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 引言

為了將高濃漿料進(jìn)行直接打漿，并增強最終產(chǎn)品的抗張物理強度以及降低動(dòng)力消耗，在造紙的打漿工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，應用高濃磨漿機、永磁同步電機聯(lián)合驅動(dòng)技術(shù)。高濃磨漿機打漿濃度可達10%-30%，相比于低濃磨漿有50%的動(dòng)力節省。該技術(shù)大多采用永磁同步電機驅動(dòng)高濃磨漿機，電機頻率為固定50Hz不可調^[1]。

永磁同步電機相比異步電機不需要傳統的變速裝置，所以永磁同步電機體積很小重量很輕。在電機功率方面，永磁同步電機功率大具有高功率密度。同時(shí)，永磁同步電機的轉動(dòng)慣量要比一般的異步電機小并且動(dòng)態(tài)響應要高于異步電機，而且永磁同步電機可以直接驅動(dòng)高速負載，這樣避免了由變速裝置帶來(lái)的各種損耗和噪聲。

永磁同步電機不需外界能量即可維持其轉子磁場(chǎng)，但永磁同步電機運行時(shí)，定子磁場(chǎng)矢量與轉子磁極位置之間的夾角δ（功率角）必須在0～90°范圍內變動(dòng)，否則將導致失步。這也造成永磁同步電機從外部調節、控制其磁場(chǎng)極為困難。因此永磁同步電機一般采用轉子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)變頻啟動(dòng)，通過(guò)改變定子旋轉磁場(chǎng)進(jìn)行轉速，利用定轉子磁場(chǎng)同步啟動(dòng)永磁同步電機。圖1為某造紙現場(chǎng)中永磁同步電機變頻器系統驅動(dòng)磨漿機.

圖1永磁同步電機變頻器系統驅動(dòng)磨漿機.

2  永磁同步電機變頻器控制系統

2.1  永磁同步電機變頻器系統結構

圖2永磁同步電機變頻器系統結構

永磁同步電機變頻器系統結構如圖2所示.將系統電網(wǎng)電壓輸入連接到永磁同步電機變頻器的移相變壓器上，移相變壓器將電網(wǎng)輸入電壓轉換為獨立的三相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構，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(wú)污染，為真正的完美無(wú)諧波；第三是給每個(gè)功率單元提供獨立的電源，可以使單元進(jìn)行級聯(lián)。永磁同步電機變頻器有完善的控制系統，其主控系統采用高速DSP為控制核心，控制算法完全數字化，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(guò)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(guò)相應單元的保護動(dòng)作通過(guò)上行通訊光纖上傳給主控系統。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)穩壓技術(shù)，單元輸入母線(xiàn)電壓高時(shí)，輸出調制波相應減小，單元輸入母線(xiàn)電壓低時(shí)，輸出調制波相應增加，這種技術(shù)可以解決由于負載不平衡導致母線(xiàn)電壓不一致，從而出現輸出電壓不平衡的問(wèn)題。

2.2永磁同步電機變頻器矢量控制

同步電機采用改進(jìn)的空間矢量磁場(chǎng)定向控制策略，控制系統采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)結構，電流環(huán)采用PI調節器，實(shí)現簡(jiǎn)單，并能獲得較好的電流跟蹤性能。速度環(huán)采用PI調節器，能有效地限制動(dòng)態(tài)響應的超調量，加快響應速度。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調節后輸出轉矩電流給定i^*_qs，i*_ds勵磁電流給定是根據系統的動(dòng)態(tài)需要進(jìn)行調整其值根據不同的電機和負載得出的經(jīng)驗值，電機三相電流反饋iu、iv、iw經(jīng)傳感器采樣，然后再根據轉子位置電氣角度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調節后輸出Vqs、Vds, 電壓矢量利用轉子位置電氣角度θ經(jīng)過(guò)Park逆變換和Clarke逆變換輸出電機定子三相電壓Uu、Uv、Uw值，三相電壓Uu、Uv、Uw值作為PWM（脈寬調制）的比較值比較輸出PWM波形到逆變器，然后驅動(dòng)電機旋轉^[2]。無(wú)感矢量控制原理如圖3所示。

圖3 無(wú)感矢量控制原理圖

永磁同步電機變頻器可在在靜止狀態(tài)下可辨識出定子電阻Rs、直軸電感Ld以及交軸電感Lq?？捎蓜?dòng)態(tài)辨識，或是由電機銘牌獲取電機額定反電勢。無(wú)感矢量控制的關(guān)鍵是通過(guò)電機定子側的電壓和電流估算出轉子位置和速度。

一個(gè)模型參考自適應系統如圖4所示，應包含著(zhù)兩種模型，分別為參考模型和可調模型，這兩個(gè)模型有著(zhù)相同物理意義的輸出量，不同的是參考模型不含待估參數，而可調模型含有對應的待估參數。其基本思想為：參考模型與可調模型的輸出和狀態(tài)性能指標通過(guò)反饋比較器得到誤差方程，構造合適的自適應律，使得可調模型的控制對象能夠跟隨參考模型的動(dòng)態(tài)響應，從而實(shí)現自適應實(shí)時(shí)調節。通過(guò)模型參考自適應估計器估算出轉子位置和速度。

圖4 模型參考自適應框圖

2.3  無(wú)擾切換

無(wú)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)現負載、電網(wǎng)無(wú)擾切換。在切換過(guò)程中高壓永磁同步電動(dòng)機可以一直保持負載運行不會(huì )出現負載擾動(dòng)，切換過(guò)程中無(wú)沖擊電流，實(shí)現系統切換的“零擾動(dòng)”。

永磁同步電機變頻器無(wú)擾切換整機邏輯換如下圖5所示。首先，變頻器會(huì )自動(dòng)斷開(kāi)交流接觸器KM0,并將頻率上升至50Hz。然后，變頻器根據輸入電壓檢測板上傳的頻率和幅值，自動(dòng)將運行頻率和幅值調整到與電網(wǎng)頻率和幅值一致。接著(zhù)，變頻器自動(dòng)調整相位，直到運行相位與電網(wǎng)相位相差2度以?xún)?。此時(shí)變頻器運行電流不變，并將“同步調整完成信號”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(kāi)交流接觸器KM3，最后斷開(kāi)交流接觸器KM1，變頻器停機。工頻運行電動(dòng)機。

圖5  永磁同步電機變頻器無(wú)擾切整機邏輯

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

3  結束語(yǔ)

永磁同步電機變頻器驅動(dòng)磨漿機、永磁同步電機系統已經(jīng)得到越來(lái)越多的應用，在造紙業(yè)等現場(chǎng)得到很好的應用驗證，相信此技術(shù)在增強最終產(chǎn)品的抗張物理強度以及降低動(dòng)力消耗等方面必然有更大的提升。