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协调变速驱动系统

作者:Paul Blaiklock, TMEIC GE公司2011.09.20阅读 4854

  机器高速运转时,要求控制器及驱动器能对速度和转矩的变化作出快速响应,网络制约则要求控制系统能与驱动器的速度及转矩密切配合,以避免网络中断造成停机而产生巨大浪费。
  在卷幅管理的应用中,变速驱动器被大量使用,例如www.cechina.cn,用于造纸业的造纸机和涂布机,以及用于金属业的轧机、镀锌流水线和酸洗流水线。在这些应用中,交流电动机的使用比直流电动机更为广泛。电力驱动系统由变频交流驱动器及变速交流异步电动机组成。
  虽然交流同步电动机常用于较高功率水平控制工程网版权所有,但很多卷幅管理所用的电动机都是5~500hp范围内的小功率电动机。这样的系统有时会使用多达200台电动机,以确保具备适当的电压。主控制器利用机械反馈以及过程控制系统或轧机控制的输入,通过高速网络对电动机的速度和转矩进行控制和协调。观察造纸机是如何进行控制,可以了解有哪些驱动系统特性需要考虑。
  变速驱动器
  图1的两个电路显示了低压交流驱动器的主要部件。

图1  机箱阵列展示了12台机架式低压驱动器
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  1. 交流-直流转换器由400~690V的三相交流电源供电。
  2. 电压滤波组件由电容器构成。
  3. 直流-交流逆变器采用脉冲宽度调制(PWM)来产生输出给电动机的变频电源。
  最后一个组件为变速三相交流异步电动机。
  转换器
  转换器有多种类型可供选择。例如www.cechina.cn,有些转换器具有双向工作能力,当电动机拖动机械时,电源向它供电,消耗电能控制工程网版权所有,而当机械减速时,它则转而向电源充电。这些转换器被称为再生转换器www.cechina.cn,能使机械的动能得到再生,而非持续损耗。它们通常与晶闸管或绝缘栅双极晶体管(IGBT)这样活跃的功率装置组合工作。
  左侧图2显示了二极管交流-直流转换器的其中一个相位。该转换器由三个二极管桥构成,分别用于三个相位,构成了一个三相全波电压整流器。这样,理论电压输出的波动便能被整流器过滤,从而为总线提供平稳的直流电压。这种采用二极管的设计,使输入功率因素能较好地保持在0.95~0.98之间。

  逆变器
  给电动机供电的三相变频电源是由具有3个输出功率桥的逆变器产生的。每个正弦波都是由IGBTs经由脉冲1500个/秒的PWM对直流电压进行调制后获得。这个电压施加于电动机绕组上,绕组中的大电感和大电阻如同滤波器,使产生的电流接近于正弦。图3示出了PWM三相输出中的一相;被调制的信号为电压信号,正弦波为电动机电流。PWM不仅能改变频率,也能改变正弦电压的波幅,从而改变电动机的电流。这也相应改变了电动机的输出转矩。因此,逆变器既能控制电动机的转速,也能控制转矩。

图3 逆变器的其中一相,脉冲宽度调制电压和电流

  对于异步电动机,因为损耗(损耗是由负载转矩造成的转速降低)的存在,而使得转速小于所提供的电源频率。通常使用转速表来获取电动机的转速信号,并将信号反馈给驱动器,从而调整频率以获得所需的转速。由于逆变器能根据输出频率及电流对转速进行计算,其精确度能满足大部分应用的需要,因此使用了驱动器之后,转速表便成了可选安装的仪表。
  每个驱动器都具备自己的LAN界面,以接收控制信号,并将驱动器和电动机的状态反馈给控制系统。
  成套
  小型单机驱动器被称为成套驱动器,它具有内置转换器及逆变器,是专为使用少量驱动器的机械而设计的。不过,对于包含大量驱动器的系统,则采用了一种不同的方法,即利用一个或多个大型转换器来提供所有逆变器的输入。图1示出了此类系统的机箱阵列。图中,12个逆变器由一个使用通用总线结构的转换器来提供输入。这种设计能节约成本和空间,提高能效并节省能源。
  每台逆变器都安装在托盘上,可从服务台上移除。每个托盘只安装一个逆变器,而没有安装转换器,这使得系统能获得较长的平均无故障时间(MTBF)。由于能快速移除托盘并以备件替换,系统的平均修复时间(MTTR)也很短。
  用于卷幅管理应用的协调驱动器
  卷幅管理设备,例如造纸机、涂布机、镀锌流水线和酸洗流水线,都会使用大量的变速电动机,有时甚至超过200台。典型的造纸机,其造纸速度为3,000英尺/分钟。为了避免机械速度改变时的网络中断,所有电动机的转速都必须由一台主控制器进行协调。图4示出了一台具备电动机、驱动器、转速表及主控制器的造纸机的前端部分。为了简化图示,只示出了部分电动机。

图4  具备电动机、驱动器与控制系统的造纸机构造简图。

(点击查看大图

  当机械速度改变时www.cechina.cn,所有电动机的转速也同时进行缓慢的斜坡式减速,其时间常数也能满足机械或过程的要求。每台电动机具有自己的速比,可进行速度设置。一种速比设置便形成了一种特定档次纸张的生产模式。一些模式被存储在主控制器中,用于多种档次纸张生产的需要。
  设置比例适当的电动机转矩
  若两台或以上电动机为同一台机械部件供能,则其中一台为调速,另一台为限速情况下的转矩调节。为了平衡调速电动机和转矩调节电动机,主控制器须按适当的比例来设置电动机的转矩。若对造纸机上的湿纸施加任何张力,则纸张会被撕开,因此无法对张力进行测量,并且控制系统也依赖于高精度的速度调节来维持网络运行。
  主控制器和驱动器是通过LAN来进行通信的,LAN可以是任何高速类型的网络,包括Modbus, Profibus-DP以及DeviceNet。驱动器与主控制器进行通信,获取实际的电动机转速、转矩以及电动机温度正态、故障及警报等数据。机械操作员采用触摸屏及HMIs,并通过Ethernet LAN形成系统界面,而工厂控制系统也具有自己的主控制器界面。 (翻译:肖红练)

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