TD3300变频器在干式复合机中心收卷中的应用

卷取是一种常见的控制系统，广泛应用于造纸、印刷、染织等生产过程中的后续工作，以制成半成品或成品卷筒物。卷取的方式常见的有2种:摩擦卷取和中心卷取。前者对机械的要求复杂，而且卷取的效果受摩擦辊的影响很大，包括物料的光泽度、端面情况、松紧度等都会在卷取工艺中变差。后者在机械程度上很简单，卷取时只受到自重的影响，卷取的效果自然好许多，然而长期以来中心卷取的控制系统只能在直流控制或磁粉控制二者中进行选择，控制的成本很难降低。 如何降低收卷系统的控制成本呢？很多人都会想到交流变频器，的确交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电以及在国民经济领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的调速方式。直流调速系统在电机传动的发展史上占有重要的地位，但由于直流电机存在维护难、抗环境能力差等原因，到了目前已严重制约了设备整机的性能价格比。而变频调速技术能最大程度上发挥了交流电机本身固有的优点(结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等)，再加上变频调速理论业已形成一门相对独立的学科，变频调速技术的全面应用时代已经到来。 本文就TD3300变频器在干式复合机中心卷取的应用做进一步的阐述。 2 干式复合机中心卷取的变频控制 干式复合机是处理塑料薄膜工艺中(如薄膜印刷)的一个重要设备，如图1所示。本系统中，薄膜卷通过放卷架，进入牵引辊后，在复合控制箱中进行加热处理，再与另外一层薄膜进行复合，最后由收卷电机进行收卷。 为了控制前后的张力稳定，薄膜放卷采用磁粉离合器，然后通过浮动辊的信号来调节牵引电机和复合辊电机的速度同步，最后由中心卷取系统来完成收卷过程。在中心卷取的过程中，随着卷径的不断增加，收卷电机的速度必须不断减少，同时又要保证薄膜的张力相对平稳。对于收卷系统而言，进行张力控制是核心技术，也是变频调速的难点。 目前，在中心卷取中最常用的是以下2种控制方式:(1)速度控制卷取(SPW)，用PID通过测力传感器的张力反馈，或调节辊的位置反馈，来修正速度给定;(2)电流控制卷取(CPW)，用PID调节张力给定，这一类型的控制一般是开环的。 对如此复杂的张力控制系统，变频技术必须能克服以下4个技术问题:(1)将复杂的交流异步电机的数学模型简单化;(2)考虑到张力反馈信号的延后和超调;(3)将卷绕张力控制过程的动态参数描述成时变函数;(4)保证张力或转矩闭环的抗波动能力高和即时调节性好。 通常情况下，具有张力控制的变频控制系统，是建立在对变频器、电机和张力对象的数学模型研究的基础上，它包括(1)Ud～Id之间的传递函数;(2)Id～M之间的传递函数;(3)转矩M～转速n之间的传递函数;(4)控制电压Uk～变频器输出电压Ud之间的传递函数;(5)物料张力的动态数学模型。在一般情况下，张力专用的变频器由直径、转矩补偿和速度计算等模块组成。 3 TD3300变频器在干式复合机中的应用 TD3300张力控制专用变频器是艾默生网络能源有限公司的最新产品，它具有TD3000矢量变频器的所有高性能，同时又可实现张力闭环控制和张力开环控制，以满足各种卷取要求。 3.1 TD3300变频器的卷取控制功能 (1)各种卷径的计算，包括线速度计算、绕圈计算、模拟设定、上位机给定等;(2)卷径模拟输出，实现人机友好交互功能;(3)多种线速度测量方式，包括脉冲输入、模拟输入、数字输入等;(4)实现张力锥度的设定;(5)实现转矩补偿的功能，如弯曲力矩补偿、静态力矩补偿、惯性力矩补偿等;(6)具有自动换卷逻辑功能，实现在线换卷功能。 3.2 TD3300张力控制变频器的4种张力控制方式 (1)张力闭环控制(需要张力传感器、增加成本、控制精度最高);(2)间接张力控制一(需要卷径传感器、增加成本、控制精度较高);(3)间接张力控制二(成本较低、控制精度较高);(4)间接张力控制三(成本较低、控制精度差)。此四种方案的配置主要是考虑系统的张力控制精度要求、系统的成本要求等，用户可以根据实际情况决定采用哪种张力控制方式。 3.3 4种张力控制原理和应用 (1) 张力闭环控制 对于张力控制精度要求较高的场合，如轧卷染色机，它需要通过张力检测辊的输出张力信号来构成张力闭环控制，对于变频器来说采用速度控制方案和PID闭环控制。 (2) 间接张力控制一 它通过卷径传感器测量的卷径模拟信号进入变频器的模拟输入口，而变频器则根据测量的卷径进行张力控制。这里，卷径是通过测量而不是通过计算而得，因此张力控制的精度相对较高。 (3) 间接张力控制二 在线速度可以检测的场合，可以采用此法，通过检测到的线速度及电机角速度计算卷径，从而控制张力。通常应用在如干式复合机、拉幅定型机等收卷系统中。 (4) 间接张力控制三 当对张力的控制精度要求不高，卷绕菜鸟的厚度已知且变化不频繁的情况下，可以采用厚度累积法计算卷径，实现间接张力控制。 图2所示为TD3300变频器在干式复合机收卷系统中的配置原理，这里选用了经济而实用的间接张力控制二，即卷径采用模拟量输入线速度计算法的方案。