變頻調速張力控制及關鍵技術研究

朱鉅録

（杭州電子科技大學自動化學院，杭州 310018）

1 我國變頻調速技術發展現狀

電氣傳動控制系統通常包含，電動機、控制裝置與信息裝置，其在運行中主要分為不調速與調速兩種，而調速又分為交流調速與直流調速。其中，不調速電動機是通過電網供電，在電力電子技術全面推廣的背景下，這類本來不調速的機械也開始引用調速傳動，以此控制能源消耗，優化產品質量。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。現階段，交流調速中發展較快,應用較多的就是變頻調速技術。其優勢主要包含以下幾點：調速范圍較為廣泛，可以讓普通異步電動機進行無級調速；啟動電流小，且啟動轉矩大；啟動平滑，可以抵消機械帶來的沖擊力，保護機械設施；可以保護電機，控制電機的維修費用支出；擁有較為明顯的節電效果；依據調節電壓和頻率的關系更好的進行恒轉矩或恒功率調速。

我國在發展中，有60%的發電量都是由電動機消耗的，因此調速傳動是一項非常重要的工作。從二十世紀50年代中期興起電氣傳動產業開始，到目前為止我國已經有200多家的公司、工廠和研究所的工作涉及變頻調速。我國電機的總裝機容量已經達到了4億千瓦，年消耗電量也能達到6000億千瓦，約占據工業耗電量的80%。與國外發達國家相比，我國用電機拖動系統的總體裝備水平只處在他們上世紀50年代水平，時至今日，變頻調速產品的生產與開發水平也只達到發達國家80年代水平。在改革開放以后，我國社會經濟得到了有效提升，并形成了一個擁有巨大機遇的市場環境，國內很多合資公司開始生產國際所需的各類先進產品。

2 變頻調速張力控制原理分析

張力控制系統中包含了放卷、牽引與收卷。張力控制系統是指以張力傳感器與張力控制器為基礎的一種系統集成，現階段主要用在冶金、造紙與薄膜、織布等設施中，是一種可以達到恒張力或錐度張力控制的自動控制系統，主要用來進進行輥間的同步，收卷和放卷的均勻控制[1]。在張力閉環控制方案中結合變頻器的工作方式可以劃分為兩種，一種是張力閉環速度控制，另一種是張力閉環轉矩控制。在張力閉環速度控制中，又可以劃分為張力閉環速度開環與張力閉環速度閉環。

3 變頻調速張力控制模式

3.1 通用張力閉環速度控制

如圖1所示，展現了通用張力閉環速度控制模式，主要是明確張力和反饋張力，依據PID調節器輸出后，為變頻器提供速度命令。變頻器根據控制精度要求，可以工作在開環或閉環速度控制。這種形式的優勢在于，采用PID調節可以直接對張力進行控制，操作原理容易，調試便捷。

圖1 通用張力速度控制模型

3.2 改進張力閉環轉速控制

如圖2所示，展現了改進張力閉環轉速控制的基本模式。在啟動初期，以公式（1）為基礎，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調節器輸出合成作為收放卷變頻器速度質量。在運行狀態下，依據公式（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調節器輸出合成后，為收放卷變頻器速度提供命令[2]。

圖2 改進張力閉環速度控制模式

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。

依據系統現階段運行線速度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為機械傳動比；V為此時線速度；p為電機極對數。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參數的依賴性，控制調節量，優化系統穩定性，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，在張力控制系統上電第一次運行或收放卷換卷后，必須要對卷徑進行復位。

3.3 張力閉環轉矩控制模式

依據張力檢測裝置反饋張力信號和張力設定值形成PID閉環調節，合理改變變頻器輸出轉矩命令，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 結語

通過分析當前變頻調速張力系統應用的成功案例可知，以往只能用直流調速系統進行張力控制的工作可以用交流調速系統來操作。新時代發展背景下，企業對張力系統的研究越來越深，現代化技術理念的引用越來越多，所以，交流調速會以極快的速度占領市場，相信在不久的將來變頻調速器的應用會越來越廣泛。