情况下，当幅宽在其极限1 0 m 以内时，设备投 资额与年生产能力的比值随幅宽增加而降低。 根据美卓公司提供的数据，台纸机在统一车速下宽度由55 m 提高到63 m 产量增 加1 4 ，价格提高9 ，而f 刊一宽度的纸机，车速由1 2 0 0 m m i n 提高到1 6 0 0 m m i n ，产量增 加3 3 在提高技术装备水甲和自动化水甲的条件f 价格仅仅增加i 0 1 5 。因此在设 纸机时应选择高的车速，以充分发挥纸机敞率。 1 2 1 网部 现在1 廿界上自几千台译长网造纸机，许多专家预测，在几f 年内，它们将迅速成为 历史产物。目前使用的混合型( h y d f i d f o m e r 也称为预网造纸机) ，也会很快继单长网造 纸机之后落后于时代，夹网纸机将在2 1 世纪占主导地位。 普通单长网和混台垩! 造纸机具柯臼山浆料表面，因此，存在不稳定的问题，车速越 高就越明显，当午速达到1 2 0 0 13 0 0 r e r a i n 时，定最波动已相当大，影响产品的质量。夹 网纸机没有自由浆料面，所以，不存在车速界限问题。此外，它的脱水能力大，设备紧 凑，删部长度几乎减小了一半，有 地少的优点，网部的动力消耗约减少1 0 。当然单 长网纸机和混台型长附纸机在某些特定纸种上，还足旮存在的必耍。 造纸机电控系统的工程设计与研究i 1 2 3 压榨部 由普通两辊压榨、沟纹压榨、真空压榨、大辊径压榨( 盲空压榨) 、复合压榨( - - 辊 两压区形式、四辊两压区形式、五辊四压区) 到靴型压榨形式。 靴形压榨的优点，第一是脱水能力大。在以前的辊式压榨中，压区窄( 2 0 5 0 m m ) ， 作用于纸的峰形压力过高，容易出现纸幅压溃，所以必须控制低的加压负荷。靴形压榨 的压区宽度较宽( 2 1 0 3 1 0 m m ) 可以避免高的峰压，同时，可以加大负荷，强化脱水。 因此，纸的压榨出口水分比辊式压榨约降低5 ，可以节省2 0 的干燥蒸汽。 靴形压榨的第二个优点是增加纸的强度。纸的水分每减少1 ，湿纸幅的抗张强度 提高7 ，所以，靴形压榨可以改善纸机的运行性，提高纸机的效率。靴形压榨还可以 制造比辊式压榨松厚度高的纸。如果采用靴形压榨，可以在降低定量要求使用廉价的纤 维原料情况下制造出与辊式压榨挺度相同的纸，还可以提高车速和节省蒸汽等。 1 2 4 干燥部 t a 单层烘缸结构 随着车速提高愿望的增强，干燥部的开放引纸部分越来越不适应，为了解决这个问 题，首先是在纸的水分高，强度差的干燥部前一段采用单层毛毯，其次是对于高速纸机， 采用单层烘缸，并在两个烘缸之间设有大直径真空辊，以增大纸的烘缸上的包角，提高 干燥效率。纸运行的全过程都贴着毛毯，减少了断头、 减少褶子提高纸的质量。 b 缩短干燥部长度采用热风罩结构 为了缩短干燥部进行了各种研究表明，最有可能实用的是高速薄页纸机使用的具有 高速吹人高湿空气的干燥方式，即所谓的扬克罩。温度达3 0 0 的高温空气以6 0 1 0 0 m s e e 的高速吹向纸面，热风经过纸页吹过大直径真空吸辊，其干燥能力通常比烘缸( 单位面积 蒸发量2 0 - 4 0 k g m 2 h ) 高。 在未来的高速纸机中，干燥部最重要的是其运行性能。传统的纸机压榨部到干燥部 的传递通常是开式引纸，烘缸与烘缸之间纸页往往也是开式引纸，而且纸页在烘缸之间 是悬空的，只有在与烘缸接触部分才由缸毯支撑。这样在纸机快速运行时很容易发生断 头。新式纸机在干燥部分用一整张缸毯来传送纸页，纸页在整个干燥部都有干毯或干网 来支撑住，不再需要靠纸的幅的张力来维持纸页的稳定性，这就提高了纸机的运行性能， 使纸机发生断头的机会大大减少，而且纸张的质量也会有所提高。 1 2 5 压光部 软辊压光机的开发和应用是8 0 年代造纸技术的大发展，西德k u s t e r 公司率先开 发成功，从而实现了造纸业采用机内软压光达到高速饰作用的愿望。 