淺談紙機變頻技術的設計和應用
摘 要：本文探討了變頻調速及其控制技術在紙機生產線的上漿系統、分部傳動、卷取系統和輔助設施的廣泛應用，并詳細闡述了具體的控制要求和實現的控制策略。
1 引言
造紙機是由一系列配套設備組成的聯合機，分濕部和干部兩大部分。濕部包括上漿流送系統、網部和壓榨等部分，干部包括烘干、壓光和卷取等部分。其生產流程一般是：漿料通過上漿流送系統傳送到紙機生產流水線的前端流漿箱，然后漿流由此依次通過網部、壓榨、前烘缸、后壓榨、后烘缸、壓光機和卷紙機等在內的分部設備，成為原紙；原紙又可以另外進入機外涂布和復卷機產出成品紙。
造紙是一個連續生產的過程，因此生產線的連續和有序控制成為了制約成品紙質量和產量的瓶頸。變頻調速作為90年代中期后最強有力的控制方式進入了原本屬于直流調速（適用于大中紙機）和滑差電機（適用于中小紙機）天下的造紙領域，并已經取得良好的市場效果。
交流變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電以及在國民經濟領域的廣泛適用性，而被公認為是一種最有前途的交流調速方式。直流調速系統在紙機的發展史上占有重要的地位，但由于直流電機存在維護難、抗環境能力差等原因，到了90年代已嚴重制約了造紙整機的性能價格比。而變頻調速技術能最大程度上發揮了交流電機本身固有的優點（結構簡單、堅固耐用、經濟可靠、動態響應好等），再加上變頻調速理論業已形成一門相對獨立的學科，變頻調速技術全面應用于紙機生產線的時代已經到來了。本文就變頻調速及其控制技術在紙機生產線上的應用做進一步的闡述。
2 造紙機上漿系統的變頻調速控制
造紙機上漿系統負責將紙漿通過漿泵、沖漿泵、多級篩等設備輸送到紙機網部流漿箱的過程，其中漿泵和沖漿泵為最重要的設備，因為它們關系到成形紙的質量，尤其是克重，因此必須采用變頻控制才能達到紙機的設計要求。實踐證明，安裝變頻裝置能適應不同車速、不同品種的用量變化，使漿泵組的運行始終處于高效狀態。另外，采用變頻控制時，電動機和漿泵的轉速下降，軸承等機械部件磨損降低，泵端密封系統不易損壞，機泵的故障率大為降低，維修工作量也隨之減少。
上漿工藝必須符合以下要求：（1）向造紙機的網部輸送的漿料量一定要穩定，誤差不超過±５％；（2）漿料的配比和濃度要穩定、均勻；（3）對漿料進行凈化精選等。因此對漿泵和沖漿泵的速度控制是保證第（1）、（2）項實現的重中之重。
下面以沖漿泵為例來說明速度控制的流程：該變頻控制采用雙閉環系統的速度控制方式，外環是速度閉環（V-控制），內環是電流或轉矩閉環（I-控制）。沖漿泵速度的設定值一方面是由漿速和網速比變化而獲得的V設定，另一方面是來自于流漿箱的壓力控制器（P－控制）。前者是主調，后者是微調。紙機的漿速和網速比基本上是恒定的，因此紙機的網速一變化，V設定也隨著變化，沖漿泵的轉速也跟隨變化；為了提高速度調節器的精確性和反映流漿箱的實際工藝過程，通常還需取流漿箱的壓力PID控制輸出值的±５％的變化來作為沖漿泵附加的速度設定值。速度的實際值（V實際）取自傳動電機的實際速度采樣，可通過旋轉測速電機或光電旋轉編碼器等檢測裝置獲取。電流的設定值（M設定）取自速度環的輸出信號，電流的實際值（M實際）取自各個傳動點的交流變頻器輸出端電流互感器的測量值。
因此對于沖漿泵的變頻調速而言，需要對其進行PID控制，需正確選擇速度反饋方式和PID的各類參數。加速時間0～100％的設定值一般為60秒，而減速時間大約為30秒。變頻器的設定輸入值需具有二至多端的輸入，并能進行基本運算。反饋信號需具有接收模擬信號或脈沖信號的端口。了解這一點，對選擇變頻器的型號非常重要。
3 造紙機分部傳動的變頻控制
我國造紙機分部傳動設備，以前采用SCR直流調速方式，由于存在滑環和炭刷，造成可靠性和精度不高，從而導致紙機的機械落后，車速也只有200m/min左右，很難同國外的1000m/min的高速紙機相比。由此看來，造紙機分部傳動機械的變頻化已是大勢所趨。
分部傳動涉及到紙機的網部、壓榨部、前烘缸、后壓榨、后烘缸、壓光機等眾多的傳動點，由于紙張具有細薄、脆弱的缺點，因此為了防止紙張出現斷裂、卷曲、褶皺、壓痕，必須對各傳動點進行高精度的速度控制，并保證紙張按成紙方向所限定的伸展率進行延展。也就是說，從上漿到上卷的整個過程，要保持紙幅一定的速度級聯，這樣才有拉力。正是基于分部傳動的變頻控制強調的是各傳動點的在線無級調速和同步跟隨性能，因此用在分部傳動的變頻器必須具有以下特性：（1）調速范圍寬，在全速度范圍內，效率必須在90%以上;（2）功率因數高于0.9以上; （3） 輸入諧波電流總失真小于3%; （4）采用可靠性高、技術成熟的標準器件IGBT; （5）能減少輸出諧波分量并有效降低dv/dt噪音和轉矩脈動的效果; （6）利用通訊功能實現數據的高速串行傳輸。
