1 引言

現在造紙機傳動控制基本上全部采用交流變頻傳動控制系統，而市場上變頻器品牌眾多，功能各異。面對如此眾多的變頻器產品，如何選擇變頻器及相應的控制系統成為各廠家的難題，下面簡單介紹造紙機對變頻器的基本要求，以及如何選擇變頻器。

2 造紙機傳動特性與變頻器機械特性

一臺造紙機完整結構如圖1所示。

圖1 造紙機結構圖

造紙機傳動屬于恒轉矩負載，所以要求電機采用恒轉矩調速。要求變頻器工作在恒轉矩調速控制狀態，所以應該選用恒轉矩機械負載變頻器。有的公司對于恒轉矩調速和恒功率調速采用不同型號的變頻器，如西門子公司的eco系列風機、水泵控制用變頻器和mdv、6se70恒轉矩變頻器。有的公司對于恒轉矩調速和恒功率調速采用同一型號的變頻器，對于同一臺變頻器采用不同的控制方式所接配的電機不同，變頻器內部參數設置不同。如abb公司acs400、acs600系列變頻器。比如型號為acs401-0030的變頻器在恒轉矩調速控制接配電機22kw，那么，當它在風機、水泵等恒功率控制時接配的電機為30kw。所以用戶在選擇變頻器是應該首先了解變頻器與傳動機械特性匹配。

3 頻率分辨率對造紙機傳動性能的影響

頻率分辨率是衡量變頻器的重要指標。頻率分辨率包含頻率給定分辨率和頻率控制分辨率。
(1) 頻率給定分辨率指變頻器的給定通道對輸入信號的分辨率，一般指模擬輸入通道ad的位數。對于通訊通道一般給定精度遠遠大于模擬通道，所以模擬給定通道若能滿足要求，通訊通道是絕對能滿足的。

一般紙機對傳動調速的控制精度要求為0.1%，對于一臺確定的造紙機從頻率分辨率的角度來說，若能在最低速滿足給定控制精度，則在高速運行是沒有問題的。下面我們舉例說明:
設本臺紙機在低速抄紙，變頻器運行頻率為10hz，則要求給定精度為:10×0.1%=0.01hz，所以要求變頻器的頻率分辨率必須能夠小于0.01hz。

設本臺紙機在高速抄紙，變頻器運行頻率為50hz，則要求給定精度為:50×0.1%=0.05hz，所以要求變頻器的頻率分辨率必須能夠小于0.05hz。

我們在選擇傳動系統時注意紙機低速時變頻器能否滿足控制精度的要求。而不必擔心高速的給定精度。給定精度也可以通過變頻器參數來進行調節，但缺點是在改變工作狀態時需要重新調整參數。

如一臺用于流漿箱控制的上漿泵變頻器，其運行頻率一般在30～50hz之間，控制采用sr73a調節器，但是流漿箱液位無法穩定，上漿量忽大忽小，變頻器始終調節不能穩定。原因變頻器設定分辨率不夠。給定忽大忽小，1ma對應2.5hz。我們可以調節參數，變頻器的最小給定為30hz，即給定0ma對應30hz，給定20ma對應50hz，這樣1ma對應1hz，給定頻率分辨率提高了2.5倍。

(2) 頻率控制分辨率指變頻器的輸出最小分辨率，通常說變頻器是無級調速是相對而言的。變頻器有它的最小分辨率，每次調速頻率的最小變化量。現在變頻器的最小分辨率一般為0.01hz。用戶在選擇變頻器時應該注意頻率分辨率是否能滿足設備需要。

4 具有轉差補償變頻器對系統穩態精度的影響

交流異步電機都存在轉差頻率，電機的輸出轉矩和功率與轉差頻率成正比，變頻器為了提高速度控制精度，對電機控制采用轉差補償。

依據異步電機的機械特性，當負載轉矩增大，轉差頻率增大，轉子產生速降。轉差補償就是利用依據負載改變定子同步頻率，以補償轉子因為負載的速降，消除調速靜差，從而保證轉子的速度維持恒定。

變頻器的轉差補償依據電機的機械特性進行，變頻器要求輸入電機銘牌參數，依據銘牌參數來確定電機的控制數學模型，轉差補償量應為:

式中:f為轉差補償量;
n0為電機銘牌的空載轉速;
ne為電機銘牌的額定轉速;
m為電機輸出轉矩;
me為電機額定轉矩。

由于電機在變頻控制調速過程中，不同公司的電機的阻抗不同，所以轉差補償有時是欠補償，有時為過補償。因此對系統穩態、動態精度會有一定的影響。
所以在使用變頻器的過程中合理使用轉差補償會消除靜差，提高系統的穩態精度。調節轉差補償可以獲得與特殊的機械特性的匹配，在板紙機、瓦楞紙機調試運行中非常重要。

