1、1.绪论纸是汉族劳动人民长期经验的积累和智慧的结晶，纸是用以书写、印刷、绘画或包装等的片状纤维制品。一般由经过制浆处理的植物纤维的水悬浮液，在网上交错的组合，初步脱水，再经压缩、烘干而成。中国是世界上最早发明纸的国家。根据考古发现，西汉时期( 公元前 206 年至 公元前 8 年)，中国已经有了麻质纤维纸。质地粗糙，且数量少，成本高，不普及。1798 年法国人 N.L.罗伯尔首次提出造纸机的构思,并取得政府的造纸机专利权,但他并未制成机器。英国人 S.&H.福德里尼尔兄弟购得这项专利权后,交由 B.唐金改进设计并试制，1803 年成功地制作出第一台能抄纸的长网造纸机，又称福德里尼尔纸机。圆网成
2、形器是英国人 J.迪金森于 1809 年发明的。1820 年 T.B.克兰普顿首先用火加热铁板圆筒烘纸，直到 1872 年杰克逊发明了用虹吸管排除冷凝水的蒸汽加热烘缸。1828 年寒丁发明了压辊。1863 年贺立欧克 (Holyoke)纸厂发明了五辊超级压光机 。前后用了近百年的时间逐步完善了圆网和长网纸机的机型。现代所有造纸机基本上属于这两个机型的范畴。现代的造纸工艺流程一般可分为原材料制成浆、浆纸的调制、对纸进行抄造、对纸进行加工等主要步骤。一般的造纸工艺流程如图 1.1 所示。网部 真空部 压榨 前干燥 后干燥 压光部 卷取部图 1.1 造纸流程（1）原材料制浆。造纸的第一步是把原材料制
3、造成浆，而使用的原材料一般是木材，把原材料制造成浆的方法一般有三种，分别为化学法、机械法和半化学法。（2）调制造纸的第二步是调制，调制为造纸流程中的一个关键环节，纸张制造成功后的优劣与调制过程直接相关。纸的调制过程一般可分为散浆、打浆、加胶和充填这几个步骤。（3）纸的抄造纸的抄造就是把纸浆制造成纸张的过程，这是造纸的第三步。把稀纸料经过加工和脱水等一系列工作，制成成品纸，这是抄造部门的主要工作。纸的抄造的一般常见流程如下：1）纸料的筛选。这一过程主要是把调制好的纸料进行稀释，将其稀释到一定低的浓度，然后再用筛选设备进行筛选，将里面的杂物和还没有解离的纤维束筛选出来，除掉，才能保持制纸质量，保护
4、相关设备不被损坏。2）网部。网部的主要作用是对流到网上的纸浆进行加工和处理，若纸浆从头箱流到循环的网上时，就对网上的纸料进行均匀的分布以及交织等处理工作。3）压榨部。压榨部的主要作用是将湿纸进行脱水处理，主要过程是把从网面移过来的湿纸引导两个滚辘间，这两个滚辘上都附有毛布，滚辘可对湿纸进行压挤，毛布对湿纸有吸水作用，当这两种物体都对湿纸作用时，不仅能脱水，而且还能改变纸质使其更紧密，提高纸的质量。4）干燥部。干燥部的主要作用是将压榨过的湿纸进行进一步的干燥。湿纸进行压榨后，其中的含水量仍然较高，这时候不能用机械力将多余水分进行压除，只能用热蒸汽对纸进行干燥处理，因此可将湿纸经过圆筒表面进行干燥
5、，圆筒内有流通的热蒸汽。5）压光部。压光部的主要作用是对干燥后的纸进行压光，以提高纸的品质，并使纸页全幅保持一样的厚度，减少纸页的透气度。6）卷纸。主要由卷纸机将压光过后的纸幅卷起，将其卷成生产所需的纸卷。7）裁切、选别、包装。将已经卷好的纸卷进行裁切，再进行筛选，把有污点和破损的纸张选出来，最后进行生产所需的包装。随着我国工业的发展，人们生活水平的提高，纸在我们的生活中应用越来越广泛，已经成为不可替代的生活用品，比如书籍、报纸、作业纸、包装纸、卫生纸等等，在我们的生活中随处可见。除了生活用纸外，纸在其他领域也有广泛的应用，如工业用纸、农业用纸和医疗用纸等。从这些方面可知，纸在我们的日常生活中
