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 引言

為了將高濃漿料進(jìn)行直接打漿，并增強(qiáng)最終產(chǎn)品的抗張物理強(qiáng)度以及降低動(dòng)力消耗，在造紙的打漿工業(yè)生產(chǎn)過程中，應(yīng)用高濃磨漿機(jī)、永磁同步電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)技術(shù)。高濃磨漿機(jī)打漿濃度可達(dá)10%-30%，相比于低濃磨漿有50%的動(dòng)力節(jié)省。該技術(shù)大多采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)高濃磨漿機(jī)，電機(jī)頻率為固定50Hz不可調(diào)^[1]。

永磁同步電機(jī)相比異步電機(jī)不需要傳統(tǒng)的變速裝置，所以永磁同步電機(jī)體積很小重量很輕。在電機(jī)功率方面，永磁同步電機(jī)功率大具有高功率密度。同時(shí)，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要比一般的異步電機(jī)小并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)要高于異步電機(jī)，而且永磁同步電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)高速負(fù)載，這樣避免了由變速裝置帶來的各種損耗和噪聲。

永磁同步電機(jī)不需外界能量即可維持其轉(zhuǎn)子磁場，但永磁同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子磁場矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角δ（功率角）必須在0～90°范圍內(nèi)變動(dòng)，否則將導(dǎo)致失步。這也造成永磁同步電機(jī)從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。因此永磁同步電機(jī)一般采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)變頻啟動(dòng)，通過改變定子旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行轉(zhuǎn)速，利用定轉(zhuǎn)子磁場同步啟動(dòng)永磁同步電機(jī)。圖1為某造紙現(xiàn)場中永磁同步電機(jī)變頻器系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)磨漿機(jī).

圖1永磁同步電機(jī)變頻器系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)磨漿機(jī).

2  永磁同步電機(jī)變頻器控制系統(tǒng)

2.1  永磁同步電機(jī)變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2永磁同步電機(jī)變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.將系統(tǒng)電網(wǎng)電壓輸入連接到永磁同步電機(jī)變頻器的移相變壓器上，移相變壓器將電網(wǎng)輸入電壓轉(zhuǎn)換為獨(dú)立的三相690V電壓，給每個(gè)功率單元供電。移相變壓器的作用：第一是將電網(wǎng)的高壓降低為低壓，給每個(gè)功率單元供電；第二是移相變壓器采用延邊三角形結(jié)構(gòu)，使單元的輸入電壓進(jìn)行移相，這樣就減小了對電網(wǎng)的諧波無污染，為真正的完美無諧波；第三是給每個(gè)功率單元提供獨(dú)立的電源，可以使單元進(jìn)行級聯(lián)。永磁同步電機(jī)變頻器有完善的控制系統(tǒng)，其主控系統(tǒng)采用高速DSP為控制核心，控制算法完全數(shù)字化，主控箱與功率單元采用高速光纖通訊，主控將PWM波信號通過下行通訊光纖傳遞給每個(gè)功率單元，每個(gè)功率單元通過相應(yīng)單元的保護(hù)動(dòng)作通過上行通訊光纖上傳給主控系統(tǒng)。主控產(chǎn)生的PWM信號為載波移相后的PWM信號，這樣就可以將單元級聯(lián)后輸出的電壓諧波減小。

功率單元級聯(lián)輸出電壓采用自動(dòng)穩(wěn)壓技術(shù)，單元輸入母線電壓高時(shí)，輸出調(diào)制波相應(yīng)減小，單元輸入母線電壓低時(shí)，輸出調(diào)制波相應(yīng)增加，這種技術(shù)可以解決由于負(fù)載不平衡導(dǎo)致母線電壓不一致，從而出現(xiàn)輸出電壓不平衡的問題。

