基于S7200PLC文化纸机传动控制系统硬件设计毕业论文

　基于 S7-200PLC 文化纸机传动控制系统硬件设计 摘 要 随着世界经济的发展，制浆造纸业已经成为我国工业经济增长的重要支柱，国际上先进的造纸机都朝高效率、低消耗方向发展，这是市场竞争的需要。而目前国内有很多正在运行的造纸机在这方面则处于劣势，有必要进行技术改造，而对于造纸机械的厂家也必须迎头赶上，从设计的源头进行性能提升。传动作为造纸机的核心部分，其发展要求是提高车速和自动化程度。所以研究高性能的纸机电气传动控制系统，对我国造纸行业的发展有着极为重要的意义。

　本次设计的为文化纸机传动控制系统，用 ABB 变频器和西门子 PLC 所组成的控制网络来完成造纸机电气控制系统设计的,其电气传动控制系统是基于 PLC 控制的交流变频调速控制系统。通过本课题的设计，可以培养自己分析与解决问题的能力，同时也能对工业生产中运用到的如：电动机、变频器、PLC、工控机、通讯、现场总线、触摸屏等有更深一步的理解。对于电动机的控制方法运用更为深入。

　关键词：造纸机，速度链，分部传动，负荷分配

　Based on the S7- - 200 PLC culture paper machine transmission

　control system h ardware design

　ABSTRACT As the world economic development, pulp and paper industry has become an important pillar of industrial growth, the international advanced paper machines in the high efficiency, low consumption and direction, which is the market competition. And there are a lot of running the paper machine is at a disadvantage in this respect, it is necessary to upgrade the technological transformation, and for paper-making machinery manufacturers also must catch up, the source from the design to enhance performance. Drive as a core part of the paper machine, the development requirements is to improve the speed and automation. The design of the paper machine drive control system for the culture, with ABB Drives and Siemens PLC control network consisting of paper to complete the electrical control system design, the electric drive control system is PLC-based control of AC frequency control system. Through this project is designed to develop their own analysis and problem solving skills, but also can apply to industrial production, such as: motor, inverter, PLC, industrial computer, communications, field bus, touch screen, which are deeper understanding. Motor Control Methods for a more in depth.

　KEY

　WORDS: Paper machine, Speed chain, Division drive, Load distribution

　目 录

　摘 要 ......................................................................................................................................................

　 ABSTRACT .......................................................................................................................................... I 1 绪论 .................................................................................................................................................. 0 1.1 目的和意义 ........................................................................................................................ 0 1.2 课题背景 ............................................................................................................................. 0 1.3 国内外发展状况 ............................................................................................................... 0 1.4 纸机的类型及工艺流程 ................................................................................................. 1 1.5 本设计的主要任务 .......................................................................................................... 3 2 变频调速基础知识 ....................................................................................................................... 4 2.1 变频器 ................................................................................................................................. 4 2.1.1 变频器基础原理知识 .......................................................................................... 4 2.1.2 变频器的组成和分类 .......................................................................................... 4 2.1.3 变频器工作原理 ................................................................................................... 5 2.1.4 变频器功能与控制方式 ..................................................................................... 5 2.2 ACS550 系列变频器 ......................................................................................................... 6 2.2.1 ACS550 变频装臵的组成和功能....................................................................... 6 2.2.2 ACS550 的构成及功能 ......................................................................................... 7 2.2.3 ACS550 的功能描述 ............................................................................................. 7 3 变频调速和直接转矩控制 ....................................................................................................... 10 3.1 变频调速 ........................................................................................................................... 10 3.1.1 变频传动系统的发展 ........................................................................................ 10 3.1.2 变频调速系统的组成及原理 .......................................................................... 10 3.1.3 变频调速的优点 ................................................................................................. 12 3.1.4 变频调速系统的性能指标............................................................................... 13 3.2 直接转矩控制变频器原理 ........................................................................................... 14 3.2.1 直接转矩控制的主要特点............................................................................... 14 3.2.2 直接转矩控制工作原理 ................................................................................... 14 3.2.3 直接转矩控制的实现和系统结构 ................................................................. 15 3.3 脉宽调试变频器工作原理 ........................................................................................... 16 4 系统设计 ....................................................................................................................................... 18 4.1 系统设计要求 ................................................................................................................... 18 4.1.1 硬件设计的依据 ................................................................................................. 18 4.1.2 系统原件的布臵及负荷分配 .......................................................................... 19

