冶金工業(yè)的變頻器應(yīng)用與維護(hù)（六）

浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李方園

1 引言

金屬制品是冶金工業(yè)中的重要一環(huán)，但在我國該行業(yè)卻是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，機(jī)械、電氣設(shè)備陳舊，阻礙了行業(yè)的發(fā)展。常見的拉絲機(jī)包括直進(jìn)式、活套式、滑輪式和水箱式幾種，在以前通常都采用直流電機(jī)或發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)組（F-D系統(tǒng)）來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步和變頻器的大量普及，變頻控制開始在各式拉絲機(jī)中大量使用，并可通過PLC來實(shí)現(xiàn)拉拔品種設(shè)定、操作自動(dòng)化、生產(chǎn)過程控制、實(shí)時(shí)閉環(huán)控制、自動(dòng)計(jì)米等功能。

2 三墾變頻器在水箱式拉絲機(jī)中的應(yīng)用

水箱式拉絲機(jī)有簡易水箱和翻轉(zhuǎn)水箱式兩種，適宜拉拔中細(xì)規(guī)格的各種金屬線材，特別適宜拉拔高中低碳鋼絲、鍍鋅鐵絲、輪胎鋼絲、膠管鋼絲、合金鋼絲、簾線鋼絲及銅絲鋁絲等。圖1所示為某通訊電纜有限公司拉絲機(jī)。該裝置的工藝數(shù)據(jù)如下：線材為通訊電纜用銅線；線徑在伸線前約Φ5mm，伸線后約Φ1mm；線速為50Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為703m/min；卷取線軸內(nèi)徑Φ280mm、外徑Φ390mm；張力架采用上下滑動(dòng)的配重式張力架，扇形同軸電位器輸出信號范圍0～10V；張力基準(zhǔn)約2kg。

圖1 水箱式拉絲設(shè)備簡圖

在改造過程中拉伸側(cè)變頻器為三墾VD05，卷取側(cè)變頻器為三墾WD05；制動(dòng)電阻無，其中兩臺變頻器直流母線連接。該例重點(diǎn)采用了三墾WD05系列變頻器獨(dú)有的張力架高速補(bǔ)償功能。所謂高速張力架補(bǔ)償，是瞬時(shí)補(bǔ)償啟動(dòng)時(shí)和停止時(shí)或由于外部原因造成的張力架的大的瞬時(shí)變化的功能。如圖2所示，此功能是對從張力架的不動(dòng)作區(qū)偏離部分進(jìn)行PI控制，使它返回不動(dòng)作區(qū)內(nèi)的功能。與低速張力架補(bǔ)償相比，用十分快的動(dòng)作來補(bǔ)償而進(jìn)行增益設(shè)定。而且在張力架的Up*Low水平以上時(shí)，可以保持補(bǔ)償量不變。張力架高速補(bǔ)償功能使卷繞控制的相應(yīng)特性大大提高，從而滿足用戶高速、恒張力的控制要求。

圖2 張力架高速補(bǔ)償功能

3 艾默生變頻器在銅線細(xì)伸機(jī)中的應(yīng)用

如圖3所示，某銅線細(xì)伸機(jī)中的n級拉伸共用一臺11kW電機(jī)拖動(dòng)，拉伸力來源于拉伸輪與銅線的摩擦力，摩擦力的大小與銅線的張緊程度有關(guān)，整個(gè)拉伸系統(tǒng)各級之間依靠拉伸輪的轉(zhuǎn)速差別和線上張力傳遞來控制同步協(xié)調(diào)工作。工作時(shí)需用冷卻油進(jìn)行散熱。繞圈部分用一臺3.7kW電機(jī)拖動(dòng)，需要保持第n級拉伸到繞筒之間線上張力恒定，若這一段張力波動(dòng)，則第n級拉伸輪上的摩擦力就會波動(dòng)，依此類推，整個(gè)拉伸系統(tǒng)就處于波動(dòng)狀態(tài)，拉出的銅絲質(zhì)量會變差，甚至由于打滑將銅絲磨斷。

