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本文在对造纸机机械发展趋势、造纸机的电气传动控制系统现状及发展、纸机传动工艺和AC-DC变换原理等介绍的基础上,提出了不同层次的造纸机对电气传动控制系统的要求方案并加以讨论,在此基础上,主要就目前宏观调控下我国的新建以及扩建的造纸生产线均以大中型造纸机为主的特点,着重研究并设计了一套高速造纸机的电气传动控制系统。在设计中,经过方案比对以及目前和未来造纸机传动系统的发展趋势,以正在工程实施中的广东金盛纸业集团的3900/500纸机为研究设计对象,提出了基于公共直流母线的中高速纸机传动控制系统设计方案。本系统设计是集软硬件设计为一身的完整系统设计,更偏重硬件设计——特别是公共整流单元的设计。
在公共直流母线系统设计实现时,首先简要介绍了公共直流母线的定义及特点,接下来着重就系统的设计实现作了详细的分析说明:传动系统由独立整流单元集中供电,多台变频器替代逆变器驱动交流电机单独运行。系统采用Profibus-DP总线,每台传动装置均配有一块Profibus-DP适配器模块—RPBA-01;PLC作为控制核心,由PLC对操作台上每一个传动点的操作进行处理,并把由脉冲编码器测得的相应速度信号以总线通信方式传送给逆变单元。公共直流母线由于采用了集中整流技术,它将在传统交流系统基础上再节能8-15%左右;直流电压比单台变频器的母线电压更加稳定,使逆变器系统的抗干扰性能提高,提高了系统功率因数;省去了大量的制动单元、制动电阻等外围设备,结构紧凑,从而提高了整体设备的可靠性,节省了占地面积和设备维护量;采用公共直流母线,能够避免因某一分部变频母线电压过高,而发生变频跳闸、停机的现象,这在调试、生产中将大大减少试机和停机时间。系统设计实现主要包括硬件中供电单元的选择与设计(核心部分)、公共制动单元的选择、公共直流母线中间电容器容量的选择、中央控制单元PLC的选择、驱动单元逆变器的选择、人机交互单元操作屏(触摸屏)的选择、上位机的选择、协议和总线的选择、反馈单元的选择、传动单元熔断器的选择、传动控制单元NDCU的选择、输出滤波器的选择、配套电气元件的选择、三相变频电机的选择设计。软件设计包括对纸机多传动控制系统的速度链、负荷分配、张力控制等功能实现进行详细阐述,最后给出了系统现场运行参数和运行效果。
在系统设计完成后,为使公共直流母线系统在实际运行中获得更好的运行效果,就异步电动机的多变量数学模型、基于动态模型保持定子磁链恒定的直接转矩控制基本原理、ABB驱动装置ACS800(变频器与逆变器)的系统性能指标、纸和纸板的性能指标等与纸机电气传动控制系统性能相关的指标作了分析,在此基础上依据纸机电气传动控制系统的特点、研究了纸机电控系统的可靠性、并对系统的可靠性设计做了分析设计。
总之,通过对基于公共直流母线系统造纸机的供电单元、逆变单元以及安全操作等问题的研究,为国内自主知识产权的纸机电气传动控制系统设计与开发提供理论和原创性的技术依据,使之达到技术含量高、整体控制精度高、运行稳定和投资成本低的目的。为我国国产中高速造纸机配套国产高速高精度的多传动系统提供了较好的设计蓝本和参考应用案例。