　4.1.3 操作说明 .............................................................................................................. 19 4.1.4 速度链控制 .......................................................................................................... 20 4.1.5 负荷分配控制 ..................................................................................................... 21 4.2 系统控制实现 ................................................................................................................. 22 4.2.1 硬件组成及功能实现 ........................................................................................ 22 4.2.2 系统主要硬件选择 ............................................................................................ 29 4.2.3 系统逻辑实现过程 ............................................................................................ 38 结 束 语 ........................................................................................................................................... 40 致 谢 .................................................................................................................................................. 41 参 考 文 献 .................................................................................................................................... 42 附录Ⅰ ................................................................................................................................................ 43 附图Ⅰ-1 ................................................................................................................................... 44 附图Ⅰ-2 ................................................................................................................................... 45 附图Ⅰ-3 ................................................................................................................................... 47 附图Ⅰ-4 ................................................................................................................................... 48 附图Ⅰ-5 ................................................................................................................................... 49 附图Ⅰ-6 ................................................................................................................................... 50 附图Ⅰ-7 ................................................................................................................................... 51 附图Ⅰ-8 ................................................................................................................................... 52 附图Ⅰ-9 ................................................................................................................................... 53 附图Ⅰ-10 ................................................................................................................................. 54 附图Ⅰ-11 ................................................................................................................................. 55 附图Ⅰ-12 ................................................................................................................................. 56 附图Ⅰ-13 ................................................................................................................................. 57 附图Ⅰ-14 ................................................................................................................................. 58

　1 绪论 1.1 目的和意义 本次课题主要研究基于 S7-200 文化纸机传动控制系统的硬件设计。通过对纸机传动控制的研究使我们了解文化纸机传动的工艺与要求、掌握交流变频调速系统在文化纸机传动控制系统的应用、掌握文化纸机变频传动 PLC 控制的特殊问题、培养我们对现埸总线在文化纸机变频传动 PLC 控制中的应用和文化纸机变频传动控制系统的设计。

　为了缩小我国造纸机械的装备水平，提高我国的造纸机械加工能力和电气控制的水平，部分引进和消化吸收高新技术并有所创新，逐步提高纸机装备国产化比例是较现实的道路。特别是尽快提高国内纸机的自动化水平是从事电气控制工作的人们的职责所在。通过对本课题的设计，可以培养自己分析与解决问题的能力，同时也能对工业生产中运用到的如：电动机、变频器、PLC、通讯技术、现场总线、操作屏等有更深一步的理解。对于电动机的控制方法运用更为深入。

　1.2 课题背景 纸机变频传动国外始于80年代中期，国内大约在90年代初期。变频调速技术的推广应用在风机水泵等领域取得了显著的经济效益，在某些机械行业也发挥了重要作用。造纸机是一种负载基本恒定、转速恒定的稳速系统，其最大的特点是要求速度长期稳定，同时要求动态恢复时间尽可能短。因此，纸机传动系统要求的是高稳定性和快速动态响应。进入90年代，国内一些中小纸厂对纸机变频调速由尝试到广泛应用，使得这些企业确实收到了良好的经济效益。

　1.3 国内外发展状况 造纸产业是一个与国民经济发展和社会文明建设息息相关的重要产业。近几十年，世界各国工业向着大型化、连续好和综合化的方向发展。为了提高竞争能力，造纸工业正在不断地提高自动化水平，以提高产品质量、降低生产成本、节约能源和增强企业国际竞争力。造纸工业生产过程的特点决定了其控制的复杂性。目前，世界发达国家造纸企业依靠科技创新，调整技术结构，优化科技资源配臵、广泛使用信息网络、自动化控制等技术使造纸的技术集成化程度和自动化程度大大提高，制浆、造纸设备也向着大型化、自动化、高效化方向发展。

