變頻調(diào)速張力控制及關(guān)鍵技術(shù)研究

朱鉅録

（杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院，杭州 310018）

1 我國變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電氣傳動控制系統(tǒng)通常包含，電動機(jī)、控制裝置與信息裝置，其在運行中主要分為不調(diào)速與調(diào)速兩種，而調(diào)速又分為交流調(diào)速與直流調(diào)速。其中，不調(diào)速電動機(jī)是通過電網(wǎng)供電，在電力電子技術(shù)全面推廣的背景下，這類本來不調(diào)速的機(jī)械也開始引用調(diào)速傳動，以此控制能源消耗，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。通過分析實踐案例可知，通常可以減少15%～20%的電能消耗，甚至是更多。現(xiàn)階段，交流調(diào)速中發(fā)展較快,應(yīng)用較多的就是變頻調(diào)速技術(shù)。其優(yōu)勢主要包含以下幾點：調(diào)速范圍較為廣泛，可以讓普通異步電動機(jī)進(jìn)行無級調(diào)速；啟動電流小，且啟動轉(zhuǎn)矩大；啟動平滑，可以抵消機(jī)械帶來的沖擊力，保護(hù)機(jī)械設(shè)施；可以保護(hù)電機(jī)，控制電機(jī)的維修費用支出；擁有較為明顯的節(jié)電效果；依據(jù)調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系更好的進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速。

我國在發(fā)展中，有60%的發(fā)電量都是由電動機(jī)消耗的，因此調(diào)速傳動是一項非常重要的工作。從二十世紀(jì)50年代中期興起電氣傳動產(chǎn)業(yè)開始，到目前為止我國已經(jīng)有200多家的公司、工廠和研究所的工作涉及變頻調(diào)速。我國電機(jī)的總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了4億千瓦，年消耗電量也能達(dá)到6000億千瓦，約占據(jù)工業(yè)耗電量的80%。與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國用電機(jī)拖動系統(tǒng)的總體裝備水平只處在他們上世紀(jì)50年代水平，時至今日，變頻調(diào)速產(chǎn)品的生產(chǎn)與開發(fā)水平也只達(dá)到發(fā)達(dá)國家80年代水平。在改革開放以后，我國社會經(jīng)濟(jì)得到了有效提升，并形成了一個擁有巨大機(jī)遇的市場環(huán)境，國內(nèi)很多合資公司開始生產(chǎn)國際所需的各類先進(jìn)產(chǎn)品。

2 變頻調(diào)速張力控制原理分析

張力控制系統(tǒng)中包含了放卷、牽引與收卷。張力控制系統(tǒng)是指以張力傳感器與張力控制器為基礎(chǔ)的一種系統(tǒng)集成，現(xiàn)階段主要用在冶金、造紙與薄膜、織布等設(shè)施中，是一種可以達(dá)到恒張力或錐度張力控制的自動控制系統(tǒng)，主要用來進(jìn)進(jìn)行輥間的同步，收卷和放卷的均勻控制[1]。在張力閉環(huán)控制方案中結(jié)合變頻器的工作方式可以劃分為兩種，一種是張力閉環(huán)速度控制，另一種是張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制。在張力閉環(huán)速度控制中，又可以劃分為張力閉環(huán)速度開環(huán)與張力閉環(huán)速度閉環(huán)。

3 變頻調(diào)速張力控制模式

3.1 通用張力閉環(huán)速度控制

如圖1所示，展現(xiàn)了通用張力閉環(huán)速度控制模式，主要是明確張力和反饋張力，依據(jù)PID調(diào)節(jié)器輸出后，為變頻器提供速度命令。變頻器根據(jù)控制精度要求，可以工作在開環(huán)或閉環(huán)速度控制。這種形式的優(yōu)勢在于，采用PID調(diào)節(jié)可以直接對張力進(jìn)行控制，操作原理容易，調(diào)試便捷。

圖1 通用張力速度控制模型

3.2 改進(jìn)張力閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制

如圖2所示，展現(xiàn)了改進(jìn)張力閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制的基本模式。在啟動初期，以公式（1）為基礎(chǔ)，通過整合初始卷徑DO與線速度V，計算出速度命令為初值，與給定張力和反饋張力通過PID調(diào)節(jié)器輸出合成作為收放卷變頻器速度質(zhì)量。在運行狀態(tài)下，依據(jù)公式（2）明確實際速度wt和線速度V，計算此時卷徑D，并實施濾波處理，而后結(jié)合公式（3），通過計算卷徑D與線速度V獲取的速度命令，與給定張力與反饋張力可以在PID調(diào)節(jié)器輸出合成后，為收放卷變頻器速度提供命令[2]。

圖2 改進(jìn)張力閉環(huán)速度控制模式

其中，以初始卷徑DO與線速度V計算出的速度命令公式如式（1）所示。

依據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)階段運行線速度V與變頻器輸出頻率獲取卷筒卷徑D如式（2）、式（3）所示。

式中，D為此時的卷徑；而i為機(jī)械傳動比；V為此時線速度；p為電機(jī)極對數(shù)。正確計算卷徑是這一方案有效落實的重點。保障卷徑計算的合理性，可以降低對PID參數(shù)的依賴性，控制調(diào)節(jié)量，優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)定性，且通過實踐案例分析可知，這一模式符合高速、小張力控制環(huán)境。除此之外，工作人員要注重在這一控制模式下，在張力控制系統(tǒng)上電第一次運行或收放卷換卷后，必須要對卷徑進(jìn)行復(fù)位。

3.3 張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式

依據(jù)張力檢測裝置反饋張力信號和張力設(shè)定值形成PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，合理改變變頻器輸出轉(zhuǎn)矩命令，可以確保其擁有精確度更高的張力控制。另外，變頻器工作在轉(zhuǎn)矩控制模式下消耗的成本較高，因此符合高精度控制場合需求。

5 結(jié)語

通過分析當(dāng)前變頻調(diào)速張力系統(tǒng)應(yīng)用的成功案例可知，以往只能用直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行張力控制的工作可以用交流調(diào)速系統(tǒng)來操作。新時代發(fā)展背景下，企業(yè)對張力系統(tǒng)的研究越來越深，現(xiàn)代化技術(shù)理念的引用越來越多，所以，交流調(diào)速會以極快的速度占領(lǐng)市場，相信在不久的將來變頻調(diào)速器的應(yīng)用會越來越廣泛。