6、的影响越来越大，人们的生活早已离不开纸。人们对纸的需求量日益增长，对纸的种类需求也越来越多，从作业纸到书籍用纸，从包装纸到卫生纸，再到餐巾纸等，纸的种类真的是多种多样，这就导致对纸的生产工艺和生产质量有了更高的要求。本文针对纸机工艺与多电机传动系统的控制要求，提出了基于公共直流母线技术供电方式的纸机传动控制系统，并设计了基于直流母线的集中供电单元；同时，就纸机控制系统的主电路、相关功能实现、保护电路、谐波抑制、电动力等问题一一进行阐述。2.纸机传动系统2.1纸机传动控制概述纸机传动控制系统的发展是随着纸机机械结构发生变化和工作车速不断提高的前提下，逐步由模拟到数字再到全集成、全数字、全网络；由
7、集中控制到分散控制再到全集中控制；由一般交流传动总轴传动到直流分部传动再到交流变频分部传动；由交流公共母线到直流公共母线；由基于PLC为控制中心到基于PCbased控制系统；由电机经减速机驱动传动分部到电机直接驱动传动分部的发展过程。约1960年起，可调直流电压的分部传动形似逐步应用到纸机电气传动控制系统中。直到1982年左右，模拟式速度调节器应用到直流传动中，该方式的控制精度，在稳定生产条件下约为最高转速的士01。到80年代中期，数字式调节器开始取代模拟式调节器应用到纸机传动中。由于纸机机械部件的原因，在稳态条件下，数字式调节器的精度仍限于最高车速的士O01左右。这些机械原因包括轴、轴连轴器
8、、辊外壳的刚度，以及齿轮啮合和万象连轴器的间隙。在顺变条件下，精确度还受转矩、截面模量等参数的影响在80年代早期，欧洲和日本开发了交流变频分部传动装置，该技术在80年代中期成功引入美国，不仅适用于纸机和复卷机，还适用于涂布机等设备。国内纸机在90年之前，中高速纸机的电气传动控制系统以直流分部传动形式为主。到95年左右，交流变频分部传动控制系统开始在新纸机中占主导地位。在80年代，矢量变频技术已经比较成熟，为了适应大型多传动分部的机械设备的传动要求，以ABB、SIEMENS、AB等公司为代表的电气公司开始开发以公共直流母线为框架的集散控制系统应用于多传动控制系统。并在80年代开始逐步应用于多传动
9、控制系统如轧钢、造纸、化纤等行业。1994年苏州紫兴纸业从ABB公司开始引进PPS200系统开始，到后来的引进的多台国外成套大型纸机，其电气传动控制系统几乎全采用基于公共直流母线的集散控制系统，经过多年的学习和理解直到1997年，由天津电气传动研究所开发的具有自主知识产权的基于公共直流控制的多传动控制系统第一次应用到轧钢厂，并取得了很好的效果。打破了基于公共直流母线多传动控制系统由外国公司垄断的局面。众所周知，直流调速控制简单，调速性能好，变流装置容量小，长期以来在调速传 动一直占统治地位。主要是由于直流调速控制理沦已经相当的成熟，而且直流调速的算法容易实现，直流调速系统的模型很容易建立，所以
10、在直流调速系统中我们可以很容易的计算出各个环节的传递函数从而可以得出系统方程队但是，由于国产直流传动设备落后的工艺，所以故障率高、维护量大、附属设备多。目前造纸行业的主传动控制系统已基本采用了全数字交流变频传动控制技术，提高了电能的 使用效率，可靠性高，维护少，但维护费用上升。究其原因，至今半导体技术还不可能 对可关断器件实施可靠的低成本的保护，它的唯一保障措施只能靠关断基极来实现，因此，一旦线路或者元件故障往往造成功率器件损坏，而功率器件的成本占到变频器价格的以上，所以变频器维护费用高。另外，在变频调速下，当电动机进入发电制动 状态，整流桥两端直流电压上升，直流电流反向。由于变频系统输入直流