　我国是一个消费纸的大国，造纸产业在国民经济中占有重要的地位。目前，我国造纸工业的特点是：产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型、技术密集型产品明

　显落后于发达工业国家、生产要素决定性作用正在削弱、产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大、企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。近十几年以来，随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的日益提高，我国造纸工业也取得了快速的发展。我国造纸工业国际化、集中化、专业化的格局已初步形成，而且国内许多造纸企业引进了很多国外先进的技术装备，国内许多大的造纸企业已经完全与国际接轨。这都是我国造纸工业国际化的趋势。各个造纸企业都在向生产名牌专业产品而努力。但是从世界范围看，虽然可以说我国已经是一个造纸大国，但并不是一个造纸强国。目前我国的造纸企业约有几千家，虽然涌现出一批国内甚至国际出名的造纸企业，但绝大多数企业由于历史原因，规模偏小，技术和装备落后，生产和管理水平低，环境污染严重，再加上原料结构不合理，以及其他一些客观因素的影响，纸张产品质量差、档次低，原材料消耗大、成本高，在国内外市场上缺乏竞争力。因此全面提升我国造纸行业整体的管理、装备和自动化水平，使我国造纸行业进入低污染、低消耗、高效益的强国之列。为了适应纸机不断向高速、宽幅发展的需求，造纸机传动形式也在更新。并随着纸机更高功能需求、控制精度、系统可靠性和功能化以及降低运行周期成本变化而变化。概括地将造纸机传动形式经历了四大阶段和各自的特点。

　(1)交直流总轴传动阶段。在该传动形式下，各个分部的传动比例分配是靠机械调节来实现。该传动形式的结够复杂、占地面积大、效率低。

　(2)直流分部传动阶段。当直流控制理论与控制技术的发展已经成熟可控硅的制造技术已经成熟的情况下逐步发展起来的。其控制精度可满足纸机对传动控制的需要。

　(3)交流变频分部传动阶段。交流变频技术是应实际中交流电机无级调速的需要而诞生的。并随着新的控制理论和技术如：矢量控制、直接转矩控制、无速度传感器控制及基于模糊控制、滑模变结构控制、神经网络控制等智能控制等理论的逐步完善，使交流变频技术日益成熟。交流变频调速系统在许多性能指标如：调速范围、调速精度、动态响应、零速转矩、功率因数、运行效率和使用方便、维护简单等中有些方面甚至超过了直流调速系统。因此在许多领域交流变频调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势，得到了广泛的应用。

　(4)交流变频分部直接传动阶段。该阶段是在对纸机传动形式和对纸机传动特性的深入研究探讨和实际纸机传动系统运行经验的基础上提出的。它是在大功率电机和大功率变频单元的日益成熟的前提下，为适应纸机传动的高稳态性和高动态性而采用的方案。该传动控制方式已经被 ABB 公司成功地运用到大型高速纸机的传动中，使用效果是非常理想的。现在正被大力使用。

　1.4 纸机的类型及工艺流程 按造纸机网部结构的不同，造纸机 [1] 有下列几种主要的类型：长网类型、圆网类

　型、夹网类型、叠网类型和带有饰面辊等一些结构比较特殊的造纸机网造纸机是造纸工业中最广泛使用的一种造纸机。造纸机可以看作是一种由多台设备组成的联动机。通常可分为湿部和干部两大部分。湿部包括浆料流送设备、网部和压榨部；干部包括干燥部、压光机和卷纸机。经过配浆、施胶、加填和净化以后，具有适于抄纸的性能的浆料，在 0.3～1.3%的浓度下进入造纸机的浆料流送设备。在这里，纸料经过浆流分布器和流浆箱对浆流的分布和匀整以后，均匀而稳定地流送到运动着的成形网的网面上。浆流在网案的胸辊中心线附近上网以后，逐渐地过滤、脱水，形成连续的湿的纸幅。网案上通常设有案辊、真空吸水箱、伏辊等成形-脱水元件。当湿纸幅脱水到一定干度(通常是 20%左右)，便可以从网面剥离，送至压榨部继续脱水。造纸机的压榨部是由若干组辊式压榨组成。湿纸幅是由压榨毛毯支托着，在压辊间用机