2.2永磁同步電機(jī)變頻器矢量控制

同步電機(jī)采用改進(jìn)的空間矢量磁場定向控制策略，控制系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)簡單，并能獲得較好的電流跟蹤性能。速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，能有效地限制動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量，加快響應(yīng)速度。速度給定ω與速度反饋相減得出速度誤差，速度誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出轉(zhuǎn)矩電流給定i^*_qs，i*_ds勵(lì)磁電流給定是根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)需要進(jìn)行調(diào)整其值根據(jù)不同的電機(jī)和負(fù)載得出的經(jīng)驗(yàn)值，電機(jī)三相電流反饋iu、iv、iw經(jīng)傳感器采樣，然后再根據(jù)轉(zhuǎn)子位置電氣角度θ進(jìn)行Clarke變換和Park變換輸出i_ds、i_qs，i_ds、i_qs值與給定值i^*_qs、i*_ds求誤差,進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后輸出Vqs、Vds, 電壓矢量利用轉(zhuǎn)子位置電氣角度θ經(jīng)過Park逆變換和Clarke逆變換輸出電機(jī)定子三相電壓Uu、Uv、Uw值，三相電壓Uu、Uv、Uw值作為PWM（脈寬調(diào)制）的比較值比較輸出PWM波形到逆變器，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)^[2]。無感矢量控制原理如圖3所示。

圖3 無感矢量控制原理圖

永磁同步電機(jī)變頻器可在在靜止?fàn)顟B(tài)下可辨識出定子電阻Rs、直軸電感Ld以及交軸電感Lq。可由動(dòng)態(tài)辨識，或是由電機(jī)銘牌獲取電機(jī)額定反電勢。無感矢量控制的關(guān)鍵是通過電機(jī)定子側(cè)的電壓和電流估算出轉(zhuǎn)子位置和速度。

一個(gè)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)如圖4所示，應(yīng)包含著兩種模型，分別為參考模型和可調(diào)模型，這兩個(gè)模型有著相同物理意義的輸出量，不同的是參考模型不含待估參數(shù)，而可調(diào)模型含有對應(yīng)的待估參數(shù)。其基本思想為：參考模型與可調(diào)模型的輸出和狀態(tài)性能指標(biāo)通過反饋比較器得到誤差方程，構(gòu)造合適的自適應(yīng)律，使得可調(diào)模型的控制對象能夠跟隨參考模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。通過模型參考自適應(yīng)估計(jì)器估算出轉(zhuǎn)子位置和速度。

圖4 模型參考自適應(yīng)框圖

2.3  無擾切換

無擾切換功能也叫同步切換、軟切換。是指高壓變頻器檢測到輸入電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位后，高壓變頻器調(diào)整輸出電壓，使其輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相、同幅值的電壓后，實(shí)現(xiàn)負(fù)載、電網(wǎng)無擾切換。在切換過程中高壓永磁同步電動(dòng)機(jī)可以一直保持負(fù)載運(yùn)行不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載擾動(dòng)，切換過程中無沖擊電流，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)切換的“零擾動(dòng)”。

永磁同步電機(jī)變頻器無擾切換整機(jī)邏輯換如下圖5所示。首先，變頻器會(huì)自動(dòng)斷開交流接觸器KM0,并將頻率上升至50Hz。然后，變頻器根據(jù)輸入電壓檢測板上傳的頻率和幅值，自動(dòng)將運(yùn)行頻率和幅值調(diào)整到與電網(wǎng)頻率和幅值一致。接著，變頻器自動(dòng)調(diào)整相位，直到運(yùn)行相位與電網(wǎng)相位相差2度以內(nèi)。此時(shí)變頻器運(yùn)行電流不變，并將“同步調(diào)整完成信號”反饋給PLC控制器。最后PLC控制器先閉合交流接觸器KM4，再斷開交流接觸器KM3，最后斷開交流接觸器KM1，變頻器停機(jī)。工頻運(yùn)行電動(dòng)機(jī)。

圖5  永磁同步電機(jī)變頻器無擾切整機(jī)邏輯

該技術(shù)可滿足多電機(jī)綜合控制及大容量電機(jī)軟啟動(dòng)的需要。

3  結(jié)束語

永磁同步電機(jī)變頻器驅(qū)動(dòng)磨漿機(jī)、永磁同步電機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用，在造紙業(yè)等現(xiàn)場得到很好的應(yīng)用驗(yàn)證，相信此技術(shù)在增強(qiáng)最終產(chǎn)品的抗張物理強(qiáng)度以及降低動(dòng)力消耗等方面必然有更大的提升。