圖3 銅線細(xì)伸機(jī)

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，拉絲機(jī)的主驅(qū)動(dòng)選用愛默生TD300011kW變頻器，采用端子控制、模擬速度設(shè)定，模擬輸出端子AO1設(shè)定為運(yùn)行頻率輸出，用來作為收線變頻器的頻率主給定和線速度反饋信號。可編程繼電器設(shè)為零速到達(dá)信號輸出，控制系統(tǒng)的抱閘，X1端子設(shè)定為自由停車端子，用做非正常情況下的停機(jī)信號。運(yùn)行方式采用開環(huán)矢量控制，具有低頻轉(zhuǎn)矩大，運(yùn)行平穩(wěn)的特性，運(yùn)行前先要對電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)調(diào)諧。控制接線圖如圖4所示。

圖4 拉絲機(jī)控制接線圖

收線部分是系統(tǒng)控制的難點(diǎn)，對整個(gè)拉絲機(jī)的性能具有決定性的影響，要求收線張力恒定，張力可用擺桿信號反饋。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)時(shí)拉的銅線線徑只有0.2mm，張力稍微一大就會拉斷，而纏滿銅線的卷筒有幾十公斤，因?yàn)閼T量轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于張力轉(zhuǎn)矩，所以用張力開環(huán)的方式行不通，而用張力反饋進(jìn)行PID調(diào)節(jié)頻率的方式，在加減速過程中很難快速跟隨。根據(jù)以上情況，采用通過11kW主驅(qū)動(dòng)變頻器的運(yùn)行頻率和收線卷的卷徑計(jì)算出同步跟蹤頻率作為主給定頻率，用張力反饋信號進(jìn)行PID運(yùn)算作為輔助調(diào)節(jié)頻率的方案。11kW的一個(gè)模擬輸出端口設(shè)定為運(yùn)行頻率輸出，信號為0~20mA，對應(yīng)0到最大頻率，接到3.7kW模擬輸入口AI2，3.7kW變頻器的AI2改變跳線為電流設(shè)定，輸入0~20mA對應(yīng)0到最大頻率，最大頻率設(shè)為主驅(qū)動(dòng)最大頻率時(shí)對應(yīng)的收線電機(jī)在空卷時(shí)的頻率。卷徑來源選用線速度卷徑計(jì)算法，線速度的來源也用11kW的模擬輸出，用AI2輸入，0~20mA對應(yīng)0到最大線速度，最大線速度設(shè)為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大頻率時(shí)對應(yīng)的收線線速度。線速度較低時(shí)，卷徑計(jì)算的誤差會比較大，所以應(yīng)將最低線速度設(shè)為比較合理的值，當(dāng)線速度低于設(shè)定的最低線速度時(shí)，卷徑將保持，而不再進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)的卷徑變化非常慢，所以不會有影響。

4 匯川變頻器在直進(jìn)式拉絲機(jī)中的應(yīng)用

直進(jìn)式拉絲機(jī)是拉絲機(jī)中最難控制的一種，由于它是多臺電機(jī)同時(shí)對金屬絲進(jìn)行拉伸，作業(yè)的效率很高。不象以前經(jīng)常遇到的水箱拉絲機(jī)和活套式拉絲機(jī)，允許金屬絲在各道模具之間打滑。同時(shí)它對電機(jī)的同步性以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性都有較高的要求。由于不銹鋼材料特性比較脆，缺少像高碳鋼絲或者鋼簾線那樣的韌性，比較容易在作業(yè)過程中拉斷。

