协调变速系统驱动

高转速要求控制和驱动器对速度和扭矩变化做出快速响应，而卷筒网约束要求控制系统密切协调驱动器的速度和扭矩，以避免卷筒网断裂，从而导致代价高昂的停机时间。

在卷筒纸处理应用中，大量使用变速驱动器，例如，在造纸工业的造纸机和涂布机上，以及在金属工业的轧钢厂、镀锌线和酸洗线上。对于这些应用，交流电机优于直流电机。电驱动系统由变频交流驱动器和变速交流感应电动机组成。

虽然交流同步电机用于更高的功率水平，但大多数网络处理是用5到500马力范围内的较低马力电机完成的。这些系统使用多达200个电机来确保合理的张力，电机的速度和扭矩由高速网络上的主控制器控制和协调，使用来自机器的反馈和过程控制系统或轧机控制的输入。本文着眼于纸机上的控制，以说明所使用的驱动系统。

变速传动

低压交流驱动的主要部分如图1中的两个电路所示。

1. 交流到直流转换器提供400至690v交流，三相电源
2. 电压滤波部分由电容器组成
3. 直流到交流逆变器采用脉宽调制(PWM)产生变频功率输出到电机

最后一部分是变速三相交流感应电动机。

转换器

有几种转换器可供选择。例如，有些电机是双向工作的，当电机驱动机器时，从电源中消耗电力，当机器减速时，又向电源中产生电力。这些转换器，被称为再生，回收机器的动能，而不是让它消散。它们与可控硅或绝缘栅双极晶体管(igbt)等有源功率器件一起工作。

图2的左侧显示了基于二极管的交流-直流输入转换器的一个相位图。转换器由三个二极管桥组成，每个桥对应一个相，形成一个三相全波电压整流器。理论电压输出具有波纹，这些波纹被滤除以在母线上给出平滑的直流电压。二极管设计提供了一个良好的输入功率因数在0.95和0.98之间。

逆变器

电机的三相变频电源由具有三个输出功率桥的逆变器产生。每个正弦波是通过使用PWM以每秒1500脉冲的速率用igbt切割直流电压而产生的。这个电压被印在电机绕组上，其中大电感和电阻作为滤波器产生接近正弦波的电流。图3显示了三个PWM相位输出中的一个;斩波信号为电压，正弦波为电机电流。PWM不仅可以改变频率，还可以改变正弦波电压的幅值，从而改变电机电流。这改变了电机输出转矩;因此，逆变器可以同时控制电机的转速和转矩。

在感应电动机的情况下，由于滑差，速度小于施加的工频。(转差是由负载转矩引起的减速。)转速表通常用于获得电机速度信号，该信号反馈给驱动器，以便可以调整频率以产生所需的速度。随着现代驱动器的转速表是可选的，因为逆变器可以计算速度，根据输出频率和电流，精度高到足以满足许多应用。

每个驱动器都有自己的局域网接口来接收控制信号，并将驱动器和电机状态传回控制系统。

包装

小型独立驱动器称为封装驱动器有一个内置的转换器和逆变器，是专为机器很少的驱动器。然而，对于具有大量驱动器的系统，采用一种不同的方法，使用一个或多个大型变流器为所有逆变器供电。这种系统的机柜阵容如图1所示。在这里，12个逆变器由一个使用公共总线结构的转换器供电。这种安排节省了成本、空间，而且由于效率更高，还节省了能源。

每个逆变器安装在一个托盘中，可以从机架上取下。由于每个托盘只是一个没有转换器的逆变器，因此产生的系统平均故障间隔时间(MTBF)很高，并且由于托盘可以快速移除并替换为备件，因此系统平均修复时间(MTTR)很低。

用于web处理应用程序的协调驱动器

卷筒纸处理机器，如造纸机、涂布机、镀锌线、酸洗线等，使用大量的变速电机，有时超过200台。典型的造纸机速度是每分钟3000英尺。为了避免在机器速度变化时出现卷筒制动，所有电机的速度必须由一个主控制器协调。图4显示了纸机的前部，包括电机、驱动器、转速表和主控制器;为了简化说明，只显示了其中的一些电机。

在机器速度变化期间，所有电机的速度都以适合机器或过程的时间常数缓慢变化。每个电机都有自己的速比，所以它的速度可以设置;这组比率构成了正在运行的特定等级纸张的配方。主控制器中存储了许多不同等级纸张的配方。

如果两个或多个电机为同一机器部分供电，则一个电机是调速的，其他电机是转矩调节的，并有速度限制。为了平衡调速电机和转矩辅助电机，主控制器将电机转矩设定在适当的比例。在造纸机上，如果施加任何张力，湿纸就会拉开，因此张力无法测量，控制系统依靠高精度的调速来维持卷筒纸。

主控制器和驱动器之间的通信是通过局域网进行的，局域网可以是几种高速类型中的任何一种，包括Modbus、Profibus-DP和DeviceNet。驱动器具有实际电机速度，转矩和电机温度加上状态，故障和警报的数据，这些数据被传达给主控制器。机器操作员使用触摸屏和人机界面通过以太网局域网连接到系统，工厂控制系统也有自己的主控制器接口。

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保罗·布莱克洛克是营销经理，TMEIC GE，罗阿诺克，弗吉尼亚州美国，www.tmiecge.com。

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