变频矢量技术在张力控制中应用的实现

张力控制的目的就是保持线材或带材上的张力恒定, 矢量控制变频器可以通过两种途径达到目的:一种通过控制电机的转速来实现;另一种是通过控制电机输出转矩来实现。

1 速度模式下的张力闭环控制

速度模式下的张力闭环控制是通过调节电机转速达到张力恒定的。首先由带 (线) 的线速度和卷筒的卷径实时计算出同步匹配频率指令, 然后通过张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环, 调整变频器的频率指令。

同步匹配频率指令的公式如下:

其中:F为变频器同步匹配频率指令;V为材料线速度;p为电机极对数 (变频器根据电机参数自动获得) ;i为机械传动比;D为卷筒的卷径。

变频器的品牌不同、设计者的用法不同, 获得以上各变量的途径也不同, 特别是材料的线速度 (V) 和卷筒的卷径 (D) , 计算方法多种多样, 在此不一一列举。

这种控制模式下要求变频器的PID调节性能要好, 同步匹配频率指令要准确, 这样系统更容易稳定, 否则系统就会震荡、不稳定。这种模式多用在拉丝机的连拉和轧机的连轧传动控制中。若采用转矩控制模式, 当材料的机械性能出现波动, 就会出现拉丝困难, 轧机轧不动等不正常情况。

2 转矩模式下的张力控制

转矩模式下的张力控制有两种方式, 一种是转矩模式下的张力开环控制;另一种是转矩模式下的张力闭环控制。

2.1 转矩模式下的张力开环控制

在这种模式下, 无需张力检测反馈装置, 就可以获得更为稳定的张力控制效果, 结构简洁, 效果较好。但变频器需工作在闭环矢量控制方式, 必须安装测速电机或编码器, 以便对电机的转速做精确测量反馈。

转矩的计算公式如下:

其中:T为变频器输出转矩指令;F为张力设定指令;i为机械传动比;D为卷筒的卷径。

电机的转矩被计算出来后, 用来控制变频器的电流环, 这样就可以控制电机的输出转矩。所以转矩计算非常重要。这种控制多用在对张力精度要求不高的场合, 在很多公司就有广泛的应用。如脱脂机、气垫炉的收卷控制中都采用了这中控制模式。

2.2 转矩模式下的张力闭环控制

张力闭环控制是在张力开环控制的基础上增加了张力反馈闭环调节。通过张力检测装置反馈张力信号与张力设定值构成PID闭环调节, 调整变频器输出转矩指令, 这样可以获得更高的张力控制精度。其张力计算与开环控制相同。不论采用张力开环模式还是闭环模式, 在系统加、减速的过程中, 需要提供额外的转矩用于克服整个系统的转动惯量。如果不加补偿, 将出现收卷过程加速时张力偏小, 减速时张力偏大, 放卷过程加速时张力偏大, 减速时张力偏小的现象。

3 卷径计算

在所有的模式中都需要用到卷筒的卷径, 大家知道, 在生产过程中开卷机的卷径是在不断变小, 卷取机的卷径在不断变大, 也就是说转矩必须随着卷径的变化而变化, 才能获得稳定的张力控制。可见卷筒的卷径计算是多么地重要。卷径的计算有两中途径:一种是通过外部将计算好的卷径直接传送给变频器, 一般是在PLC中运算获得。另一种是变频器自己运算获得, 矢量控制型变频器都具有卷径计算功能, 在大多数的应用中都是通过变频器自己运算获得。这样可以减少PLC程序的复杂性和调试难度、降低成本。

变频器自己计算卷径的方法有以下三种。

3.1 速度计算法

通过系统当前线速度和变频器输出频率计算卷径。

其公式如下:

式中:D为所求卷径;i为机械传动比;n为电机转速;V为线速度。

当系统运行速度较低时, 材料线速度和变频器输出频率都较低, 较小的检测误差就会使卷径计算产生较大的误差, 所以要设定一个最低线速度, 当材料线速度低于此值时卷径计算停止, 卷径当前值保持不变。此值应设为正常工作线速度以下。多数应用场合下的变频器都使用这种方法进行卷径计算。

3.2 度积分法

根据材料厚度按卷筒旋转圈数进行卷径累加或递减, 对于线材还需设定每层的圈数。

这种方法计算要求输入材料厚度, 若厚度是固定不变的, 可以在变频器中设定。此方法在单一产品的生产场合被广泛应用。

若厚度是需要经常变化的, 需要通过人机界面HMI或智能仪表将厚度信号传送到PLC, 由PLC或仪表进行运算后再传送给变频器。这种计算方法可以获得比较精确的卷径, 在一般的国产设备上应用较少。

3.3 模拟量输入

当选用外部卷径传感器时, 卷径信号通过模拟输入口输入给变频器。由于卷径传感器的性能、价格、使用环境等原因, 在国内鲜有使用。

4 结语

矢量变频技术在卷取应用中的方法多种多样, 在当前技术条件下, 上述模式是最具有代表性的。无论是设计还是维修, 了解你所使用设备的工作模式和控制特点是非常重要的。变频技术还在高速发展, 新的理论和控制技术将不断涌现, 控制模式还将继续推陈出新。我们期待着更先进、更实用的技术不断出现, 以此来改变我们的生活。

摘要：在工业生产的很多行业, 都要进行精确的张力控制, 保持张力的恒定, 以提高产品的质量。诸如造纸、印刷印染、包装、电线电缆、光纤电缆、纺织、皮革、金属箔加工、纤维、橡胶、冶金等行业都被广泛应用。在变频技术还没有成熟以前, 通常采用直流控制, 以获得良好的控制性能。随着变频技术的日趋成熟, 出现了矢量控制变频器、张力控制专用变频器等一些高性能的变频器。其控制性能已能和直流控制性能相媲美。由于交流电动机的结构、性价比、使用、维护等很多方面都优于直流电动机, 矢量变频控制正在这些行业被越来越广泛的应用, 有取代直流控制的趋势。

关键词：变频矢量,应用