捣固焦炉车辆的多驱动电机同步控制

张峥嵘 沈豪

摘要：文章针对焦炉车辆多电机驱动同步的问题，提出一种全新的变频调速同步控制方案，并将这个变频调速同步控制方案应用于6米捣固焦炉车辆的走行系统，最后通过实际使用证明该控制方案的有效性和可靠性。

关键词：同步控制；变频器；多电机驱动同步；闭环控制；捣固焦炉车辆 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2016）05-0067-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.034

1 概述

近年来，随着国家对环保、职业健康的关注并严格执法，煤焦化行业的炉型不断向大型化、智能化发展；同时受炼焦煤储量的影响，捣固型焦炉可以减少煤焦化过程中对炼焦煤的需求，捣固型焦炉逐渐成为新的煤焦化趋势。煤焦化炉型的发展对配套的焦炉车辆全机械化、自动化程度要求不断提高。

新型的捣固焦炉车辆不仅要求完成煤焦化的基本操作，还要求捣固焦炉车辆定位准确、提高捣固煤饼的稳定性和降低煤饼的塌饼率。交流变频调速以其调速范围广、动态响应快、运行可靠性强、可四象限运行、定位精度高等优点在捣固焦炉车辆的走行控制中得到广泛

应用。

随着炉型的大型化，捣固焦炉车辆向大型化发展，交流变频器应用的增多也出现了一些现场问题。采用一台交流变频器驱动多台并联的交流异步电动机，这种驱动方式被广泛应用于捣固焦炉车辆的走行系统，但这种驱动控制方式为开环控制，电机的同步主要靠焦炉车辆的刚性和尽量减小几台电动机本身的误差来实现。

当电机功率再次增大后，就采用多台变频器控制信号并联，每台变频器驱动多台电机的驱动方式，这种驱动方式只存在驱动的能力，根本谈不上同步控制，同步只靠焦炉车辆车架的刚性同步。随着车辆的增重，这种驱动方式长期运行后造成焦炉车辆车架变形，将矩形车架扭曲变形，车架中心线偏移，最终引起装煤困难。

为此，我们在设计时提出每台交流电机由独立的变频器驱动，并就这种驱动形式提出一种全新的同步控制方案，再将这个同步控制方案应用于捣固焦炉车辆，最后通过现场调试使用证明该控制方案有效、可靠。

2 VVVF变频器的调速原理

VVVF变频器的调速原理见图1和图2：

3 多电机变频调速驱动同步控制方案设计

3.1 主回路方案

主回路方案见图3：

该多电机变频调速驱动同步控制方案可以有多台交流异步电机，每台交流异步电机由丹佛斯FC301系列变频调速装置驱动，采用MA305同步卡、增量型编码器反馈速度来实现闭环控制。系统采用西门子S7-300系列PLC作为控制处理器，西门子精智面板HMI为操作信号源，PLC对HMI上发出的操作信号、FC301变频器上反馈的信号以及编码器反馈的速度信号进行处理，通过PROFINET现场总线发出控制指令，控制交流异步电机的输出转矩和速度实现交流异步电机的启动、加速、减速、停车等功能，同时通过PROFINET采集变频器的运行信号，如速度、转矩、电流、故障、编码器反馈等信号。HMI将实时、独立显示每台变频器的所有采集信息和操作信号，让操作员直观地看到自己的操作和变频器的实际运行状态，以便操作员做出准确的选择和找到正确的处理方式。

这种变频调速系统的接线简单，只需要完成电源、电机及编码器反馈线的连接，每台驱动变频器有独立的塑壳断路器，在变频器出现故障的时候可以切断塑壳断路器，在不影响同步系统运行的情况下维护故障变频器。HMI、PLC、变频器通过现场总线PROFINET进行通讯，大大减少了接线、布线的工作量，同时也减少了因接线而产生的故障点。PROFINET现场总线不需要连接通讯线，减少了强电电缆对通讯线的影响，同时也降低了现场布线、信号隔离的难度，增加了系统的稳定性和施工的便利性。PROFINET现场总线采用星形结构通讯，在任何一个接入点出现故障、报警信号时，可以直接将故障变频器切除，而不会影响其余的无故障变频器。