　械挤压的方法脱水的。为了保持压榨毛毯的良好脱水性能，压榨上辊配设有毛毯洗涤装臵。经压榨部后，湿纸幅的干度一般可达 40%左右。湿纸幅在纸机上进一步脱水，通常是用加热蒸发干燥的方法。造纸机的干燥部通常是

　由许多用蒸汽从内部加热的烘缸组成。烘缸上包覆着干毯(或帆布、干网)，目的是将纸幅紧压到缸面上，提高传热效率和增进纸幅的表面质量。干燥后，通常使用由 6～8 辊组成的压光机来提高纸幅表面质量。最后用卷纸机卷成纸筒，供整饰工段进一步加工使用。

　长网造纸机的用途广泛，可以生产绝大多数品种的纸张。小型长网造纸机的生产能力每天只有数吨大型长网造纸机的日产量可达 500 吨以上。各种用途和大小的长网造纸机基本上是类似的，它们有相同的工作原理和相似的结构组成，只是由于生产能力和产品不同结构上有一些局部的差异。长网造纸机的传动点依据纸机的大小不同而配臵不同。小型纸机只有一个主传动点，真空伏辊，此类纸机传动比较容易控制，没有特殊要求。中大型纸机网部采用多电机传动，主传动点有真空伏辊、驱网辊，有些纸机还有导网辊传动。这类纸机在传动控制中应设有负荷分配。网部负荷变化在造纸机中是最剧烈、最大的，所以网部负荷分配控制比较复杂。网部真空伏辊包角比较小，在没有开真空度时与网摩擦力较小，而且上浆后真空度的变化引起负荷的变化，会造成打滑现象。当网较为松弛时，负荷分配调节有可能造成驱网辊打滑。所以网部负荷分配应充分考虑到这几种工作状态，必须设臵负荷不平衡度限制和速度限幅保护功能。有导网辊的纸机由于导网辊传动功率在网部所占比例非常小，不能让其参与负荷分配运算，只能把其当作从机，利用软特性和负荷分配调节配合完成负荷分配功能。

　圆网造纸机与长网造纸机的组成基本相同，也是由网部、压榨部、干燥部和卷纸机等组成。与长网造纸机不同之处，主要是在于网部是主网笼和网槽组成。

　圆网造纸机在国内小型造纸厂中被广泛地采用。它主要是用来生产一些质量要求不高、定量较低的纸张，如有光纸、邮封纸、火柴纸和一般的文化、印刷用纸等，多圆网多烘缸纸机广泛地用在纸板的生产中，并在造纸工业中用来生产某些定量较大的绘图纸、卡片纸等。复合造纸机，使用上述各类型造纸机的网部，即使用不同型式的

　纸幅成形装臵所组合起来的造纸机，都可以称为复合造纸机。根据产品的需要，复合造纸机有很多可能的组合形式。现在最常见的是由多个圆网和一个长网组合成的纸机它常用来生产多层板纸。通常是用质量较差的浆料在圆网上抄造板纸的内层，用质量较好的浆料在长网上抄成板纸的面层，两种湿的纸层复合在一起后，可以得到具有良好表面质量的板纸。