11、电压为不可逆二极管整流，因此这种发电只能转化为电压升高，最终使系统眺闸。再生制动能量如不及时消耗，将会经常发生变跳闸、停机的现象，直接影响到正常生产。调速系统是工业自动化一个常见环节，和直流调速相比，异步电机变频传动其开环静差率己经较小，近似于直流带比例放大器的闭环水平，而且其稳定性决定于CPU晶振，所以在负载波动较小范围内，稳定性和抗干扰能力也大大优于直流传动系统I对于频 繁启动，制动或四象限运行的电机，通用变频器还不能实现能量回馈，为解决该问题，采用共用直流母线方式的多电机传动控制方案，而多传动系统中AC-DC变换单元的设计是关键之一。纸机变频传动两络化发展的同时，在配置结构上公共直流母线
12、式供电方式也是一种发展趋势。公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中，釆用单独的整流义回馈装置为系统提供一定功率的直流电压，调速用逆变器直接挂在直流母线上。当系统工作在电动状态，逆变器从母线上获取电能；当系统工作在发电状态时，能量通过母线及回馈装置直接回馈到电网，以达到节能，提高设备运行可靠性，减少设备维护量和设备占地面积。2.2造纸机传动的要求造纸机传动装置的形式应按照生产品种，产量和质量来选择。按照网部结构的不同，可分为几种类型：长网类型、圆网类型、夹网类型、叠网类型、和带有饰面辊等特殊结构的造纸机等。为了能生产出质量标准较高的产品，纸机对电气传动系统提出如下的要求：1)车速要有较高的稳定
13、裕度，总车速提升、下降要平稳。为了稳定纸页的定量和质量、减少纸幅断头，要求纸机稳速精度为士O05-001；2)有数字化串并联速度链调节，使各分部速度按比例协调控制并同步升、降速，速比可调、稳定。速差在一定范围内变化不引起纸页质量的突变。此时的速差对成纸来说，主要影响纸页的克重，误差应控制在O1以内保持纸张不被拉断。纸机各分部的速度必须是可以调节的，为4-10-15。为了生产较高质量的纸幅和减少断头率，还要保持各分部间速比的稳定；3)各分部点具有速度微升、微降功能，引纸操作时的紧纸、松纸功能；4)必要的显示功能，如线速度、电流或转矩、运行信号、故障信号等；5)主副分部间应能实现联动工作、负荷自动
14、平衡调节。具有刚性联结或软联结的传动分部，如网部、压榨部、施胶部，能进行负荷动态调节。防止某点的速度发生变化而引起负荷在分部内动态转移，如不及时进行自动的调节(因为现在使用的变频器基本上都不具备长期四象限运行能力)，有的传动点负载可能超过它自身的功率范围引起过流，有的传动点被拖动而引起过高的泵升电压，导致变频器过压而保护跳闸，甚至损坏变频器和撕坏毛布。同时在这些分部中，应具有单动、联动功能，并可以同时起动、停止；6)纸机为恒转矩负载，要选择具有恒转矩控制性能的变频器，并具有较高的分辨率，良好的通讯能力，并采用PLC作为控制单元，实现对整个控制系统的可靠、协调的控制，以满足纸机控制系统正常工作的
15、需要。2.3 造纸机传动方式一般来说，传统的造纸机采用的是机械总轴这种传动方式，这种传动方式的各个传动轴通过机械装置连接在共同的主传动轴上，传动轴就能跟随主传动轴同步运行，如图 1.2 所示。网 部 压 榨 部 干 燥 部 压 光 部 卷 纸 部主 电 动 机 锥 轮主 传 动 轴图 1.2 机械总轴传动机械总轴传动方式采用单原动机传动，大多数用于中、低速的 中、小型纸机上。这种传动方式上的各分部间速比的调节比较简单，单纯的靠机械的方法来调节，可以借助锥形皮带轮或者无级变速的三角皮带轮来实现，也可借助差动机构来实现。在传动过程中，可以用两种方式中的一种来控制各个分部的启停，第一种方式是借助摩擦
