直流傳動復卷機退紙輥電機的弱磁控制

李天利

(陜西科技大學，陜西西安，710021)

雙底輥下引紙復卷機是國內廠家應用較多的一種機型，示意圖如圖1所示。前后底輥和退紙輥的電機若為直流電機則為直流傳動，若為交流電機則為交流傳動，雖然交流傳動技術日趨完善，但直流傳動有如下優點:①調速性能好、調速范圍廣，易于平滑調節。②啟動、制動轉矩大，易于快速啟動、停車。③過載能力強、能承受較頻繁的沖擊負荷。④線路簡單、控制方便。因此，直流傳動仍然是國產復卷機采用較多的一種調速方案。

圖1 復卷機示意圖

復卷機的任務是將紙機生產出來的紙幅縱切成若干個分開的紙幅，再把這些分開的紙幅復卷為符合加工要求的成品紙卷，同時保證質量。在復卷過程中，紙幅張力會隨著紙卷卷徑和復卷機加減速大范圍變化，影響張力控制的穩定性。復卷時紙幅張力低會造成成品紙卷打摺;紙幅張力高會使成品紙卷的殘余應力過大，造成爆卷或斷紙。所以，要得到質量合格的成品紙卷，要求復卷機有良好的紙幅張力控制系統，使紙幅張力控制于設定值范圍內，即恒張力控制。

恒張力控制的實現主要通過控制退紙輥電機去實現。復卷機運行時，退紙輥的轉速隨著成品紙卷的增大而逐漸增加，可能會突破額定轉速，按照直流電機調速控制的理論，在額定轉速向下調速采用改變電樞電壓 (變壓)的方法，在額定轉速向上調速采用降低勵磁電流以減弱磁通 (弱磁)的方法。電機在不同轉速下長期運行，為了避免電機過熱，則應使電機的電樞電流小于或等于額定電流，變壓調速時由于勵磁磁通不變，允許的電磁轉矩不變，所以變壓調速也稱“恒轉矩調速”，弱磁調速時，轉速越高，勵磁磁通越弱，允許的電磁轉矩不得不減小，但轉矩與轉速的乘積值不變即允許功率不變，所以弱磁調速也稱“恒功率調速”。在低速復卷機中，用不到弱磁調速只要變壓調速即可，速度較高的復卷機退紙輥電機的轉速會超過電機的額定轉速，因此會同時用到變壓和弱磁兩種方法。

1 紙幅恒張力控制的思想

紙幅恒張力控制主要通過控制退紙輥電機的轉矩以實現間接張力控制，退紙輥電機電流可以按照公式［1］(1)控制限幅。公式 (1)是以系統運動規律建立，因此具有普遍性，可適用于電機的各種運動狀態，在復卷機運行過程中退紙輥電機按公式 (1)控制就可以實現紙幅的恒張力控制。4

其中:σ—紙張的密度，kg/m3

b—紙幅的寬度，m

R0—退紙輥軸芯半徑，m

R2—后底輥半徑，m

Km—退紙電機常數

A1—退紙輥電機減速比

A2—后底輥電機減速比

n1—退紙輥電機轉速，r/min

n2—后底輥電機轉速，r/min

F—紙幅張力，N/m

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J0—軸芯的轉動慣量，kg·m2

2 退紙輥電機的變壓調速

復卷機退紙輥電機從啟動運行到穩態運行這一段時間，一般速度都低于電機的額定轉速，因此這個過程的調速采用變壓調速。直流電動機采用轉速電流雙閉環系統，原理圖見圖2所示，其中:TG為測速裝置;TA為電流互感器;為轉速給定電壓;Un為轉速反饋電壓;為電流給定電壓;Ui為電流反饋電壓。張力控制采用間接張力，所以沒有張力環。從引紙到運行要能平穩過渡 (維持張力恒定)，可給退紙輥電機的速度給定加上一個負方向的轉速給定(可取額定轉速的50%左右)，而使退紙電機產生反轉趨勢 (實際不可能反轉)致使紙幅拉平以保持張力恒定;復卷機在穩態運行時，由于紙張張力的作用，電機速度反饋值始終小于速度給定值，速度調節器 (一般為PI調節器)一直處于飽和狀態，相當于轉速環開環，因此實際控制只是電流環，間接張力控制的補償運算用公式 (1)算出作為電流環的限幅值。在復卷機的升降速過程中，轉速環是不飽和的，退紙輥電機的控制是轉速電流雙閉環控制，為了維持張力的恒定，在退紙輥慣性轉矩的作用下，退紙輥電機的狀態會在第一象限和第二象限轉換。

