任朝暉

（中冶南方工程技術(shù)有限公司 電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)所， 湖北 武漢 430023）

0 引言

煉鋼廠因工藝要求或變頻器容量限制， 一個(gè)機(jī)械設(shè)備會(huì)有多個(gè)變頻傳動(dòng)電機(jī)共同配合工作， 為此需要采用合適的多電機(jī)傳動(dòng)同步控制策略來(lái)保證機(jī)械設(shè)備的各變頻傳動(dòng)電機(jī)運(yùn)行速度相同和轉(zhuǎn)矩平均分配。

1 多電機(jī)連接方式

煉鋼廠多電機(jī)傳動(dòng)同步控制策略取決于多電機(jī)間連接方式和工藝生產(chǎn)要求。 機(jī)械連接方式分剛性連接和柔性連接，剛性連接指電機(jī)間通過(guò)齒輪、萬(wàn)向節(jié)及傳動(dòng)輥等硬軸固定連接， 剛性連接的硬連接確保運(yùn)行時(shí)各電機(jī)速度一致。 剛性連接的多電機(jī)傳動(dòng)同步控制是控制各電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出一致。柔性連接指電機(jī)間通過(guò)皮帶、鋼帶及繩索等有延展性的材料相連接。 柔性連接的多電機(jī)傳動(dòng)同步控制是控制各電機(jī)的速度輸出一致。

2 多電機(jī)傳動(dòng)同步控制策略

研究近年實(shí)施的多個(gè)煉鋼工程項(xiàng)目， 煉鋼廠多電機(jī)傳動(dòng)同步控制策略歸納為以下四類(lèi)：

2.1 并行控制方式

（1） 一拖多控制?？刂圃硎且慌_(tái)變頻器采用V/F 控制方式驅(qū)動(dòng)多臺(tái)完全相同的電機(jī)同步運(yùn)行， 確保各電機(jī)接受頻率和電壓相同的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩基本輸出一致。

（2） 同等并行控制。 控制原理是變頻器采用VC 矢量控制方式或SLVC 無(wú)傳感器矢量控制方式一對(duì)一驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同時(shí)每臺(tái)變頻器內(nèi)開(kāi)通Droop 軟化功能來(lái)平衡各電機(jī)的機(jī)械特性來(lái)實(shí)現(xiàn)各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩基本輸出一致。

并行控制為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)， 受到外部擾動(dòng)時(shí)各電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)彼此抗衡抵消， 適合于同步要求和動(dòng)態(tài)響應(yīng)不高的多電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備，如煉鋼廠的鐵水罐車(chē)、鋼包車(chē)、連鑄移坯車(chē)及中間罐車(chē)等設(shè)備。

2.2 非耦合控制方式

（1）主從變頻器直接轉(zhuǎn)矩分配。 控制原理是設(shè)一臺(tái)變頻器為主變頻器采用速度控制模式， 其余變頻器為從變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制模式， 把主變頻器的速度控制器輸出值傳給從變頻器作為轉(zhuǎn)矩給定值來(lái)實(shí)現(xiàn)從變頻器的轉(zhuǎn)矩控制。 該控制方式實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較快，動(dòng)態(tài)平衡效果好。但當(dāng)機(jī)械連接出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，采用轉(zhuǎn)矩控制模式的從變頻電機(jī)速度不受控，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)飛車(chē)。為避免飛車(chē)當(dāng)從變頻電機(jī)硬軸連接斷裂時(shí)， 立刻將從變頻器切換成速度控制模式， 或主從變頻電機(jī)的速度差超過(guò)設(shè)定門(mén)檻值時(shí)系統(tǒng)緊急停車(chē)。 此控制方式多用于剛性連接的設(shè)備，煉鋼廠的脫硫雙電機(jī)攪拌裝置、脫硫鋼包車(chē)傾翻裝置、 混鐵爐傾翻裝置及RH 真空雙卷?xiàng)钐嵘b置等設(shè)備多用此種控制。 控制原理框圖見(jiàn)圖1 所示。

圖1 主從變頻器直接轉(zhuǎn)矩分配控制原理框圖Fig.1 Block diagram of direct torque distribution control principle of master-slave inverter

