1 引言
近年來，隨著我國自動化技術的迅速發展，工業自動化取得了長足的進步。變頻器由于性能穩定、節能環保、性價比高，在工業各個領域得到了廣泛的應用。其中，冶金、造紙等行業對電氣控制系統的轉速和轉矩的動靜態指標有著較高的要求，在轉爐或紙機的電氣控制上要求各部分驅動電機轉矩或轉速嚴格同步，否則，無法維持正常生產，產品質量難以保證。然而，在實際生產中，有許多因素都會干擾電機的同步控制，例如電網電壓的波動、頻率的變化、負載的突變、溫度的改變等。因此，為了得到理想的同步控制效果，采用主從控制是比較好的解決方案之一。
2 同步運行方案的選擇
工業中同一臺設備或者同一條生產線的各個運動部分通常采用一臺大功率電機或多臺相對功率較小的電機分別拖動的方式，而這些不同的運動部分彼此間在運動速度、轉矩等參數方面常常有配合協調關系，這就要求在各電動機的調速控制之間建立某種關系，這就是所謂的同步運行問題。
同步運行是變頻調速在工業應用中比較復雜和要求很高的領域。正確選擇同步控制方案，是在同步運行領域正確設計變頻調速系統的關鍵因素。通常，同步運行主要可以采用以下三種方式實現。
2.1 單臺大功率電機
對于大功率負載，一般選用一臺大功率電機及相應功率的變頻器組成其傳動系統。相對于多電機電氣傳動系統，單臺大功率電機傳動系統由于只有一個傳動速度，同步性能最優。然而，也正是由于該系統的唯一性，任何一個設備發生故障都將導致整個系統的停機，系統冗余性差，而且由于電機、變頻器等電氣設備的功率較大，維護困難，恢復時間較長。
2.2 群拖
用一臺變頻器帶動多臺電動機同步運行的方式，稱為群拖。這時變頻器的輸出側就成了供電母線，各電動機接受同頻率同幅值的電壓。在電動機規格相同時，彼此間總是運行在理想空載轉速相同、斜率也大致相同的機械特性上，當負載大致一致時，實際轉速也大致相同。
由于矢量控制和直接轉矩控制都不能用于群拖方式，因此，群拖方式只能采用恒壓頻比控制方式。由于恒壓頻比控制方式的穩態和動態調速性能都不高，且低速時帶載能力差，起動轉矩低，一般應用于調速性能要求不高的場合。另外，群拖方式下，各電動機只是理想空載轉速一致，而實際轉速由機械特性曲線和負載力矩決定，因此，群拖方式下的各個電機轉速并不能保證完全一致，同步性不高，故群拖方式只能用于同步運行要求不高的場合。
2.3 主從控制
2.3.1主從控制連接方式
主從控制是為多電機傳動系統設計，每臺電機分別由單獨的變頻器控制，因此，主從控制可以采用具有轉矩控制能力的矢量控制和直接轉矩控制方法。利用這個高性能的控制算法，可在同步運行的機構之間建立合理的負載分配關系，充分發揮各電動機的轉矩輸出能力。主從控制連接方式一般有以下兩種：
（1）主機和從機的電機軸通過齒輪、鏈條等進行剛性連接，如圖1（a）所示。從機采用轉矩控制模式，以使傳動單元之間平均分配負載轉矩，此時是由機械結構保證轉速同步，由于每臺電機分別由單獨的變頻器控制，保證了各電動機承擔的負載分配合理，防止出現分配轉矩嚴重不平衡，甚至彼此頂牛現象的發生。
（2）當主機和從機的電機軸采用柔性連接時，如圖1（b）所示。從機應該采用速度控制方式，在這種情況下，機械結構已經不能保證同步運行的要求，由變頻器組成的傳動系統除了采用速度控制方式解決轉速同步問題，同時還要利用轉矩下垂特性實現負載轉矩在各個電機上的平均分配。
圖2示出了轉矩下垂功能原理：用參數規定額定負載轉矩下的轉速差，而系統根據實際轉矩和給定轉速決定實際的速度給定值，如式（1）所示。這樣，系統根據轉矩情況自動調整給定轉速，具備了速度適應能力。因此，轉矩下垂特性允許主機和從機之間存在微小的速度差。
式中，n為實際給定轉速，n0#p#分頁標題#e#為給定轉速，δn為轉速差，t為實際轉矩，t0為額定轉矩。
2.3.2 abb變頻器主從控制原理及參數設置
（1）主從控制原理
abbacs800系列變頻器主從控制采用直接轉矩（dtc）作為其核心控制原理。而直接轉矩控制技術是在變頻器內部建立了一個交流異步電動機的軟件數學模型，根據實測的直流母線電壓、開關狀態和電流計算出一組精確的電機轉矩和定子磁通實際值，并將這些參數值直接應用于控制輸出單元的開關狀態，變頻器的每一次開關狀態都是單獨確定的，這意味著可以產生實現最佳的開關組合并對負載變化作出快速地轉矩響應，并將轉矩相應限制在一拍以內，且無超調，真正實現了對電動機轉矩和轉速的實時控制。控制原理如圖3所示。
在主從控制應用中，外部信號（包括起動、停止、給定信號等）只與主機變頻器相連，主機通過光纖將從機控制字和轉速給定值、轉矩給定值廣播給所有的從機，實現對從機的控制。從機一般不通過主從通訊鏈路向主機發送任何反饋數據，從機的故障信號單獨連至主機的運行使能信號端，形成聯鎖。一旦發生故障，聯鎖將停止主機和從機的運行。
主機發送給從機的的控制字是一個16位字，其中僅b3（run）、b7（reset）、b10（remote－cmd）使用，當從機參數10.01（ext1start/stop／dir）或10.02（ext2start/stop/dir）設置為comm.cw時，控制字命令有效。給定值是包括1個符號位和15個整數位的16位字，給定1為速度給定，給定2為轉矩給定。在從機中，要將給定1定義為從機的外部速度給定，需將參數11.03（extref1 select）設置為comm.ref；要將給定2定義為從機的外部轉矩給定，需將參數11.06（ext ref2select）設置為comm.ref。
圖4為主機和從機為剛性連接時，從機跟隨主機轉矩給定的控制原理圖。主機采用速度控制方式，即速度給定speedref3與實際速度actual speed相比較，通過pi調節器得到轉矩給定值torqref3，該值經過頻率限幅、直流電壓限幅、功率限幅和轉矩限幅后，得到最終的轉矩給定值torq refused。該值和定子磁通給定值分別同相應的實際值在滯環比較器內進行比較，得到最優的pwm信號，最終通過驅動逆變器的開關器件達到調節轉速的目的。主機速度環輸出的最終轉矩給定值torqref used同時作為從機的轉矩給定值，實現主機和從機的負載轉矩平衡分配。
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