冶金工業的變頻器應用與維護（六）

浙江工商職業技術學院 李方園

1 引言

金屬制品是冶金工業中的重要一環，但在我國該行業卻是一個薄弱環節，機械、電氣設備陳舊，阻礙了行業的發展。常見的拉絲機包括直進式、活套式、滑輪式和水箱式幾種，在以前通常都采用直流電機或發電機－電動機組（F-D系統）來實現，現在隨著工藝技術的進步和變頻器的大量普及，變頻控制開始在各式拉絲機中大量使用，并可通過PLC來實現拉拔品種設定、操作自動化、生產過程控制、實時閉環控制、自動計米等功能。

2 三墾變頻器在水箱式拉絲機中的應用

水箱式拉絲機有簡易水箱和翻轉水箱式兩種，適宜拉拔中細規格的各種金屬線材，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。該裝置的工藝數據如下：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運轉時為703m/min；卷取線軸內徑Φ280mm、外徑Φ390mm；張力架采用上下滑動的配重式張力架，扇形同軸電位器輸出信號范圍0～10V；張力基準約2kg。

圖1 水箱式拉絲設備簡圖

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

圖2 張力架高速補償功能

3 艾默生變頻器在銅線細伸機中的應用

如圖3所示，某銅線細伸機中的n級拉伸共用一臺11kW電機拖動，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，整個拉伸系統各級之間依靠拉伸輪的轉速差別和線上張力傳遞來控制同步協調工作。工作時需用冷卻油進行散熱。繞圈部分用一臺3.7kW電機拖動，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，則第n級拉伸輪上的摩擦力就會波動，依此類推，整個拉伸系統就處于波動狀態，拉出的銅絲質量會變差，甚至由于打滑將銅絲磨斷。

圖3 銅線細伸機

在控制系統設計過程中，拉絲機的主驅動選用愛默生TD300011kW變頻器，采用端子控制、模擬速度設定，模擬輸出端子AO1設定為運行頻率輸出，用來作為收線變頻器的頻率主給定和線速度反饋信號。可編程繼電器設為零速到達信號輸出，控制系統的抱閘，X1端子設定為自由停車端子，用做非正常情況下的停機信號。運行方式采用開環矢量控制，具有低頻轉矩大，運行平穩的特性，運行前先要對電機進行自動參數調諧。控制接線圖如圖4所示。

圖4 拉絲機控制接線圖

收線部分是系統控制的難點，對整個拉絲機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。現場實驗時拉的銅線線徑只有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，因為慣量轉矩遠遠大于張力轉矩，所以用張力開環的方式行不通，而用張力反饋進行PID調節頻率的方式，在加減速過程中很難快速跟隨。根據以上情況，采用通過11kW主驅動變頻器的運行頻率和收線卷的卷徑計算出同步跟蹤頻率作為主給定頻率，用張力反饋信號進行PID運算作為輔助調節頻率的方案。11kW的一個模擬輸出端口設定為運行頻率輸出，信號為0~20mA，對應0到最大頻率，接到3.7kW模擬輸入口AI2，3.7kW變頻器的AI2改變跳線為電流設定，輸入0~20mA對應0到最大頻率，最大頻率設為主驅動最大頻率時對應的收線電機在空卷時的頻率。卷徑來源選用線速度卷徑計算法，線速度的來源也用11kW的模擬輸出，用AI2輸入，0~20mA對應0到最大線速度，最大線速度設為主驅動電機最大頻率時對應的收線線速度。線速度較低時，卷徑計算的誤差會比較大，所以應將最低線速度設為比較合理的值，當線速度低于設定的最低線速度時，卷徑將保持，而不再進行計算，此時的卷徑變化非常慢，所以不會有影響。

4 匯川變頻器在直進式拉絲機中的應用

直進式拉絲機是拉絲機中最難控制的一種，由于它是多臺電機同時對金屬絲進行拉伸，作業的效率很高。不象以前經常遇到的水箱拉絲機和活套式拉絲機，允許金屬絲在各道模具之間打滑。同時它對電機的同步性以及動態響應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，比較容易在作業過程中拉斷。

某系統共有8臺11kW變頻器。系統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，因此這臺電機不需要特別的控制。拉絲部分共有六個直徑400mm的轉鼓。每個轉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，當絲拉得緊的時候，絲會在擺臂的氣缸上面產生壓力使得擺臂下移。最終是收卷電機，該部分采用自行滑動的錐形支架，整個過程卷徑基本不變化，因此不需要用到卷徑計算功能。8臺電機功率采用變頻專用電機，同時帶有機械制動裝置。

圖5 直進式拉絲機控制示意

如圖5所示，直進式拉絲機變頻控制的工作原理是：根據操作工在面板設定決定作業的速度，該速度的模擬信號進入PLC，PLC考慮加減速度的時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動、穿絲等一些作業的需要。PLC輸出的模擬電壓信號同時接到所有變頻器的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的轉鼓驅動變頻器作為PID控制的反饋信號。根據擺臂在中間的位置，自己設定一個PID的給定值。這個系統是非常典型的帶前饋的PID控制系統，一級串一級，PID作為微調量。

之所以選擇匯川MD320變頻器，就在于它能輕松實現主速度跟隨加PID微調的功能，而無須額外的控制板。在本系統中參數設置如下：

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給定源為數字鍵盤給定

FA-01=4：PID的設定值（該值的基準值為系統的反饋量）

FA-02=0：PID的反饋值AI1

FA-03=0：PID的作用方向（當反饋信號大于PID的給定時，要求變頻器頻率輸出下降，才能達到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

由于系統的穩定在很大程度上取決于PID作用，因此對其參數的整定必須考慮周全，應將低速、高速、升速和降速等情況都予以考慮。另外在本系統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 結語

拉絲機系統在采用變頻器且優化參數值之后，設備試機時速度非常穩定，完全解決了原來采用同步板高速度下面不穩的問題。通過各種工況下的對比測試，和采用直流驅動器的拉絲機性能一樣，同時設備效率可以大大提高到90%~95%、節電率為20%~40%左右。

總之，采用交流變頻控制拉絲機，其自動化程度高、操作方便、拉拔的產品質量高。

[1] 李方園. 變頻器行業應用實踐[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2] 變頻器在水箱式拉絲機中的應用.www.ca800.com.

[3] 變頻器在銅線細伸機中的應用,www.ca800.com.

[4] 變頻器在直進式拉絲機中的應用,www.ca800.com.