（2）主從變頻器速度模式+從變頻器轉(zhuǎn)矩限幅。 控制原理是主從變頻器都采用速度控制模式， 從變頻器在給定基礎(chǔ)上附加正負(fù)2%～5%左右的速度偏差（正負(fù)與運(yùn)行方向有關(guān)，附加速度大小由實(shí)際決定），同時(shí)把主變頻器的速度控制器輸出值取絕對(duì)值后傳到從變頻器作為轉(zhuǎn)矩限幅值。采用該控制方式啟動(dòng)系統(tǒng)后，附加的速度偏差會(huì)立刻使從變頻器速度環(huán)飽和， 從變頻電機(jī)速度受到鋼帶或皮帶連接的牽制緊隨主變頻電機(jī)速度， 從變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩受主變頻器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩限輻限制而緊隨主變頻器轉(zhuǎn)矩。當(dāng)機(jī)械連接出問(wèn)題時(shí)，主從變頻器工作在各自的速度控制模式下，不會(huì)發(fā)生飛車(chē)。系統(tǒng)啟停時(shí)主從變頻器的速度環(huán)都起作用，張力的增減比較平緩，可有效避免系統(tǒng)振蕩。此控制多用于柔性連接的設(shè)備，煉鋼廠的頭尾雙驅(qū)動(dòng)皮帶、活套電機(jī)及夾送輥裝置等設(shè)備多用此種控制?？刂圃砜驁D見(jiàn)圖2 所示。

圖2 主從變頻器速度模式+從變頻器轉(zhuǎn)矩限幅控制原理框圖Fig.2 Block diagram of speed mode of master-slave inverter +torque limiting control of slave converter

（3）主從變頻器共用積分分量。控制原理是主從變頻器都采用速度控制模式，主變頻器速度控制器設(shè)為PI 比例積分控制器， 從變頻器速度控制器設(shè)為P 純比例控制器， 把主變頻器速度控制器的I 積分分量傳給從變頻器作為附加轉(zhuǎn)矩給定值， 從變頻器取消速度控制器積分功能。 采用該控制方式， 在系統(tǒng)啟動(dòng)或停止還未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)速度給定與反饋差值較大，主從變頻器速度控制器比例起主要作用，使系統(tǒng)實(shí)際速度快速跟上給定速度。系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)狀態(tài)，速度給定和反饋基本一致，此時(shí)主變頻器速度控制器積分起作用， 從變頻器轉(zhuǎn)矩等于主變頻器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩分量， 從而保證從變頻器轉(zhuǎn)矩緊跟隨主變頻器轉(zhuǎn)矩，也就保證了主從變頻電機(jī)轉(zhuǎn)矩的一致性。該控制常用于剛性連接及柔性連接的設(shè)備， 比如煉鋼轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置和冷軋線S 輥裝置等。

2.3 耦合控制方式（非耦合控制方式+反饋動(dòng)態(tài)補(bǔ)償）

非耦合控制方式是從變頻器轉(zhuǎn)矩跟隨主變頻器轉(zhuǎn)矩或由主變頻器轉(zhuǎn)矩進(jìn)行限幅， 機(jī)械設(shè)備狀況良好情況下采用非耦合控制方式控制多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)可以獲得較好控制效果。但當(dāng)機(jī)械設(shè)備因電機(jī)連接軸同心度差，減速箱齒輪嚙合差，軸承潤(rùn)滑不佳等原因造成系統(tǒng)速度波動(dòng)時(shí)，缺乏從變頻器的運(yùn)行反饋信息會(huì)導(dǎo)致多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)速度振蕩或電機(jī)失同步。 特別是剛性連接的系統(tǒng)沒(méi)有抑制扭振的能力， 系統(tǒng)變頻電機(jī)間機(jī)械連接存在間隙和彈性，除正常的負(fù)載轉(zhuǎn)矩還存在軸扭曲轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)受到干擾會(huì)產(chǎn)生扭曲轉(zhuǎn)矩且來(lái)回傳遞。