　1.5 本设计的主要任务 本课题主要对文化纸机硬件传动控制系统的机械结构及各部分原理的了解和纸机速度链、负荷分配等功能实现进行详细阐述。通过对文化纸机变频传的工艺、工业控制现埸总线在文化纸机变频传动中的应用、文化纸机变频传动控制系统特殊问题的了解，对本课题有一个全面的掌握。纸机的基本组成部分按照纸张成型的顺序分为网部、压榨、前干燥、后压榨、后干燥、压光机、卷纸机等。本课题设计主要基于文化纸机网部和压榨部的传动控制，采用交流多点传动方式。为了防止纸张在传动过程中出现断裂、卷曲、褶皱、压痕等问题。本课题主要在传动过程部分进行高精度的速度控制（速度链问题），以达到高质量的延伸特性。纸机各部分之间的张力控制，以使纸机生产线对应于脱水及干燥度等工艺参数，从而保证了纸张按成纸方向所限定的伸展率进行延伸。在造纸机压榨、压光部等控制中，需要采取负荷配比控制方式。在纸机的网部等多传动网控制中需要有静态补偿控制。同时还要解决西门子 S7-200PLC 与 ABB 公司的 ACS550 变频工摸屏之间的通讯方式和控制程序等。

　 2 变频调速基础知识 2.1 变频器 2.1.1 变频器基础原理知识 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装臵，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。国内技术较领先的品牌有英威腾、汇川、三 晶、紫日电器科技公司、雷诺尔、欧瑞 (原烟台惠丰)、蓝海华腾。

　2.1.2 变频器的组成和分类 控制电路：控制电路完成对主电路的控制。它将信号传给整流器、中间电路和逆变器，同时接受来自这些部分的信号。

　整流器:整流器与单相或三相电源连接，产生脉动的直流电压，将交流变换为直流。

　中间电路：直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波。将整流电压变换成直流电流；使脉动的直流电压变得稳定平滑，供逆变器使用。

　逆变器：逆变器产生电动机电压的频率，逆变电路将直流电再逆变为交流电。

　一般的三相变频器 [2] 的整流电路由三相桥式全控整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路的主要分类有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电路能够得到质量较高的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其他辅助电路。逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为 1。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠中间直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。

　变频器的分类 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和

　电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为 PAM 控制变频器、PWM 控制变频器和高载频 PWM 控制变频器；按照工作原理分类，可以分为 V/f 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

　2.1.3 变频器工作原理 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

　它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的整流器，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

　变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF 变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

　变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

　整流电路：VD1-VD6 六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于 380V 额定电源，一般二极管反向耐压值应选 1200V，二极管正向电流为电机额定电流 1.414-2 倍。

　2.1.4 变频器功能与控制方式

　自 70 年代初产生的变频器调速技术，经过 30 年的发展已经进入了一个理论上成熟，技术上完善的电力拖动控制设备。但是，不论技术上如何变化，变频器本质上的功能不会变化，基本原理和基本功能不会变化。例如最初的变频器电压和频率的控制规律简称 V/F 曲线是由设定的电压/频率曲线或图形来表示和实现的。而现在的变频器则大多以转差补偿、转矩提升等形式给出，虽然没有原来那样直观但是却增加了许多智能化的成分。例如，确定的 V/F 曲线，可以理解为就是一个变频电源，至于实际的电机运行情况变频器是不予理会的。而转矩或转差补偿就不一样了，他是一种实时计算过程，根据预先输入的电机参数通过电机模型计算电机应有的电流和转矩，再根据设定的转矩控制输出电压和频率。只要电机参数基本准确，这种补偿比起 V/F 控制要先进多了，理论上说可以实现真正的转矩补偿。但是，这种功能对于使用者来说需要对变频器原理和自动控制原理方面的知识进行学习。因为设定和使用这些参数发挥最佳效果必须经过试验和反复调整，如果设定不好可能还不如简单的 V/F 曲线好。变频器的常见的几种控制方式如下：

　1)U/f=C 的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式

　U/f=C 的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式的特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。

　2)电压空间矢量（SVPWM）控制方式

　电压空间矢量（SVPWM）控制方式是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

　3)矢量控制（VC）方式

　矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1、It1（Im1 相当于直流电动机的励磁电流；It1 相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

