西安菱川電氣有限公司

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變頻矢量技術在張力控制中應用的實現

  在工業生產的很多行業中,都要進行精確的張力控制,保持張力的恒定,以提高產品的質量。諸如機械、石油、化工、塑膠、紡織、印刷、市政生活(污水處理)、建筑、交通等行業領域都被廣泛應用。在變頻技術還沒有成熟以前,通常采用直流控制,以獲得良好的控制性能。隨著變頻技術的日趨成熟,出現了矢量控制變頻器、張力控制專用變頻器等一些高性能的變頻器。其控制性能已能和直流控制性能相媲美。由于交流電動機的結構、性價比、使用、維護等很多方面都優于直流電動機,矢量變頻控制正在這些行業被越來越廣泛的應用,有取代直流控制的趨勢。


  張力控制的目的就是保持線材或帶材上的張力恒定,矢量控制變頻器可以通過兩種途徑達到目的:一、通過控制電機的轉速來實現;另一種是通過控制電機輸出轉矩來實現。


  速度模式下的張力閉環控制


  速度模式下的張力閉環控制是通過調節電機轉速達到張力恒定的。首先由帶(線)的線速度和卷筒的卷徑實時計算出同步匹配頻率指令,然后通過張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設定值構成PID閉環,調整變頻器的頻率指令。


  同步匹配頻率指令的公式如下:


      F=(V×p×i)/(π×D)


  其中:F變頻器同步匹配頻率指令V材料線速度p電機極對數(變頻器根據電機參數自動獲得)i機械傳動比D卷筒的卷徑


  變頻器的品牌不同、設計者的用法不同,獲得以上各變量的途徑也不同,特別是材料的線速度(V)和卷筒的卷徑(D),計算方法多種多樣,在此不一一列舉。


  這種控制模式下要求變頻器的PID調節性能要好,同步匹配頻率指令要準確,這樣系統更容易穩定,否則系統就會震蕩、不穩定。這種模式多用在拉絲機的連拉和軋機的連軋傳動控制中。若采用轉矩控制模式,當材料的機械性能出現波動,就會出現拉絲困難,軋機軋不動等不正常情況。


  轉矩模式下的張力控制


  一、轉矩模式下的張力開環控制


  在這種模式下,無需張力檢測反饋裝置,就可以獲得更為穩定的張力控制效果,結構簡潔,效果較好。但變頻器需工作在閉環矢量控制方式,必須安裝測速電機或編碼器,以便對電機的轉速做精確測量反饋。


      轉矩的計算公式如下:


      T=(F×D)/(2×i)


      其中:T變頻器輸出轉矩指令F張力設定指令i機械傳動比D卷筒的卷徑


  電機的轉矩被計算出來后,用來控制變頻器的電流環,這樣就可以控制電機的輸出轉矩。所以轉矩計算非常重要。這種控制多用在對張力精度要求不高的場合,在我鑫科公司就有廣泛的應用。如精帶公司的脫脂機、氣墊爐的收卷控制中都采用了這中控制模式。


  二、轉矩模式下轉矩模式下的張力開環控制


  張力閉環控制是在張力開環控制的基礎上增加了張力反饋閉環調節。


  通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力設定值構成PID閉環調節,調整變頻器輸出轉矩指令,這樣可以獲得更高的張力控制精度。其張力計算與開環控制相同。不論采用張力開環模式還是閉環模式,在系統加、減速的過程中,需要提供額外的轉矩用于克服整個系統的轉動慣量。如果不加補償,將出現收卷過程加速時張力偏小,減速時張力偏大,放卷過程加速時張力偏大,減速時張力偏小的現象。


  這種控制模式多用在造紙、紡織等卷取微張力控制的場合下。在我公司尚無需這種控制。


  卷徑計算


  在所有的模式中都需要用到卷筒的卷徑,大家知道,在生產過程中開卷機的卷徑是在不斷變小,卷取機的卷徑在不斷變大,也就是說轉矩必須隨著卷徑的變化而變化,才能獲得穩定的張力控制??梢娋硗驳木韽接嬎闶嵌嗝吹刂匾?。卷徑的計算有兩中途徑:一種是通過外部將計算好的卷徑直接傳送給變頻器,一般是在PLC中運算獲得。另一種是變頻器自己運算獲得,矢量控制型變頻器都具有卷徑計算功能,在大多數的應用中都是通過變頻器自己運算獲得。這樣可以減少PLC程序的復雜性和調試難度、降低成本。


  變頻器自己計算卷徑的方法有三種:


  1、速度計算法:


  通過系統當前線速度和變頻器輸出頻率計算卷徑。


  其公式如下:


  D=(i×V)/(π×n)D所求卷徑I機械傳動比n電機轉速V線速度


  當系統運行速度較低時,材料線速度和變頻器輸出頻率都較低,較小的檢測誤差就會使卷徑計算產生較大的誤差,所以要設定一個最低線速度,當材料線速度低于此值時卷徑計算停止,卷徑當前值保持不變。此值應設為正常工作線速度以下。多數應用場合下的變頻器都使用這種方法進行卷徑計算。


  2、模擬量輸入


  當選用外部卷徑傳感器時,卷徑信號通過模擬輸入口輸入給變頻器。由于卷徑傳感器的性能、價格、使用環境等原因,在國內鮮有使用。


  3、度積分法:


  根據材料厚度按卷筒旋轉圈數進行卷徑累加或遞減,對于線材還需設定每層的圈數。


  這種方法計算要求輸入材料厚度,若厚度是固定不變的,可以在變頻器中設定。此方法在單一產品的生產場合被廣泛應用。


  若厚度是需要經常變化的,需要通過人機界面HMI或智能儀表將厚度信號傳送到PLC,由PLC或儀表進行運算后再傳送給變頻器。這種計算方法可以獲得比較精確的卷徑。在一般的國產設備上應用較少,我公司的進口設備,氣墊爐的收、放卷控制上就采用這種計算方式。


  結束語:


  矢量變頻技術在卷取應用中的方法多種多樣,在當前技術條件下,上述模式是最具有代表性的。無論是設計還是維修,了解你所使用設備的工作模式和控制特點是非常重要的。變頻技術還在高速發展,新的理論和控制技術將不斷涌現,控制模式還將繼續推陳出新。我們期待著更先進、更實用的技術不斷出現,以此來改變我們的生活。


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