为实现捣固焦炉车辆的精准对位和准确停车的要求，每台变频器配备独立的制动单元和制动电阻，采用直流注入制动+能耗制动的方式，同步控制系统将所有的变频器通过预减速同步调整到直流注入频率，快速反应的直流注入制动将增加捣固焦炉车辆停车的平稳性，为装煤的稳定性提供了保证。

3.2 多电机变频调速驱动同步控制方案

在如图4的多电机变频调速驱动同步控制方案中，采用模糊和优选控制的方式，从捣固焦炉车辆的同步性能要求来看，最终需要多组驱动轮的线速度一致，就可以保证捣固焦炉车辆走行的稳定性，从而保证捣固完成的煤饼在车辆走行的过程中不会出现掉角、裂开的现象，因此主从变频器均采用速度闭环控制。在PLC控制系统启动时，PLC控制系统会采集FC301变频器的反馈信号，判定系统中配备的变频器是否有故障，发现故障变频器，控制系统将有故障的变频器从驱动系统切除，并通过HMI提示操作维修人员安排检修，主控系统指定任意一台无故障的驱动变频器为主变频器，主变频器采用速度闭环控制，同时将速度反馈信号反馈给PLC主控系统，PLC主控系统处理反馈的速度信号，并根据反馈的速度信号给从变频器给出给定，从变频器将反馈回来的速度信号与主变频器的速度反馈信号对比检测，实时调整从变频器的给定值，跟随主变频器以达到所有变频器驱动单元的转矩平衡和转速同步。通过该实时同步控制系统可实现转速误差小于0.5Hz，从而实现捣固焦炉车辆的平稳运行。

当PLC主控系统选定的主变频器在运行过程中出现故障时，PLC主控系统自动切除故障变频器（同时给出报警信号、在HMI上提示操作维修人员安排检修），选定任意一台无故障的驱动变频器重新定义为主变频器，重启同步控制系统，执行新的同步控制指令。故障修复、排除的变频器可投入同步控制系统为从变频器运行，从而实现捣固焦炉车辆的24h×7d的不停机运行。当出现故障变频器的时候，HMI将发出报警信号，给出故障变频器的编号，报出变频器的故障代码和处理意见。

4 应用过程及分析

将多电机变频调速驱动同步方案应用于捣固焦炉车辆的走行系统。捣固焦炉车辆的走行系统为四台变频器驱动四台交流异步电机驱动四套独立的驱动轮系统，四套驱动轮系统安装在捣固焦炉车辆车架的下方，捣固焦炉车辆的装煤稳定性、塌饼率、对位准确性受四套驱动轮系统的同步影响，为保证捣固焦炉车辆的稳定性，就要保证捣固焦炉车辆在走行时，时时刻刻四套驱动轮系统要转速一致。主变频器直接由PLC主控系统选定并给出速度要求，实际运行的速度受捣固焦炉车辆的重量、轨道的平直度等因素的影响，以主变频器的反馈速度为基准，将从变频器的反馈速度调整到与主变频器的反馈速度一致，从而实现四套驱动轮的线速度同步。从变频器之间为等同关系，互相不反馈信号控制，都受主变频器的控制。

5 结语

本多电机变频调速驱动同步控制方案，采用模糊控制的方案，保证在任意一台变频器出现故障时，PLC主控系统马上能选定新的变频器为主变频器驱动，重启多电机变频调速驱动同步方案，并将该同步控制方案应用于捣固焦炉车辆的走行系统，从而实现捣固焦炉车辆走行系统的稳定性、长期运行性和不停机检修的可能。

参考文献

[1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2] 于洪波.变频器在电机调速中的应用分析[J].煤炭技术，2007，26（6）.

[3] VLT Automation Drive FC301/302设计指南 2014.4.4[S].

[4] VLT Automation Drive FC301/302编程指南 2014.1.30[S].

作者简介：张峥嵘（1980-），男，湖北秭归人，张家港长力机械有限公司工程师，研究方向：自动化与传动控制

系统。

（责任编辑：黄银芳）