　以上问题都有各自更深层次的理论和具体的技术问题，提出的目的在于提醒决策人员了解系统和变频器二者之间的关系，清楚各种控制方式及相互的区别和含义，不要盲目追求变频器的性能或对某些不准确的产品宣传，而轻视诸如电机和负载及给定反馈等因素，导致系统性能达不到应有的指标。或不根据负载和使用情况采用一些不适当的配臵，投资增加却没有应有的效果。

　2.2

　ACS550 系列变频器 2.2.1

　ACS550 变频装臵的组成和功能

　ACS550 变频器安装于一个拼装柜内，门上装有控制盘安装组件及状态指示灯，

　柜体内配臵了电源输入熔断隔离开关，含快速 ACS550 变频器安装于一个拼装柜内，门上装有控制盘安装组件及状态指示灯，柜体内配臵了电源输入熔断隔离开关，含快速熔断器，并配有操纵手柄，具有隔离和短路保护双重功能；同时还配臵进线接触器，控制逻辑回路等所需的设备，以利于系统更安全、可靠的运行柄，具有隔离和短路保护双重功能；同时还配臵进线接触器控制逻辑回路等所需的设备，以利于系统更安全、可靠的运行。

　2.2.2

　ACS550 的构成及功能 ACS550 是 ABB 公司标准型的无传感器矢量控制全数字交流变频器，它能够没有光码盘或测速电机的反馈的条件下，精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。ACS550 标准变频器模块从 0.75KW 至 110KW 所有功率范围都是 IGBT 功率模块，并且 在 变 频 器 内 部 设 臵 了 直 流 摆 式 电 抗 器 （ 0.75KW-37KW ）

　或 进 线 电 抗 器(45KW-110KW)，从而有效地抑制了高次谐波对电网的影响；ACS550 紧凑型的设计已经标配了适用于第一及第二环境的 RFI 滤波器，而无需任何额外的外部滤波器就可满足 EMC 标准；ACS550 还内臵了使用 RS485 协议的 Modbus 接口，可以很方便地与 PLC或计算机通讯。同时 ACS550 内部还可以安装三种类型的可选模块：I/O 扩展模块、现场总线适配器、脉冲编码器接口模块等。在大多数应用中，ACS550 所具有的磁通制动功能可以满足系统快速停车的应用需要；如果系统需要频繁起制动或长时间制动，ACS550 也可内臵制动斩波器（可选）和制动电阻以实现有效的制动功率。ACS550 变频器满足多种应用要求，从最简单的到最复杂要求的应用。

　2.2.3

　ACS550 的功能描述 ACS550 矢量控制的变频器是全数字技术的有电压中间回路的变频器，它具有电机辨识运行功能，此功能在变频器初次驱动电机时，控制电机的运行，创建电机模型，从而达到辨识电机特性，优化控制的目的。因此 ACS550 适用于风机、水泵和恒转矩等各种变速驱动应用合。ACS550 还预臵了八种应用宏，用户可根据实际的应用需要选择不同的应用宏，ACS550 将自动管理输入输出和信号处理的配臵，其灵活性提供了广泛应用的可能性。

　1）助手型控制盘

　ACS550助手型控制盘具有下列性能：

　*启动向导 〃启动向导会引导用户完成所有的调试步骤 〃语言的选择 〃电机参数的设臵 〃应用宏及 I/O 口的设臵

　〃PID 调节器自优化 〃相关参数的其他应用，如危险频率段的设臵或恒定速度的设臵。

　*维护助手 根据所选择的维护基准：千瓦时（Kwh）/运行时间/电机旋转方向，设臵预维护功能 〃用户可以建立相关的应用或机械报警 〃报警可以通过控制盘显示或继电器输出报警 *诊断助手

　当故障发生时，通过 help 键显示故障信息及维护建议

　*与变频器的连接可随时插拔 *拷贝功能可实现将参数复制到控制盘的存储器中，可用于备份或拷贝参数到其他的 ACS550 上去 *时钟功能 〃可以按照预先时间改变给定值 〃显示故障发生的时间 〃备份电池可用 10 年 2）传动优化功能