软辊压光可以使纸页在达到很高的平滑度、光泽度、亮度等性能的同时保留高的松 厚度、挺度、不透明度和强度。世界上目前已有好几百台软辊压光机投入运行，并大多 3 陕西科技大学硕士学位论文 用在机内进行压光整饰且使用效果很好，它被广泛用于新闻纸、印刷纸、字典纸、牛皮 纸、滤纸、无碳复写纸、高级文件纸等纸种的压光。目前有好几家造纸机械公司都在生 产软辊压光机，如：k l e m e w e f e m 、v a l m t 、n b 、a l l i b e 、h & e s c h e r 、w y s s 等。 1 2 6 复卷部 ” 复卷机或机外涂布机的速度对于造纸机的生产效率来说也是非常重要的部分，在复 卷机中主要解决的问题是如何减少断头、减少边上的缺陷和表面刮伤并提高复卷速度， 缩短辅助工作时间，不要让它制约复卷机的运行效率。 总的来说，2 l 世纪新一代的造纸机应该是高速、大型化的并且运行性能良好、成纸 质量高的纸机。纸页将是分层成型，并具有良好的外观和性能，压榨部出口干度可以达 到5 5 或更高此。干燥部将会在长度上缩短，纸页在干燥部全部有缸毯支撑将是提高纸 机运行性和纸的质量。高温、软辊压光技术将改善纸的适印性、提高光泽度和减少掉毛。 1 j 造纸机的电气传动控制系统现状及发展 纸机电气传动控制系统的发展是随着纸机机械结构发生变化和工作车速不断提高 的前提下，逐步由模拟到数字再到全集成、全数字、全网络；由集中控制到分散控制再 到全集中控制；由一般交流传动总轴传动到直流分部传动再到交流变频分部传动；由交 流公共母线到直流公共母线；由基于p l c 为控制中心到基于p c b a s e d 控制系统；由电 机经减速机驱动传动分部到电机直接驱动传动分部的发展过程。 约1 9 6 0 年起，可调直流电压的分部传动形似逐步应用到纸机电气传动控制系统中。 直到1 9 8 2 年左右，模拟式速度调节器应用到直流传动中，该方式的控制精度，在稳定生 产条件下约为最高转速的士0 1 。到8 0 年代中期，数字式调节器开始取代模拟式调节器 应用到纸机传动中。由于纸机机械部件的原因，在稳态条件下，数字式调节器的精度仍 限于最高车速的士o 0 1 左右。这些机械原因包括轴、轴连轴器、辊外壳的刚度，以及齿 轮啮合和万象连轴器的间隙。在顺变条件下，精确度还受转矩、截面模量等参数的影响 3 】 o 在8 0 年代早期，欧洲和日本开发了交流变频分部传动装置，该技术在8 0 年代中期 成功引入美国，不仅适用于纸机和复卷机，还适用于涂布机等设备。 国内纸机在9 0 年之前，中高速纸机的电气传动控制系统以直流分部传动形式为主。 到9 5 年左右，交流变频分部传动控制系统开始在新纸机中占主导地位。 在8 0 年代，矢量变频技术已经比较成熟，为了适应大型多传动分部的机械设备的 传动要求，以a b b 、s i e m e n s 、a b 等公司为代表的电气公司开始开发以公共直流母线 为框架的集散控制系统应用于多传动控制系统。并在8 0 年代开始逐步应用于多传动控制 系统如轧钢、造纸、化纤等行业。1 9 9 4 年苏州紫兴纸业从a b b 公司开始引进p p s 2 0 0 4 造纸机电控系统的工程设计与研究i 系统开始“】，到后来的引进的多台国外成套大型纸机，其电气传动控制系统几乎全采用 基于公共直流母线的集散控制系统，经过多年的学习和理解直到1 9 9 7 年，由天津电气传 动研究所开发的具有自主知识产权的基于公共直流控制的多传动控制系统第一次应用到 轧钢厂，并取得了很好的效果啼3 。打破了基于公共直流母线多传动控制系统由外国公司 垄断的局面。 目前现状，大型高速纸机的电气控制系统基本上属于国外大电气公司的天下。