造紙機變頻改造設計方案

造紙企業(yè)是高能耗企業(yè)每噸紙所耗電能在500 度以上，電能消耗十分嚴重。傳統(tǒng)的造紙機械的采用SCR 直流調速(大功率)和滑差電機(小功率)傳動， 在生產過程中經常由于機械磨損、傳動帶的打滑等因數造成速度匹配失調，形成斷紙、厚度不均等現象。為了降低能耗、優(yōu)化產品質量，提高勞動生產率、現代化的造紙設備多采用多電機分部傳動，即在每一個傳動分部安裝交流電動機并配制相應的特制變頻器、要求各分部能夠不僅實現同步控制，而且能夠在一定的范圍內調速。全數字化的控制系統(tǒng)使設備的自動化程度提高了一個檔次， 它特有的全程在線監(jiān)控系統(tǒng)讓用戶非常清晰的了解到設備的生產現狀。

二、 方案設計

1、造紙工藝

造紙機械的基本組成部分按照紙張形成的順序分為網部、壓榨、前干燥、后壓榨、后干燥、壓光機、卷紙機等。其工藝為流漿箱輸出的紙漿在網部脫水成型，在壓榨部進行壓縮使紙層均勻，經過前干燥進行干燥，接著進入后壓榨進行施膠，再進入后干燥器烘干處理，然后利用壓光機使紙張平滑，最后通過卷紙機形成母紙卷。

2、控制方案

造紙機傳動控制系統(tǒng)是一種轉速恒定、負載基本恒定的穩(wěn)速系統(tǒng)。從控制特性上可分為：速度控制、轉矩控制、負荷分配控制三種基本控制方式，其控制要求為速度長期穩(wěn)定，動態(tài)恢復時間盡可能短。根據紙機對象特性.控制方案可歸納為多分部同步速度控制鏈控制、負荷分配控制分部控制系統(tǒng)這兩種典型的結構形式。負荷分配控制分部方案通常應用于大型的造紙設備上，具有功率大線速高等優(yōu)點，但其控制系統(tǒng)成本高，不適合應用于中小型造紙機上。多分部同步速度控制是利用恒轉矩電機和矢量變頻來實現速度同步功能實現整機同步，同時利用變頻的矢量控制功能來修正設備分部因負荷變化而導致的速度變化。具有調速廣、成本低、性價比高等優(yōu)點，多用于中小型造紙機。下面我們具體介紹一下造紙機上使用的多分部同步速度傳動系統(tǒng)：

造紙機由紙漿到形成紙張，需經過多個分部，因此是一個多單元的速度協(xié)調系統(tǒng)。各個分部間的速度要求嚴格配合，根據工藝流程，一般有下表所示關系，只要其中一個分部速度不穩(wěn)，就會無法維持生產，紙幅不是斷裂，就是松垮下來。如果整臺紙機車速不穩(wěn)，就不能保證紙張的定量(每平方米紙頁的質量) 不變。因此要求紙機的各分部都能穩(wěn)速。且各分部之間滿足一定的速比關系; 此時應采用多分部同步速鏈控制系統(tǒng)。

一般造紙機各分部的速比關系

造紙機各分部的速比

各部名稱

以粘狀漿制成紙張(如電容紙、仿牛皮紙) 一般紙張(如書寫紙、印刷紙)

伏輥 89-91 94-95.5

第一壓榨 94-96 96-97

第二壓榨 97-98 97.5-98

第三壓榨 98.5-99 98.5-99

干燥部 100 100

壓光機 100.05-100.15 100.05-100.15

卷取機 100.10-100.30 100.10-100.30

1.多分部同步速度鏈控制原理

假設造紙機傳動系統(tǒng)有n 個分部，各分部速度分別為：N1、N2、...、Nn，相鄰

兩個分部速度比分別為K1、K2、...、Kn-1，那么可有如下關系式：

N2=K1 N1

N3=K2 N2=K2K1 N1

N4=K3 N3=K3K2K1 N1

...

Nn=Kn-1 Nn-1=Kn-1...K1 N1

上式中N1為第一傳動點的速度，也稱為全線速度。改變全線速度N1，其余各傳動點速度N2、...、Nn 都會隨之成比例改變，但改變速比K i(i=1、2、...、 n-1)，只有第i 個傳動點后面的傳動速度會改變，i 之前的各傳動點速度不會改變。

例如：調整速比K3，傳動速度N4、N5、...Nn 都會改變，但N1、N2、N3 不會改變

2.多分部同步速度鏈控制系統(tǒng)的實現

這種系統(tǒng)的特點是各傳動點之間只存在速比關系，無負荷分配控制。這種系統(tǒng)較為簡單，可以滿足多種紙機和變頻器相結合的需要，同步速度鏈可以是模擬式速度鏈、數字式速度鏈以及PLC程序式速度鏈，以下分別說明其原理。

1)模擬式速度鏈

這種速度鏈在直流傳動時代就已經被采用了，其原理如下圖所示。

其中N1是全線速度，只有第一傳動點能改變全線速度，其余各點只能微調，范圍大約在5%-10%之間。模擬速度鏈的優(yōu)點是簡單、靈活、成本低，缺點是抗干擾能力較差，當信號線較長時使用受到限制，存在可靠性差、功能不足等缺點。

2)PLC 程序式速度鏈

對于大型多傳動點的紙機能很好的解決模擬式速度鏈的可靠性差、功能不足等問題。該控制器采用進口的可編程序控制器(PLC)作為現場的控制中心，設備所有的輸入控制開關、保護接點及輸出點通過光電隔離進出PLC，有效屏蔽掉了現場的干擾信號，中央處理器運行的可靠運行得到保障。原來的電氣驅動部分采用直流調速。改造后將采用以PLC+工控機作中央控制器控制多變頻全數字化的控制系統(tǒng)(見圖1)。依據具體控制要求設計控制方案如下：

(1)PLC 對八臺特制變頻器均采用閉環(huán)矢量控制，從而增加變頻調速的控制精度及系統(tǒng)的啟動能力，實現在線無級調速(見圖2)。各電機之間相互關聯同步，驅動器具有同步加減速功能。