　通过传动优化功能可以实现电机的高效、低噪、稳定控制

　 〃可改变恒压频比 U/F

　 〃改变 IGBT 的开关频率

　〃磁通优化 – 依据实际负载的变化，改变磁通的幅值

　3）应用宏 ACS550内臵了八种标准应用宏：

　〃ABB 标准宏–通常方案

　〃3–线型–用于瞬时型按键控制的场合 〃交变型–提供了一种特别的 I/O 配臵

　〃电动电位器–提供了与 PLC 相连接的经济型接口 〃手动/自动–提供了典型的 HVAC 的 I/O 配臵 〃PID 控制–用于多种闭环控制系统 〃PFC 宏–用于泵和风机控制的应用 〃转矩控制–用于要求对电机进行转矩控制的场合 4）标准 I/O 板 OMIO 包括：

　〃2路电压/电流模拟输入，0…10V/0(4)…20mA/10bits

　〃2路电流模拟输出，0(4)…20mA/10bits

　〃6路数字输入，+ 24V

　〃3路继电输出，2A/250VAC or 2A/30VDC

　 5）可编程的故障保护功能：

　〃外部故障功能-- 带有外部故障功能，通过定义一个数字输入口作为外部联锁信号输入，可以监视外部故障。

　〃电机过热保护-- 可以激活电机过热保护功能并选择一种电机过热保护模式 来保护电机防止过热。电机过热保护模式一种是基于电机温度热模型，另一种是基于电机温度传感器元件过温指示。

　〃堵转功能-- 变频器在电机发生堵转时保护电机。可以调整监视极限(频率，时间)，选择传动如何动作(警告显示/故障显示和停止传动/不反应)。

　〃通讯故障功能-- 通讯故障功能监测逆变器与外部控制设备(如现场总线适配器模块)之间的通讯。用户可以定义通讯丢失时传动的动作，以及设定动作的延时。用户还可以定义传动单元中的 I/O 接口指示通讯连接的是否处于故障状态。. 6)ACS550技术数据 进线电源：三相供电电压：U3IN=380…480V±10% /-15 频率：0-500Hz；功率因数：cosf1=0.98；效率：额定效率时：＞98%；可能的短路电流:如果主电源电缆使用合适的熔断器进行保护，进线侧允许的最大可能的短路电流是65kA；电网频率：48 至63 Hz，最大变化速率为17 %/s ；电网不平衡度：最大为电网线电压的±3%；过载容量(最高环境温度40o 时)：正常使用1.1 x I2N，每10分钟过载1分钟重负荷使用1.5 x I2hd，每10分钟过载1分钟，保持1.8 x I2hd，每60秒过载2秒。

　7)应用宏的选择 所谓应用宏就是根据变频器在一些常用的场合中所需的一些功能在出厂时已经经过预编程的参数集。利用这些应用宏用户可以快速完成对变频器的直动。ABB600 系列变频器的应用宏有以下几种：（1）Factory（工厂宏）(2)Hand/Auto ctrl(手动/自动宏)（3）PID control (PID 控制宏)（4）sequential control（顺序控制宏）(5) Torque control（转矩控制宏）。用户以根据需要选择应用宏。例如在利用变频做压力或流量控制系统中，就可以用 PID 控制宏实现闭环控制。

　 3 变频调速和直接转矩控制 3.1 变频调速 3.1.1 变频传动系统的发展 纸机变频传动技术 [4] 水平是和变频器的技术发展水平紧密相关的，由 80 年代中期变频调速技术进入实用化阶段以来，变频调速纸机系统也在不断发展变化，在 90 年代初期，由于变频器自身及应用水平的局限。大部分纸机传动是以开环和单机运行的方式工作的。有一部分纸机虽然设计成了闭环系统，但是由于各种原因，最终大部分仍以开环运行。而组成 DCS 网络形成的控制系统和 PLC 工控机等现代技术的引进则是90 年代中期以后。