由于收卷电机的前级为复合辊电机M2，也为变频器控制，它能通过模拟量口输出0－10V或4－20mA信号，与线速度成比例，即0V为0速，10V为最高线速度。因此，通过此信号，张力变频器TD3300就能正确地计算出卷径信号(D=S×V/N公式具体见下)，从而利用变化的卷径开环控制转矩输出值来保持恒张力控制。 在该方案中，复合辊电机的线速度通过AI3口进入变频器TD3300，张力设定值(零速张力设定和正常张力设定)通过高精度电位器输入到AI1、AI2口。在输入端子功能中，包括启动停止命令、卷径复位命令、PG接口;在输出端子功能中，包括直径数字显示、张力数字显示、故障灯指示、卷径达到指示。 本系统中卷径的计算公式如下:D＝S×V / N (D为卷径，S为定常系数，V为检测到的线速度，N为收卷电机的实际运行转速)。为保证卷径计算的准确性，必须注意: (1) V的准确性 因为AI3输入的0-0V信号对应于0-卷取控制时的最高线速度，因此必须准确求出该最高线速度值。 (2) N的准确性 N的准确性来源于PG编码器的信号和收卷电机减速器的传动比，因此根据PG和减速器的铭牌正确输入参数至关重要。 (3) 卷径计算滤波时间 为保证在加减速和零速时正确地计算卷径，必须尽可能延长卷径计算滤波时间，一般取5s为宜。 这里设定张力的数值有2个，即零速张力和正常张力，前者是零速绷紧的设定张力，后者是正常收卷中的张力。前者的目的是保持薄膜卷在低速运转或停止时，变频器停止卷径计算，按照零速设定张力进行作用，目的是为了保证张力的恒定。张力的信号通过模拟电位器输入到变频器，是一种简单而实用的办法，能让操作者根据不同的材质、不同的幅宽正常设置。 当然，这里还需涉及到张力锥度系数的设定和张力补偿的问题。锥度系数是用于修正卷绕过程中由于卷径变化的张力，避免卷筒内松外紧的现象，其计算公式如下:F＝F0×(1-K×(1-D0/D))。F为实际张力，F0为设定张力，K为张力锥度系数，D0为初始卷径，D为卷径。张力补偿包括静态补偿和动态补偿2种，静态补偿主要是摩擦力补偿，动态补偿则考虑到由于卷径的转动惯量随D的增大而增大的影响。 为保证操作者的正常使用，TD3300变频器具有直径信号、张力信号模拟量输出值，因此可以方便地外接数显表来实时显示。同时卷径达到指示方便操纵者换卷和卷径复位。 4 TD3300变频器的调试步骤和经验 TD3300变频器由于是张力控制专用的矢量型变频器，因此在实际调试中必须遵循一定的步骤，以获取最满意的结果。以下是本机的调试步骤: (1) 参数初始化 变频器在初次运行的情况下，建议设置功能码F0.12进行参数初始化操作后，再进行操作。 (2) 正确设置变频器和电机的极限参数、保护参数、保护方式等。 正确设置的目的是为了保证电机调谐的正常进行，必须务必将电机的铭牌参数输入进去。同时为了保证控制性能，电机与变频器功率等级应匹配配置，一般只允许比变频器小两级或大一级。 (3) 自动调谐对电机进行空载调谐，获取电机的基本数据 在选择矢量控制方式第一次运行前，要进行电机自动调谐，以获得被控电机的准确电气参数。此时必须确保拖开与机械负载的连接，使电机完全处于空载状态。 按F1.10=1 确认 ，并按键盘的RUN键，进行调谐。 调谐结束后，观察电机调谐的参数时候在合理范围内。 如本次调谐结果如下: F1.11 定子电阻 0.686欧姆 F1.12 定子电感 104.6毫亨 F1.13 转子电阻 0.610欧姆 F1.14 转子电感 104.6毫亨 F1.15 互感 98.6毫亨 F1.16 空载激磁电流 6.7A (4) 测试闭环运行 根据编码器的铭牌，设置好Fb的各种参数，在本例中设置如下: Fb.00 编码脉冲数 600 Fb.01 PG方向选择 反向 Fb.02 PG断线选择 自由停机 Fb.03 PG断线检测 0.2s Fb.04 零速检测值 0 在本例中，编码器只用到A、B、Z三相中的A和B相，电源和OV，PE等5线，并将变频器的CN4跳线设为OCI。 (5) 静态测试 静态测试的目的是获得静态力矩补偿系数，这是为了对卷取过程中由于摩擦力而产生的力矩进行补偿。 在本例中，获得Fc.10 = 3% (6) 设定必要的张力参数 主要包括张力控制方式和一些张力设置值。 F3.06 张力控制 4:绝对有效 F8.00 卷取模式 0 收卷模式 F8.01 电机额定转矩 52.5N·m F8.02 传动比 2.53 F8.03 张力设定选择 2:AI2设定(电位器设定) F8.05 最大张力 1000N F8.06 零速张力设定 1:AI1设定(电位器设定) F8.08 张力锥度系数 0数字设定 F8.10 卷径来源选择 0 线速度计算法 F8.11 最大卷径 700mm F8.12 空心卷径 95mm F8.13 初始卷径选择 0:数字设定 F8.14 初始卷径设定 95mm F8.15 张力方向设定 0:正向 Fc.00 线速度选择 3:AI3设定 Fc.03 最高线速度 95m/min Fc.04 最低线速度 40m/min Fc.0