某系統(tǒng)共有8臺11kW變頻器。系統(tǒng)的電氣配置為活套一臺，安裝在第一級，作用是將成卷的不銹鋼絲牽引到拉絲部分，由于活套可以自由打滑，因此這臺電機(jī)不需要特別的控制。拉絲部分共有六個(gè)直徑400mm的轉(zhuǎn)鼓。每個(gè)轉(zhuǎn)鼓之間安裝有用于檢測位置的氣缸擺臂，采用位移傳感器可以檢測出擺臂的位置，當(dāng)絲拉得緊的時(shí)候，絲會在擺臂的氣缸上面產(chǎn)生壓力使得擺臂下移。最終是收卷電機(jī)，該部分采用自行滑動(dòng)的錐形支架，整個(gè)過程卷徑基本不變化，因此不需要用到卷徑計(jì)算功能。8臺電機(jī)功率采用變頻專用電機(jī)，同時(shí)帶有機(jī)械制動(dòng)裝置。

圖5 直進(jìn)式拉絲機(jī)控制示意

如圖5所示，直進(jìn)式拉絲機(jī)變頻控制的工作原理是：根據(jù)操作工在面板設(shè)定決定作業(yè)的速度，該速度的模擬信號進(jìn)入PLC，PLC考慮加減速度的時(shí)間之后按照一定的斜率輸出該模擬信號。這樣做的目的主要是滿足點(diǎn)動(dòng)、穿絲等一些作業(yè)的需要。PLC輸出的模擬電壓信號同時(shí)接到所有變頻器的AI2（AI1也可以）輸入端，作為速度的主給定信號。各擺臂位移傳感器的信號接入到對應(yīng)的轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動(dòng)變頻器作為PID控制的反饋信號。根據(jù)擺臂在中間的位置，自己設(shè)定一個(gè)PID的給定值。這個(gè)系統(tǒng)是非常典型的帶前饋的PID控制系統(tǒng)，一級串一級，PID作為微調(diào)量。

之所以選擇匯川MD320變頻器，就在于它能輕松實(shí)現(xiàn)主速度跟隨加PID微調(diào)的功能，而無須額外的控制板。在本系統(tǒng)中參數(shù)設(shè)置如下：

F0-03=2：主頻率源X為AI2

F0-04=8：輔助頻率源Y為PID

F0-07=1：頻率源選擇為主頻率源X+輔助頻率源Y

FA-00=0：PID給定源為數(shù)字鍵盤給定

FA-01=4：PID的設(shè)定值（該值的基準(zhǔn)值為系統(tǒng)的反饋量）

FA-02=0：PID的反饋值A(chǔ)I1

FA-03=0：PID的作用方向（當(dāng)反饋信號大于PID的給定時(shí)，要求變頻器頻率輸出下降，才能達(dá)到PID平衡）

FA-05=25：PID的P值

FA-06=1：PID的I值

FA-07=0.08：PID的D值

FA-08=0.1：PID的采樣周期

FA-09=0：PID的偏差極限

由于系統(tǒng)的穩(wěn)定在很大程度上取決于PID作用，因此對其參數(shù)的整定必須考慮周全，應(yīng)將低速、高速、升速和降速等情況都予以考慮。另外在本系統(tǒng)中必須加入微分限幅。

圖6所示為匯川PID控制原理。

圖6 過程PID控制原理

5 結(jié)語

拉絲機(jī)系統(tǒng)在采用變頻器且優(yōu)化參數(shù)值之后，設(shè)備試機(jī)時(shí)速度非常穩(wěn)定，完全解決了原來采用同步板高速度下面不穩(wěn)的問題。通過各種工況下的對比測試，和采用直流驅(qū)動(dòng)器的拉絲機(jī)性能一樣，同時(shí)設(shè)備效率可以大大提高到90%~95%、節(jié)電率為20%~40%左右。

總之，采用交流變頻控制拉絲機(jī)，其自動(dòng)化程度高、操作方便、拉拔的產(chǎn)品質(zhì)量高。

[1] 李方園. 變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2] 變頻器在水箱式拉絲機(jī)中的應(yīng)用.www.ca800.com.

[3] 變頻器在銅線細(xì)伸機(jī)中的應(yīng)用,www.ca800.com.

[4] 變頻器在直進(jìn)式拉絲機(jī)中的應(yīng)用,www.ca800.com.