采用主從控制使變頻器得到理想同步控制效果解析方案

1 引言

近年來，隨著我國自動化技術的迅速發展，工業自動化取得了長足的進步。變頻器由于性能穩定、節能環保、性價比高，在工業各個領域得到了廣泛的應用。其中，冶金、造紙等行業對電氣控制系統的轉速和轉矩的動靜態指標有著較高的要求，在轉爐或紙機的電氣控制上要求各部分驅動電機轉矩或轉速嚴格同步，否則，無法維持正常生產，產品質量難以保證。然而，在實際生產中，有許多因素都會干擾電機的同步控制，例如電網電壓的波動、頻率的變化、負載的突變、溫度的改變等。因此，為了得到理想的同步控制效果，采用主從控制是比較好的解決方案之一。

2 同步運行方案的選擇

工業中同一臺設備或者同一條生產線的各個運動部分通常采用一臺大功率電機或多臺相對功率較小的電機分別拖動的方式，而這些不同的運動部分彼此間在運動速度、轉矩等參數方面常常有配合協調關系，這就要求在各電動機的調速控制之間建立某種關系，這就是所謂的同步運行問題。

同步運行是變頻調速在工業應用中比較復雜和要求很高的領域。正確選擇同步控制方案，是在同步運行領域正確設計變頻調速系統的關鍵因素。通常，同步運行主要可以采用以下三種方式實現。

2.1 單臺大功率電機

對于大功率負載，一般選用一臺大功率電機及相應功率的變頻器組成其傳動系統。相對于多電機電氣傳動系統，單臺大功率電機傳動系統由于只有一個傳動速度，同步性能最優。然而，也正是由于該系統的唯一性，任何一個設備發生故障都將導致整個系統的停機，系統冗余性差，而且由于電機、變頻器等電氣設備的功率較大，維護困難，恢復時間較長。

2.2 群拖

用一臺變頻器帶動多臺電動機同步運行的方式，稱為群拖。這時變頻器的輸出側就成了供電母線，各電動機接受同頻率同幅值的電壓。在電動機規格相同時，彼此間總是運行在理想空載轉速相同、斜率也大致相同的機械特性上，當負載大致一致時，實際轉速也大致相同。

由于矢量控制和直接轉矩控制都不能用于群拖方式，因此，群拖方式只能采用恒壓頻比控制方式。由于恒壓頻比控制方式的穩態和動態調速性能都不高，且低速時帶載能力差，起動轉矩低，一般應用于調速性能要求不高的場合。另外，群拖方式下，各電動機只是理想空載轉速一致，而實際轉速由機械特性曲線和負載力矩決定，因此，群拖方式下的各個電機轉速并不能保證完全一致，同步性不高，故群拖方式只能用于同步運行要求不高的場合。

2.3 主從控制

2.3.1 主從控制連接方式

主從控制是為多電機傳動系統設計，每臺電機分別由單獨的變頻器控制，因此，主從控制可以采用具有轉矩控制能力的矢量控制和直接轉矩控制方法。利用這個高性能的控制算法，可在同步運行的機構之間建立合理的負載分配關系，充分發揮各電動機的轉矩輸出能力。主從控制連接方式一般有以下兩種：

(1)主機和從機的電機軸通過齒輪、鏈條等進行剛性連接，如圖1(a)所示。從機采用轉矩控制模式，以使傳動單元之間平均分配負載轉矩，此時是由機械結構保證轉速同步，由于每臺電機分別由單獨的變頻器控制，保證了各電動機承擔的負載分配合理，防止出現分配轉矩嚴重不平衡，甚至彼此頂牛現象的發生。

(2)當主機和從機的電機軸采用柔性連接時，如圖1(b)所示。從機應該采用速度控制方式，在這種情況下，機械結構已經不能保證同步運行的要求，由變頻器組成的傳動系統除了采用速度控制方式解決轉速同步問題，同時還要利用轉矩下垂特性實現負載轉矩在各個電機上的平均分配。

圖2示出了轉矩下垂功能原理：用參數規定額定負載轉矩下的轉速差，而系統根據實際轉矩和給定轉速決定實際的速度給定值，如式(1)所示。這樣，系統根據轉矩情況自動調整給定轉速，具備了速度適應能力。因此，轉矩下垂特性允許主機和從機之間存在微小的速度差。

式中，n為實際給定轉速，n0為給定轉速，δn為轉速差，t為實際轉矩，t0為額定轉矩。