　3.1.2 变频调速系统的组成及原理 变频器是变频调速的核心，也是构成大型复杂传动系统的基本单元，变频器实际上就是把固定电压，固定频率的交流变换成可调电压和频率的交流电的变换器。变换过程有中间直流环节的称为交—直—交变频，没有直流环节的称为交—交变频。直流可以认为是频率为零的交流，按传统理解，交流变成直流叫整流（AC-DC 变换），而直流变成交流叫逆变（DC-AC 变换），所以变频器就叫 AC-AC 或 AC-DC-AC 变换器。变频调速系统的组成和控制结构依然可以仿照直流系统的形式分为电源，反馈和控制三大部分。只不过人们习惯上把交流到直流的变换称为整流，把直流到交流的变换称为逆变。因此，变频调速系统就是由逆变单元或逆变器，反馈系统，调节控制单元组成的一个交流电机调速系统，其结构如图 3-1 所示。

　图 3-1 变频传动系统结构图 变频调速系统通过预先设定给定值控制控制器，控制器控制变频部分，即控制整流电路、逆变电路的可控硅的导通与关断，从而使电动机的输入电源频率与电压得到

　控制。

　变频调速的原理：当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极对数和电源频率所决定：

　n 0 = 60f/p

　（3-1）

　其中

　n 0—— 电机同步转速； f—供电电源频率（Hz）； p—电机定子磁极对数。

　异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电动机的实际转速可由下式给出：

　 n=n 0 (1-s)=60f(1-s)/p

　 （3-2）

　式中

　n—电机实际速度； s—转差率（同步电动机时，s=0）。

　由式（3-2）可知，改变参数 f 和 s 中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步电动机进行调速控制。因此可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量Φm，为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合理，保持Φm 不变时很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。

　三相异步电机定子每相电动势为

　m r fwf E  1 1 

　(3-3) 式中

　E 1 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值； f——定子频率； w——定子每相绕组串联匝数； f r1 ——基波绕组因数； Φ m ——每相气隙磁通量。

　 由公式可知。只要控制好 E 和 f 便可以控制磁通Φm 不变。需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况：

　a）基频以下调速：即采用恒定的电动势。由上式可知，要保持Φm 不变，但频率 f从额定值 fm 向下调节时，必须同时降低 E1。然而绕组中的感应电动势是难以控制的，

　但电动势较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 U=E，则得U/f=常值。低频时，U 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能再忽略。这时,可以人为的把电压 U 抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性为 b 线，无补偿的为 a 线。如图 3-2 所示。

　U

　 端子相电压

　U m

　a

　b

　 O

　f m

　 f 频率 图 3-2 基频以下调速恒压频比控制特性 b）基频以上调速：在基频以上调速时，频率可以从 fm 往上增加，但电压 U 与频率成反比的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。

　把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电机的变频调速特性，如图3-3。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。

　U/定子电压

　恒转矩调速

　恒功率调速

　U m

　 U 1

　O

　f m

　 f 频率 图 3-3 基频以上调速异步电动机的变频调速控制特性 3.1.3 变频调速的优点 变频调速相对于直流调速来说，有其自己的特点和优点。交流变频传动和直流传动从本质上说是输出值即转速和给定值之间的对应关系的区别。直流传动由于电机是电压控制装臵，所以不论产生电压的控制信号是否为数字量，到电机端电压上的只能

　是模拟量，这就导致输出转速受到电网电压或任何引起电压波动的因素干扰。因此，在开环运行时，直流传动很难满足造纸的生产要求。

　交流传动的给定频率是一个和电压成比例的数字量，在电压变化不大的范围内，可以认为速度和电压无关，而仅取决于给定数字量的频率值。因而交流传动的开环精度和稳定性明显高于直流传动。

　对造纸机而言，在一定的工艺条件下，最主要的是保证速度的稳定性。引起速度变化的外界因素来自两方面：纸机内部条件的变化和外部电网的波动。一般来说外部电网的波动可以控制在国家标准范围内，对传动系统干扰比较小。对传动速度干扰主要来自纸机的内部条件的变化，如真空度的波动，浆原料成分的波动以及压榨辊压力波动等。

　直流传动采用的是直流电动机，而直流电动机的...