分部傳動的控制原理是保持速度級聯和高速傳輸，前者利用上位機（PLC或工控機）來進行速度級聯的計算，后者是通過變頻器本身的高速串行通訊能力來實現的。這樣一來，整個系統配線簡單、自動化程度高、信息量豐富且接口兼容，便于實現FA和管控一體化。
速度級聯的結果是將紙機分部傳動的主傳動點形成了一串速度鏈，只要其中的一個點速度進行調整，其后的每一個傳動點也隨之快速調整。在實際的紙機控制中，往往還要根據特定的位置再增加特定的傳動控制方式，尤其重要的當屬負荷配比控制。
所謂負荷配比控制，是指在兩個嚙合輥中，為保持接觸的緊密性和合理性，需要對兩個輥子進行負荷分配，以達到最佳效果。在造紙機壓榨部、壓光機等嚙合輥控制中，根據工藝需要，紙幅斷裂時，嚙合的兩輥子處于脫開位置，紙幅通過時兩輥子處于合上位置。其中在嚙合輥合上中，為保持兩輥子在機械上的緊密接觸，達到嚙合的要求，需采取負荷配比控制方式。
嚙合輥的主傳動仍采用速度級聯控制方式，從傳動采用負荷配比控制方式。在該負荷配比控制中，速度閉環的設定值在主傳動設定值(V設定)的基礎上，再增加5％的速度，這樣的話，其速度環的輸出值即電流環的設定輸入值(M設定)就會增加，然后主傳動速度環的輸出值乘上負荷配比百分值去限定從傳動電流環的設定輸入值(M設定)，也就會緊緊跟上主傳動，使得該兩輥的嚙合程度更加緊密、貼合。
4 卷紙機、復卷機和機外涂布機等收放卷系統的張力控制
紙張有二種成型方式即平板紙和卷筒紙，由于高速印刷機的大量出現，對于卷筒紙的需求量與日俱增。而且卷筒紙相對于平板紙來說，更能提高紙機的車速。然而紙機對于卷筒紙的處理則是一個相對復雜的過程，尤其是在中心卷取的過程中，隨著卷徑的不斷增加，卷筒輥的速度必須不斷減少，同時又要保證紙幅的張力相對平穩。因此，對于收放卷系統而言，進行張力控制是核心技術，也是變頻調速的難點。
對如此復雜的張力控制系統，變頻技術必須能克服以下4個技術問題：（1）將復雜的交流異步電機的數學模型簡單化；（2）考慮到張力反饋信號的延后和超調；（3）將卷繞張力控制過程的動態參數描述成時變函數；（4）保證張力閉環的抗波動能力高和即時調節性好。
目前，在卷取中最常用的是以下2種控制方式：（1）速度控制卷?。⊿PW），用PID通過測力傳感器的張力反饋，或調節輥的位置反饋，來修正速度給定；（2）電流控制卷?。–PW），用PID調節張力給定，可適用于中心卷取的方式，這一類型的控制一般是開環的。
具有張力控制的變頻控制系統，一般由直徑、補償、轉矩和速度計算等模塊組成.
5 造紙機輔助部分的變頻控制
造紙機的輔助部分通常包括白水系統、真空系統、壓縮空氣系統、冷凍水系統、化學品加藥系統、損紙回收系統、通風系統等。在實際設計紙機中，為了使紙機能連續均衡地運轉，它的輔助部分，一般都超過造紙機最大生產能力的15％～35％。因此，采用變頻調速及其控制技術能有效地降低實際運轉中輔助能耗，比如原先采用調節閥門開度來控制的風機和水泵、定速運轉的皮帶傳輸機等。以下就典型的幾個方面來闡述變頻控制的廣泛用途。
5.1 冷凍水變頻調速
在造紙的輔助設備中，涂布和施膠經常要到用冷凍水來處理涂料，以保持涂料化學特性的穩定，現在經常采用的方法為冷凍水泵變頻調速系統。它的控制原理是利用溫度或溫差控制，因為從嚴格意義上說，冷凍主機的回水溫度和出水溫度之差表明了冷凍水從涂料槽帶走的熱量，所以溫差可作為控制依據。同時由于冷凍主機的出水溫度一般較為穩定，故實際上在設計中只需根據回水溫度進行控制即可。
冷凍水系統選用的變頻調速應該可設計為PID控制，因為大部分的變頻器都具有PID功能，因此控制回路就非常簡潔，以回水溫度作為反饋信號，而目標溫度則可以通過變頻器的面板設定或是上位機輸出模擬量信號設定。
5.2 損紙皮帶機變頻調速
損紙皮帶機是負責將干部的斷紙或處理紙運送到干損系統，因為皮帶的速度通常都按紙機的最大車速設計的，通常紙機運行的速度在最大車速的50％～80％之間，皮帶定速運行必將浪費相當大的能量，而且還產生太大的噪音，此時采用變頻調速，使皮帶機的速度跟隨紙機的車速，而且使皮帶機的起動頻率為20～30HZ，這樣既能使皮帶機能快速反應避免堵紙，又能降低能耗。
6 結束語
隨著變頻技術的發展和成熟，變頻器以其優良的調速性能、操作簡單、功能完善、易于實現自動調節等諸多優點，必將取代紙機上傳統的直流調速系統，而成為紙機電氣傳動的佼佼者。