耦合控制方式是在非耦合控制方式基礎(chǔ)上， 增加反饋動(dòng)態(tài)補(bǔ)償作為從變頻附加給定值。 反饋動(dòng)態(tài)補(bǔ)償值取自主從變頻器的速度差值， 主從變頻器的轉(zhuǎn)矩差值或變頻器給定轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩差值進(jìn)行PI 運(yùn)算，乘上軟化系數(shù)后作為附加給定疊加在從變頻器速度或轉(zhuǎn)矩設(shè)定值通道上。 耦合控制方式對(duì)剛性連接和柔性連接的設(shè)備均適用，耦合控制方式有以下幾種：

（1）主從變頻器直接轉(zhuǎn)矩分配，同時(shí)取主從變頻器實(shí)際速度的差值進(jìn)行PI 運(yùn)算，乘上軟化系數(shù)后作為附加轉(zhuǎn)矩給定值疊加在從變頻器的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值通道上。 傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，若從變頻器速度較高，主從變頻器實(shí)際速度的偏差為負(fù)值，負(fù)的附加轉(zhuǎn)矩疊加在從變頻器的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值通道上會(huì)讓從變頻器速度降下來(lái)。 若從變頻器速度較低，主從變頻器實(shí)際速度的偏差為正值，正的附加轉(zhuǎn)矩疊加在從變頻器的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值通道上會(huì)讓從變頻器速度上升。

（2）主從變頻器共用積分分量，同時(shí)取主從變頻器的實(shí)際轉(zhuǎn)矩差值進(jìn)行PI 運(yùn)算，乘上軟化系數(shù)后作為附加速度給定疊加在從變頻器的速度設(shè)定值通道上。 傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，若從變頻器轉(zhuǎn)矩較大，主從變頻器實(shí)際轉(zhuǎn)矩的偏差為負(fù)值， 負(fù)的附加轉(zhuǎn)矩疊加在從變頻器的速度設(shè)定值通道上會(huì)讓從變頻器轉(zhuǎn)矩減小。若從變頻器轉(zhuǎn)矩較小，主從變頻器實(shí)際轉(zhuǎn)矩的偏差為正值， 正的附加轉(zhuǎn)矩疊加在從變頻器的速度設(shè)定值通道上會(huì)讓從變頻器轉(zhuǎn)矩增大。控制原理框圖見(jiàn)圖3 所示。

圖3 主從變頻器共用積分分量耦合方式控制原理框圖Fig.3 Block diagram of the control principle of master and slave frequency converters using integrated component coupling mode

（3）各變頻器均采用速度控制模式，取各變頻器的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值算出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩總和， 按工藝要求以不同比例分配到各個(gè)變頻器。 將每臺(tái)變頻器的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值與設(shè)定轉(zhuǎn)矩值比較， 算出每臺(tái)變頻器的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值與設(shè)定轉(zhuǎn)矩值的差值。 將差值進(jìn)行PI 運(yùn)算乘上軟化系數(shù)后作為附加速度給定疊加到每臺(tái)變頻器的速度給定值通道上。 此控制常用于連鑄拉矯機(jī)設(shè)備。

（4）各變頻器均采用速度控制模式，取各變頻器的實(shí)際速度值算出系統(tǒng)平均速度值， 將每臺(tái)變頻電機(jī)的實(shí)際速度值與系統(tǒng)平均速度值比較， 算出每臺(tái)變頻電機(jī)的實(shí)際速度值與系統(tǒng)平均速度值的差值，將差值進(jìn)行PI 運(yùn)算乘上軟化系數(shù)之后作為附加速度給定疊加到每臺(tái)變頻器的速度給定值通道上。

2.4 PLC 實(shí)現(xiàn)速度控制器方式

控制原理是各變頻器均采用轉(zhuǎn)矩控制模式， 在PLC控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)共用的PI 速度控制器運(yùn)算，即PLC 為主裝置+變頻器為從裝置。 系統(tǒng)速度給定值由PLC控制器發(fā)出，速度反饋來(lái)自電機(jī)軸上的增量編碼器，系統(tǒng)速度給定和反饋的差值在PLC 內(nèi)經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器運(yùn)算后作為每臺(tái)變頻器的轉(zhuǎn)矩給定值。 各變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值相同，則輸出轉(zhuǎn)矩也會(huì)相同，就保證了各電機(jī)的出力一致即轉(zhuǎn)矩平衡，PLC 內(nèi)的速度閉環(huán)保證了系統(tǒng)速度的穩(wěn)定可控。