16、离合器来控制各个分部的启动和停止，第二种方式是借助电磁离合器来控制各个分部的启动和停止。这种传动方式比较落后，难以进行响应较快的各种控制，如张力控制，已经远远不能满足生产需求。现在大多数中大型造纸机采用的传动方式是分部传动，这种传动方式的各个个分部各采用一台电机进行控制，也可采用几台电机进行控制，驱动各分部的运行，如图 1.3 所示。图网 部 压 榨 部 干 燥 部 压 光 部 卷 纸 部减 速 箱电 动 机 电 动 机 电 动 机 电 动 机1.3 分部传动在分部传动这种传动方式中，采用电气来进行调节，不仅能调节整个系统的车速，还能调节各个分部间的速比，用这个调节方法取代机械调节的方法，大大
17、的简化了整个系统的装置。由于采用这种传动方式的各个分部传动依靠的是电气来实现各轴的同步运行的，所以又叫电气分轴传动。分部传动要比机械总轴传动简单的多，可以不用总轴、锥形皮带轮和皮带和离合器这些设备，大大的简化了传动过程所需的装置，运行也比机械总轴传动可靠的多。综合以上的两种传动方式的分析和对比，本设计采用的是分部传动这种传动方式。2.4纸机传动系统的主要控制方式造纸机传动控制系统是一种转速恒定、负载基本恒定的稳速系统，从控制特性上可分为速度控制、转矩控制、负荷分配控制三种基本控制方式，其控制要求为速度长期稳定，动态恢复时间尽可能短。纸机传动控制系统的主要控制系统有如下三种：1、全数字速度链控制
18、：采用自动化控制级，以造纸机传动系统的第一个点为起点，逐级向后，在整个纸机中形成一个数字化的速度控制链。2、速度闭环控制：实现电机同步速度控制，采用直流或交流变频传动控制方案，交流母线(AC BUS)或直流母线(DC BUS)。根据项目的具体要求，采用光电编码器反馈方式，速度控制精度在0.1-0.001%。3、传动组间负荷分配控制：传动组间多电机的负荷平衡的控制，主从控制等，满足设备生产上对电机控制的要求，控制精度一般在2-5%。3.公共直流母线技术公共直流母线技术越来越广泛地应用于多电机传动系统中，在获得高精度调速系统的同时，将系统在制动过程中产生的再生能源加以合理利用和能量回收，取得较好的
19、节能效果。公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中，采用单独的整流/回馈装置为系统提供一定功率的直流电源，调速用逆变器直接挂接在直流母线上。当系统工作在电动状态时，逆变器从母线上获取电能；当系统工作在发电状态时，能量通过母线及回馈装置直接回馈给电网，以达到节能、提高设备运行可靠性、减少设备维护量和设备占地面积等目的。3.1公共直流母线控制系统的组成公共直流母线控制系统通常由整流/回馈单元、公共直流母线、逆变单元等组成。回馈单元可分为通过自耦变压器的能量回馈和不通过自耦变压器的能量回馈两种方式。通过自耦变压器的能量回馈可提高回馈支路中的电源电压，目的是在能量回馈过程中不必降低中间回路电压，使得逆
20、变器能够获得一个较恒稳的直流电源；不通过自耦变压器的能量回馈实际上是保持系统一直处在回馈状态，在整流过程中依靠持续降低具有相角控制的中间回路的电压来实现。3.1.1整流/回馈装置整流/回馈单元把交流电源转换为电压稳定的直流电源，即使在逆变器能量回馈到电网时，该电压在规定范围内仍保持恒定。整流/回馈单元的功率部分一般由2个反并联晶闸管桥组成，可在输入端电网和逆变器中间回路之间整流和回馈。3.1.2逆变器逆变单元把电压稳定的直流电源转化为电压、频率可调的交流电源，以满足电机平滑调速的目的。逆变器系统的原理框图如图3.1所示。图3.1逆变器系统原理况图3.2直流公共母线变频驱动方案传统变频器，由于其自身整流半导体元件的电流单向流通的特性，使电机处于发电状态时所产生的能量，只能通过直流能耗制动单元，将能量已热的形式消耗在电阻上。在多电机传动系统的设计中，大都采用将多个变频器的直流侧正负端子分别连接在一起，形成直流公共母线变频驱动系统，驱动器之间相互传递能量。整流回馈单元采用通过自耦变压器的能量反馈方式。在回馈桥
