一种采用矢量控制变频器系统实现的交流复卷机控制系统
1 引言由于直流电机调速性能很好，启动转矩较大，所以长期以来大多数国内造纸企业，都是采用直流调速作为复卷机的主要调速方式。但是随着复卷机转速的进一步提高，对纸卷质量的要求更加严格，直流电机的缺点也暴露无遗：(1) 需要定期更换电刷和换向器,维护保养困难,寿命较短；(2) 由于直流电动机存在换向火花,难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； (3) 结构复杂,难以制造出大容量、高转速和高电压的直流电动机。这些直流电机与生俱来的缺陷严重阻碍了了造纸行业生产效率的提高，因此很多企业开始采用交流调速技术应用在复卷机上，交流调速技术是七十年代左右开始发展起来的，其中以德国人Blaschke在1971年提出的交流电机的矢量控制理论奠定了交流调速系统的理论基础。矢量控制理论的基本思想是：在两个匝数相等，互相垂直的绕组M和T,分别通以直流电流iM和iT，并使这两个绕组同时以同步转速旋转，这时候产生的磁场等效于在三相固定的对称绕组A、B、C中通以三相正弦交流电流ia、ib、ic时产生的磁场。绕组M相当于励磁绕组，T相当于电枢绕组。这样通过控制等效的的直流电流iM，iT就可以对三相交流电流ia、ib、ic进行控制，使交流电机获得了和直流电机一样优越的调速性能。
2 复卷机的传动系统组成本文设计的3800/2000下引纸复卷机电气传动系统就是采用矢量控制的交流调速策略。下面我就针对该调速系统作一下简单的介绍。从图1中可以看出该控制系统为三级控制方式，传动系统第一级为逆变器控制级，逆变器采用SIEMENS公司公共直流母线系统，配有组合闭环控制编码器反馈CUVC板，组成闭环控制系统。逆变器上还配有CBP2通讯板，与上位PLC组成PROFIBUS-DP现场总线控制网络进行实时高速通讯。
图1 系统图
动系统第二级为PLC控制系统，PLC采用西门子公司大型S7-412-2DP和SIEMENS公司的6SE70系列逆变器系统组成PROFIBUS-DP现场总线控制网络，完成整个复卷机操作控制。传动系统第三级为上位优化控制系统，采IBM公司工业控制计算机,用于整个纸机传动系统状态监控。上位机采用西门子组态软件WINCC。能够通过工程师站对系统的所有组态、编程、参数的进行访问且能进行在线维护及对传动点进行操作、监控。其中传动系统的第一级和第二级是我们实现矢量控制的关键所在，至于第三级在这里就不再详述了。复卷机的主要传动点是前后底辊和退纸辊。如何保证纸张的连续并满足复卷后纸卷的内紧外松的要求，这就需要我们对这三个传动点采取不同的控制方式。3 矢量变频器6SE70和各传动点的控制3.1 6SE70矢量变频器的功能6SE70矢量控制变频器是全数字式的交-直-交电压源型SPWM变频器，其逆变器的主开关为IGBT具有良好的驱动性能。它采用先进的转子磁场矢量控制控制策略，可以达到同直流传动系统相媲美的静、动态性能，具有电机参数自动辨识，调节器参数自动寻优，故障自诊断等功能。先进的控制软件，确保最佳的动态响应、卓越的控制性能和高度的灵活性。多种自由功能的功能模块及BICO技术可灵活地满足各种控制功能需要的控制系统。两个串行基本接口可用USS协议进行通讯，用SCB2(或SCB1)通讯接口可实现装置与装置之间的通讯控制，而通过CBP通讯板可实现PROFIBUS-DP开放式的串行现场总线的通讯控制，通过CBP通讯板则可用CAN协议实现装置之间或同现场装置之间的通讯控制，也可和上一级自动化系统进行通讯。西门子6SE70矢量控制功能，可以对不同电机实现高精度矢量控制。特别是带PG矢量控制方式具有极高的速度控制精度（±0.01%）和极高的起动转矩（0r/min时150%），其与PLC配合使用，可以实现退纸辊的自动张力控制和前后底辊的转矩差控制。变频器矢量控制策略是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流ia、ib、ic通过三相-二相等效成两相静止坐标系下的交流电流ia1、ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流iM，iT（iM相当于直流电动机的励磁电流，iT相当于与转矩成正比的电枢电流）既将转矩电流，励磁电流分量进行解耦。使解耦的磁通与转矩控制器互不影响，而电机的速度、转矩连续可调。从而可实现在低速状态时的平滑运行和高力矩、高精度的速度、转矩控制。在我们这里是采用的是西门子的公共直流母线系统，即采用的是一台整流回馈单元加三台逆变单元的方案，当电机处于电动状态，整流单元将三相电流整流为直流电源供逆变单元驱动电机;而当电机处于发电状态，逆变单元将电能反馈回直流母排，供其他电机使用或由制动电阻消耗。在本套系统中全采用的是西门子的6SE70系列，具体型号为：整流回馈单元6SE7041-0EH85,退纸辊逆变器6SE7035-1TJ60-Z，前后底辊逆变器均为6SE7033-2TG60-Z。 基本原理框图如图2所示：