3 多電機(jī)傳動(dòng)同步控制策略硬件實(shí)現(xiàn)

變頻器間傳遞數(shù)據(jù)的方式由使用的設(shè)備類(lèi)型和工藝要求決定， 煉鋼廠多電機(jī)傳動(dòng)同步控制常使用以下幾種硬件配置方案。

3.1 通過(guò)I/O 端子板傳遞數(shù)據(jù)

利用變頻器的I/O 端子板傳遞同步數(shù)據(jù)， 采用抗干擾性比較強(qiáng)的雙絞屏蔽電纜傳送電流信號(hào)。 此方案簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)， 缺點(diǎn)是因端子數(shù)目有限只能用于電機(jī)不多的同步控制，主從變頻器切換不方便，傳遞數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和精度不高。

3.2 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳遞數(shù)據(jù)

變頻器通訊的現(xiàn)場(chǎng)總線由PLC 和變頻器品牌決定，煉鋼廠常用的現(xiàn)場(chǎng)總線有Profibus-DP、Profinet、 Control-Net 和Modbus-TCP 等。 變頻器間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳遞數(shù)據(jù)有兩種方式： 一種是變頻器通過(guò)PLC 控制器中轉(zhuǎn)通訊數(shù)據(jù)；一種是利用現(xiàn)場(chǎng)總線的“SLAVE TO SLAVE 功能”來(lái)進(jìn)行變頻器間的通訊。 總線Profinet 和Profibus-DP 都具有這種“SLAVE TO SLAVE 功能”，此方案實(shí)時(shí)性高低取決于所用現(xiàn)場(chǎng)總線的傳速速度。 使用現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)傳遞同步數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性及數(shù)據(jù)精度略高于用I/O 端子來(lái)傳遞數(shù)據(jù)，主從變頻器切換容易實(shí)現(xiàn)，此方案在煉鋼廠實(shí)際工程應(yīng)用中較多。

3.3 通過(guò)光纖通訊傳遞數(shù)據(jù)

西門(mén)子變頻器插入CBE20 通訊板可實(shí)現(xiàn)變頻器間Sinamics Link 光纖通訊，ABB 變頻器插入RDCO 光纖通訊適配器也可實(shí)現(xiàn)光纖通訊。 PLC 控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送啟停命令及設(shè)定值等數(shù)據(jù)給主變頻器， 主變頻器通過(guò)光纖通訊把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)給從變頻器， 主從變頻器把狀態(tài)反饋等數(shù)據(jù)再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳送至PLC 控制器。 通過(guò)光纖通訊傳遞數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性及數(shù)據(jù)精度高于用I/O 端子和用現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)傳遞的方式， 主從變頻器切換比用I/O 端子簡(jiǎn)單， 但不如用現(xiàn)場(chǎng)總線在PLC 內(nèi)切換主從變頻器的方式方便。

3.4 通過(guò)共用的變頻器控制單元傳遞數(shù)據(jù)

此方式只適用西門(mén)子變頻器，PLC 與CU320 控制單元用現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，PLC 向CU320 發(fā)送控制字和速度給定值等，CU320 通過(guò)內(nèi)部的“BICO 功能（自由功能塊）”把相關(guān)數(shù)據(jù)傳給各個(gè)變頻器。 此方案的性價(jià)比較高，通常離線備用1 臺(tái)CU320，更換時(shí)確保網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際工程中， 煉鋼廠多電機(jī)傳動(dòng)同步控制策略及硬件實(shí)現(xiàn)方案不盡相同，具體需要根據(jù)機(jī)械連接方式、使用設(shè)備類(lèi)型和工藝生產(chǎn)要求等來(lái)決定。 本文總結(jié)的四種多電機(jī)傳動(dòng)同步控制策略已在多項(xiàng)近年實(shí)施的煉鋼廠工程項(xiàng)目中使用，取得了良好效果。