5 變頻器功能的基本要求

造紙機傳動系統對變頻器功能的要求與選擇的上位控制系統有關，不同的控制方式對變頻器的功能有不同的要求。紙機一般要求在操作臺上能夠對變頻器進行起停、爬行/運行、速度微調等控制操作;能夠顯示分部線速度、電機電流等功能;能夠顯示變頻器工作狀態等功能。
下面列舉在不同的控制方式下對變頻器的功能要求。

5.1 模擬控制與速度鏈控制器控制
要求變頻器有兩路以上的模擬量輸入和輸出功能;兩路以上的數字量輸入功能;兩路數字量輸出功能。

兩路模擬量輸入用于速度給定和反饋輸入，第三路模擬量輸入用于速度附加給定控制。兩路模擬量輸出一路用于顯示分部線速度，一路用于顯示變頻器輸出電流。兩路以上的數字量輸入用于起停控制和爬行/運行轉換控制。兩路數字量輸出用于顯示變頻器的工作狀態。

5.2 電動電位器控制方式
要求變頻器有兩路模擬量輸出功能;四路以上的數字量輸入功能;兩路數字量輸出功能。
兩路模擬量輸出一路用于顯示分部線速度，一路用于顯示變頻器輸出電流。兩路數字量輸入用于起停控制和爬行/運行轉換控制;兩路數字量用于速度微調控制。兩路數字量輸出用于顯示變頻器的工作狀態。

5.3 plc通訊控制方式
plc通訊控制方式按照操作方式分有兩種控制方式，一種是采用傳統的按鈕操作方式，另一種為觸摸屏操作方式。這兩種控制方式要求變頻器有通訊控制功能和對應的通訊適配器。如modbus網絡要求有modbus通訊板; profibus-dp總線要求有profibus-dp通訊板。
(1) 按鈕控制方式要求變頻器有兩路模擬量輸出功能;兩路的數字量輸入功能;兩路數字量輸出功能。兩路模擬量輸出一路用于顯示分部線速度，一路用于顯示變頻器輸出電流。兩路數字量輸入用于起停控制和爬行/運行轉換控制;兩路數字量輸出用于顯示變頻器的工作狀態。
(2) 觸摸屏控制方式要求變頻器有一路數字量輸入，用于急停功能。其它顯示控制都在觸摸屏上進行。

6 應用實例

就以上介紹，現以abb公司acs800變頻器應用在造紙機主傳動為例，說明如何選擇變頻器，系統原理圖如圖2、圖3所示。

圖2 造紙機主傳動變頻調速系統原理圖

圖3 造紙機主傳動控制原理圖

在這里，首先確定造紙機主傳動變頻器選恒轉矩系列，acs800變頻器能滿足要求，另外還要考慮頻率分辯率，acs800變頻器頻率分辯率0.01hz，即若一臺四極電機，當最小頻率變化為分辨率時，設造紙機車速為450m/min，那么它的速度變化約為0.09 m/min，即造紙機線速度1min變化9cm，完全能滿足速度微調要求。本例所設計的主傳動系統選擇電動電位器方式，由于篇幅限制，僅畫出一臺變頻器的原理圖，圖中pn011為反饋板(因變頻器輸入端子只接受模擬信號，而編碼器輸出為數字信號，所以需要轉換一下，本圖中反饋板為我單位專利產品，實際選擇時設計人員可根據自身情況選擇各變頻器廠家配套的反饋卡);t012為反饋板的工作電源變壓器;pn012為測速表，前面提到如何選擇各種端口問題，本例中有兩塊指示電流表，pa011、pa012一塊在控制柜，另外一塊安裝在操作臺用于轉矩指示，這就需要有兩路以上模擬輸出(當然實際中也可選用外裝電流互感器，但從經濟角度講不支持)，造紙機傳動工藝要求有啟動、停止、加速、減速、爬行/運行、單動/聯動等功能，其中啟動、停止、加速、減速、爬行/運行這些功能要求用數字口來實現(圖中di口)，本圖中，加、減速用一輔助plc來實現，其他由變頻器自身端口完成，這需要考慮di口數量，abb系列變頻器有6組數字輸入口，完全可滿足要求。系統指示燈用變頻器自身提供的繼電輸出觸點來實現。

總之，選擇變頻器時，在基本框架確定后，一定要選擇在設計或功能實現時盡量節省外部附加回路的變頻器。這樣，一方面減少設計外部回路的工作量及實物投資，另一方面也可以減少系統復雜程度，從而減少出現故障的幾率。當然，若在本例設計中全部功能用通訊(plc通訊控制)控制的話，只需在滿足恒轉矩及頻率分辯率較高的條件下選擇合適性價比的產品即可。所以，如何選擇一臺變頻器要具體情況具體分析。

7 結束語

一臺造紙機能否正常運轉并能使其所生產出的產品滿足客戶的要求，不僅僅是工藝一方面所能決定，其電氣傳動控制系統也起到舉足輕重的作用。因此，如何選擇一套好的傳動系統(即選擇一種好的系統的核心裝置——變頻器)就顯得尤為重要，文中為作者從事多年造紙傳動系統設計相關工作的所得的經驗，供大家參考。