如： 芬兰a b b 公司、德国的西门子公司、德国a e g 公司、美国a b 公司等。高速纸机的电 气传动控制系统全部采用基于p l c 的d c s 控制系统或者是基于现场总线控制的f c s 控 制系统。从干湿法备料系统，制浆系统，流送系统，纸机的湿部、干部、整理部及其辅 助系统可以做到全部自动化控制。控制室可根据市场需要的产品要求，调出相应的控制 方案，下载到中心计算机中上，再到各个控制中心单元，从而使整个生产过程即可统一 进行调整，而生产出优良、合格的产品。 到目前为止，国内暂除杭州华章公司已承接一台由太阳纸业控股的广东建晖纸业的 5 6 0 0 6 5 0 m r a i n 年产3 0 万吨涂布板纸机的整套电气传动控制系统，该纸机的总装机容量 接近1 0 0 0 0 k w 。其控制结构是基于公共直流母线现场总线控制系统。其它众多电气公司 的控制系统还是以配套国内生产的造纸机为主。纸机幅宽在6 5 米以下，工作车速在6 0 0 米分以下。该类纸机的电气控制系统，多数纸机的传动以p l c 控制为核心，纸机的辅 助控制系统有的并未完全实现电、气、液一体化的设计概念。尽管纸机的制浆系统与流 送系统部分，供汽系统等有的纸机传动控制系统也采用了d c s 控制，但整台纸机并未实 现真正意义上的统一的集中控制。如：陕西科技大学微机所，过控所，陕西科达公司， 四川的高达公司，海天公司，浙江大学双元公司，上海电控所，上海瑞华公司，上海华 欣公司，北京的和利时，北京的景新公司等。 工作车速在1 0 0 0 米分钟以上的高速纸机的电气控制系统，与现在的中低速纸机的 电气控制系统已经有较大的区别。 1 ) 纸机的电气控制系统( 包括传动控制系统，气动系统，液压系统，润滑系统， 电、气、液一体化辅助控制系统，检测q c s 控制系统等) 与制浆控制系统，流送控制系 统，流浆箱的控制系统，蒸汽控制系统，以及干燥部的通风系统等。将组成一个集散控 制系统即d c s 系统，甚至是有全数字信号控制现场总线控制系统即f c s 系统。 2 ) 纸机的自动化水平将提高到一个新的阶段，纸机全过程实现无开式引纸，纸机运 行将实现无人现场操作化。整台纸机的控制将有控制室微机集中控制。 3 ) 自动化不仅可以实现各生产工序的自动顺序进行，还能实现对产品的自动检测、 清理、包装，设备工作状态的实时监测、报警、反馈处理等功能。 5 陕西科技大学硕士学位论文 1 4 纸机传动工艺 1 4 1 造纸机传动的要求 造纸机传动装置的形式应按照生产品种，产量和质量来选择。按照网部结构的不同， 可分为几种类型：长网类型、圆网类型、夹网类型、叠网类型、和带有饰面辊等特殊结 构的造纸机等。 为了能生产出质量标准较高的产品，纸机对电气传动系统提出如下的要求h 1 ： 1 ) 车速要有较高的稳定裕度，总车速提升、下降要平稳。为了稳定纸页的定量和质 量、减少纸幅断头，要求纸机稳速精度为士o 0 5 - - - 0 0 1 ； 2 ) 有数字化串并联速度链调节，使各分部速度按比例协调控制并同步升、降速，速 比可调、稳定。速差在一定范围内变化不引起纸页质量的突变。此时的速差对成纸来说， 主要影响纸页的克重，误差应控制在o 1 以内保持纸张不被拉断。纸机各分部的速度必 须是可以调节的，为4 - 1 0 - 1 5 。为了生产较高质量的纸幅和减少断头率，还要保持各分 部间速比的稳定； 3 ) 各分部点具有速度微升、微降功能，引纸操作时的紧纸、松纸功能； 4 ) 必要的显示功能，如线速度、电流或转矩、运行信号、故障信号等； 5 ) 主副分部间应能实现联动工作、负荷自动平衡调节。具有刚性联结或软联结的传 动分部，如网部、压榨部、施胶部，能进行负荷动态调节。