采用主从控制使变频器得到理想同步控制效果解析方案

1 引言

近年来，随着我国自动化技术的迅速发展，工业自动化取得了长足的进步。变频器由于性能稳定、节能环保、性价比高，在工业各个领域得到了广泛的应用。其中，冶金、造纸等行业对电气控制系统的转速和转矩的动静态指标有着较高的要求，在转炉或纸机的电气控制上要求各部分驱动电机转矩或转速严格同步，否则，无法维持正常生产，产品质量难以保证。然而，在实际生产中，有许多因素都会干扰电机的同步控制，例如电网电压的波动、频率的变化、负载的突变、温度的改变等。因此，为了得到理想的同步控制效果，采用主从控制是比较好的解决方案之一。

2 同步运行方案的选择

工业中同一台设备或者同一条生产线的各个运动部分通常采用一台大功率电机或多台相对功率较小的电机分别拖动的方式，而这些不同的运动部分彼此间在运动速度、转矩等参数方面常常有配合协调关系，这就要求在各电动机的调速控制之间建立某种关系，这就是所谓的同步运行问题。

同步运行是变频调速在工业应用中比较复杂和要求很高的领域。正确选择同步控制方案，是在同步运行领域正确设计变频调速系统的关键因素。通常，同步运行主要可以采用以下三种方式实现。

2.1 单台大功率电机

对于大功率负载，一般选用一台大功率电机及相应功率的变频器组成其传动系统。相对于多电机电气传动系统，单台大功率电机传动系统由于只有一个传动速度，同步性能最优。然而，也正是由于该系统的唯一性，任何一个设备发生故障都将导致整个系统的停机，系统冗余性差，而且由于电机、变频器等电气设备的功率较大，维护困难，恢复时间较长。

2.2 群拖

用一台变频器带动多台电动机同步运行的方式，称为群拖。这时变频器的输出侧就成了供电母线，各电动机接受同频率同幅值的电压。在电动机规格相同时，彼此间总是运行在理想空载转速相同、斜率也大致相同的机械特性上，当负载大致一致时，实际转速也大致相同。

由于矢量控制和直接转矩控制都不能用于群拖方式，因此，群拖方式只能采用恒压频比控制方式。由于恒压频比控制方式的稳态和动态调速性能都不高，且低速时带载能力差，起动转矩低，一般应用于调速性能要求不高的场合。另外，群拖方式下，各电动机只是理想空载转速一致，而实际转速由机械特性曲线和负载力矩决定，因此，群拖方式下的各个电机转速并不能保证完全一致，同步性不高，故群拖方式只能用于同步运行要求不高的场合。

2.3 主从控制

2.3.1 主从控制连接方式

主从控制是为多电机传动系统设计，每台电机分别由单独的变频器控制，因此，主从控制可以采用具有转矩控制能力的矢量控制和直接转矩控制方法。利用这个高性能的控制算法，可在同步运行的机构之间建立合理的负载分配关系，充分发挥各电动机的转矩输出能力。主从控制连接方式一般有以下两种：

(1)主机和从机的电机轴通过齿轮、链条等进行刚性连接，如图1(a)所示。从机采用转矩控制模式，以使传动单元之间平均分配负载转矩，此时是由机械结构保证转速同步，由于每台电机分别由单独的变频器控制，保证了各电动机承担的负载分配合理，防止出现分配转矩严重不平衡，甚至彼此顶牛现象的发生。

(2)当主机和从机的电机轴采用柔性连接时，如图1(b)所示。从机应该采用速度控制方式，在这种情况下，机械结构已经不能保证同步运行的要求，由变频器组成的传动系统除了采用速度控制方式解决转速同步问题，同时还要利用转矩下垂特性实现负载转矩在各个电机上的平均分配。

图2示出了转矩下垂功能原理：用参数规定额定负载转矩下的转速差，而系统根据实际转矩和给定转速决定实际的速度给定值，如式(1)所示。这样，系统根据转矩情况自动调整给定转速，具备了速度适应能力。因此，转矩下垂特性允许主机和从机之间存在微小的速度差。

式中，n为实际给定转速，n0为给定转速，δn为转速差，t为实际转矩，t0为额定转矩。