圖2 轉速電流反饋的退紙輥直流電機控制原理圖

3 退紙輥電機的弱磁調速

3.1 退紙輥電機的電樞電壓與弱磁的配合控制

復卷機穩態運行時，由于退紙輥直徑越來越小，退紙輥電機的轉速會越來越高，可能會超過電機的額定轉速，這時會轉入減弱磁通調速。退紙輥電機電樞電壓與勵磁配合控制的特性圖［2］如圖3所示，其中，Ф為電機勵磁磁通，Фnom為電機額定勵磁磁通;U為電機電樞電壓，Unom為電機額定電樞電壓;P為電機功率;Te為電機額定轉矩;nnom為電機轉速額定值(基速，也是弱磁點轉速)。從圖3可以看出，啟動時不宜采用弱磁，應在額定磁通下升壓啟動，才能得到大的起動轉矩。當電樞電壓升到額定值以后，才可減弱磁通繼續升速。

圖3 電樞電壓與勵磁配合控制特性圖

3.2 退紙輥電機的弱磁控制

弱磁調速的原理圖如圖4所示，其中:為轉速給定電壓;Un為轉速反饋電壓;為電流給定電壓;Ui為電流反饋電壓;*為基速給定電動勢電壓，Ue為實際電動勢電壓;為勵磁電流給定電壓;Uif為實際勵磁電流電壓;TAF為勵磁電流互感器。從圖4可以看出，電樞電壓繼續采用轉速電流雙閉環，勵磁調節也是雙環控制:電動勢環和勵磁電流環，勵磁電流和電動勢調節器都采用PI調節器。實際電動勢Ue與基速給定電動勢比較后經電動勢調節器得勵磁給定信號，再經勵磁電流環控制勵磁電流。

退紙輥電機若在基速 (圖3中nnom，也是電動機的額定轉速)以下時，實際電動勢Ue小于基速給定電動勢后使電動勢調節器處于飽和狀態，相當于電動勢環開環，電動勢調節器的輸出一直保持在限幅值上，通過勵磁電

流調節器作用，保證額定的勵磁電流不變。這樣在基速以下就是電流轉雙閉環控制退紙輥電機的轉速。

3.3 反電動勢的獲得

電動勢運算器AE按照公式 (2)來計算［3］:

圖4 勵磁閉環的退紙輥直流電機弱磁控制原理圖

式中，E為感應電動勢;Ra為電樞回路電阻;Ud為電樞電壓;Id為電樞電流;L為電樞回路電感。在實際應用中，退紙輥電機的驅動器都采用直流裝置，比如ABBDCS800、西門子6RA70等，這些裝置都可通過現場總線讀取電動勢的實際值。參數Ra、L可以通過直流裝置的參數自整定方法獲得。

基速電動勢的給定值U*e是根據電機的額定轉速獲得。

3.4 直流裝置弱磁點的設置［4］

弱磁點，即圖3中nnom，對恒張力的控制有較大影響，根據文獻［4］的分析可知:弱磁點nnom應該與退紙輥電機的額定轉速ne相同即:nnom=ne，才能保證恒張力控制的實現。

4 結論

直流電機拖動的復卷機啟動時，電機一定要在額定磁通下啟動以獲得較大的起動轉矩，進入弱磁調速階段以后一定要獲得電機電動勢的實際值和弱磁點時的電動勢的值，通過它們控制退紙輥電機的勵磁電流以實現弱磁調速。這種方法雖以退紙輥給出，但是對前后底輥同樣適用。

［1］SUN Biao，MIAO Man-xiang.The Paper Tension Control in the Dynamic Process of the Paper Rewinder［J］.China Pulp ＆ Paper.2008，27(8):52.

孫 標，苗滿香.直流復卷機動態過程中的張力控制［J］.中國造紙，2008，27(8):52.

［2］RUAN yi CHENG Bo-shi.Electric Drive Automatic Control System［M］.Beijing:Mechanical Industry Publishing House，2010.

阮 毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［3］SUN Biao，WANG Chang-yi.The Method and Realization of DC Unwind Motor Field Weakening Control［J］.Transactions of China Pulp and Paper.2010，25(1):75.

孫 標，王長義.復卷機放紙輥直流傳動弱磁控制方法及其實現［J］.中國造紙學報，2010，25(1):75.

［4］MENG Yan-jing，QIN Bao-guo，GAO Cheng-yong.Influence of the Setting of DC Equipment Weakening Magnetic Point on Constant Tension Control System［J］.China Pulp ＆ Paper，2004，23(9):41.

孟彥京，秦報國，高承雍.直流裝置弱磁點的設置對恒張力控制系統的影響［J］.中國造紙，2004，23(9):41. CPP