防止某点的速度发生变化而 引起负荷在分部内动态转移，如不及时进行自动的调节( 因为现在使用的变频器基本上 都不具备长期四象限运行能力) ，有的传动点负载可能超过它自身的功率范围引起过流， 有的传动点被拖动而引起过高的泵升电压，导致变频器过压而保护跳闸，甚至损坏变频 器和撕坏毛布。同时在这些分部中，应具有单动、联动功能，并可以同时起动、停止； 6 ) 纸机为恒转矩负载，要选择具有恒转矩控制性能的变频器，并具有较高的分辨率， 良好的通讯能力，并采用p l c 作为控制单元，实现对整个控制系统的可靠、协调的控制， 以满足纸机控制系统正常工作的需要。 1 4 2 造纸机传动的形式 a 纸机传动形式可分为： 总轴传动( 单原电机传动) ；分部传动( 多电机传动) 。前者现在已经基本不用，后 者现在广泛应用于纸机上。 分部传动是用电气的方法代替机械方法来调节全机车速和各分部间的速比。分部传 动的电力拖动形式，根据纸机的大小和纸种不同而采用不同的方案。国内目前使用的系 统可大体分为六种：1 、总发电机给直流发电机组供电的机械电气联合调速系统；2 、总 发电机供电的扩大调速系统；3 、电子管放大器一电力扩大器一直流电机系统( 或电力扩 大机) 一直流电动机一直流电动机系统；4 、可控硅单闭环或双闭环调速系统；5 、直流 6 造纸机电控系统的工程设计与研究i 调速控制器传动系统；6 、变频传动控制系统。 随着交、直流调速控制理论的发展，9 0 年代以来交流调速控制器、变频传动成为纸 机传动的主流，双闭环可控硅调速系统已经逐渐被淘汰嘲。到目前，几乎1 0 0 的纸机都 采用变频分部传动系统。在变频传动中，又分为交流供电的独立变频传动和单一a c - d c 变换单元供电的直流母线多传动系统。前者传动装置一般以交一直一交变换器为例，如图 卜2 。后者以最简单的二极管整流单元为例，如图卜3 。 b 分部传动的特点： 分部传动大大简化了机械结构，操作更方便而安全，并为造纸机进一步自动化创造 有利条件，因此多传动发展得很快。 图i - 2 独立变频传动系统原理 f i g l - 2p r i n c i p l eo fi n d e p e n d e n tv a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v es y s t e m 交流供电的独立变频传动系统，直接由交流电源供电，单台变频器驱动马达。这种 供电方式结构简单、设备体积小、投资省，传动装置之间但常常因为某些传动点处于回 馈制动或者故障时造成变频母线电压过高，而发生频繁的变频跳闸、停机，影响生产， 且调试和停机时间较长、设备停车速度较慢。这时，为了消耗回馈制动产生的能量，需 要给每台变频器配上制动电阻，增加了系统成本。 单一a c d c 变换单元供电的好直流母线多传动系统能够解决上述问题。系统由单 一的a c d c 变换单元供电，所有驱动装置挂在直流母线上，结构紧凑，设备整体可靠 性提高，所受电压比单台变频器的母线电压更加稳定，系统抗干扰能力提高，能量得到 合理利用。当某些传动点工作处于发电状态，产生的再生能量可以通过直流母线供给处 于电动状态的电机使用；当回馈能量大于其他运转电机要求的能量时，多余的能量将回 馈到 r s t 图1 - 3 单一整流单元供电的传动系统 f i g l 3d r i v es y s t e ms u p p l i e db ys i n g l er e c t i f i c a t i o nc i r c u i t 7 陕西科技大学硕士学位论文 电网或消耗在公共制动单元上，可以避免因母线电压过高而发生跳闸、停机的现象，这 在调试、生产中将大大减少试机和停机的时间。由于采用集中整流，控制精度提高，在 传统交流系统基础上再节能8 1 5 左右，并且省去了大量的制动单元、制动电阻等外 围设备，节省了占地面积和设备维护量，减少