变频调速张力控制及关键技术研究

朱钜録

（杭州电子科技大学自动化学院，杭州 310018）

1 我国变频调速技术发展现状

电气传动控制系统通常包含，电动机、控制装置与信息装置，其在运行中主要分为不调速与调速两种，而调速又分为交流调速与直流调速。其中，不调速电动机是通过电网供电，在电力电子技术全面推广的背景下，这类本来不调速的机械也开始引用调速传动，以此控制能源消耗，优化产品质量。通过分析实践案例可知，通常可以减少15%～20%的电能消耗，甚至是更多。现阶段，交流调速中发展较快,应用较多的就是变频调速技术。其优势主要包含以下几点：调速范围较为广泛，可以让普通异步电动机进行无级调速；启动电流小，且启动转矩大；启动平滑，可以抵消机械带来的冲击力，保护机械设施；可以保护电机，控制电机的维修费用支出；拥有较为明显的节电效果；依据调节电压和频率的关系更好的进行恒转矩或恒功率调速。

我国在发展中，有60%的发电量都是由电动机消耗的，因此调速传动是一项非常重要的工作。从二十世纪50年代中期兴起电气传动产业开始，到目前为止我国已经有200多家的公司、工厂和研究所的工作涉及变频调速。我国电机的总装机容量已经达到了4亿千瓦，年消耗电量也能达到6000亿千瓦，约占据工业耗电量的80%。与国外发达国家相比，我国用电机拖动系统的总体装备水平只处在他们上世纪50年代水平，时至今日，变频调速产品的生产与开发水平也只达到发达国家80年代水平。在改革开放以后，我国社会经济得到了有效提升，并形成了一个拥有巨大机遇的市场环境，国内很多合资公司开始生产国际所需的各类先进产品。

2 变频调速张力控制原理分析

张力控制系统中包含了放卷、牵引与收卷。张力控制系统是指以张力传感器与张力控制器为基础的一种系统集成，现阶段主要用在冶金、造纸与薄膜、织布等设施中，是一种可以达到恒张力或锥度张力控制的自动控制系统，主要用来进进行辊间的同步，收卷和放卷的均匀控制[1]。在张力闭环控制方案中结合变频器的工作方式可以划分为两种，一种是张力闭环速度控制，另一种是张力闭环转矩控制。在张力闭环速度控制中，又可以划分为张力闭环速度开环与张力闭环速度闭环。

3 变频调速张力控制模式

3.1 通用张力闭环速度控制

如图1所示，展现了通用张力闭环速度控制模式，主要是明确张力和反馈张力，依据PID调节器输出后，为变频器提供速度命令。变频器根据控制精度要求，可以工作在开环或闭环速度控制。这种形式的优势在于，采用PID调节可以直接对张力进行控制，操作原理容易，调试便捷。

图1 通用张力速度控制模型

3.2 改进张力闭环转速控制

如图2所示，展现了改进张力闭环转速控制的基本模式。在启动初期，以公式（1）为基础，通过整合初始卷径DO与线速度V，计算出速度命令为初值，与给定张力和反馈张力通过PID调节器输出合成作为收放卷变频器速度质量。在运行状态下，依据公式（2）明确实际速度wt和线速度V，计算此时卷径D，并实施滤波处理，而后结合公式（3），通过计算卷径D与线速度V获取的速度命令，与给定张力与反馈张力可以在PID调节器输出合成后，为收放卷变频器速度提供命令[2]。

图2 改进张力闭环速度控制模式

其中，以初始卷径DO与线速度V计算出的速度命令公式如式（1）所示。

依据系统现阶段运行线速度V与变频器输出频率获取卷筒卷径D如式（2）、式（3）所示。

式中，D为此时的卷径；而i为机械传动比；V为此时线速度；p为电机极对数。正确计算卷径是这一方案有效落实的重点。保障卷径计算的合理性，可以降低对PID参数的依赖性，控制调节量，优化系统稳定性，且通过实践案例分析可知，这一模式符合高速、小张力控制环境。除此之外，工作人员要注重在这一控制模式下，在张力控制系统上电第一次运行或收放卷换卷后，必须要对卷径进行复位。

3.3 张力闭环转矩控制模式

依据张力检测装置反馈张力信号和张力设定值形成PID闭环调节，合理改变变频器输出转矩命令，可以确保其拥有精确度更高的张力控制。另外，变频器工作在转矩控制模式下消耗的成本较高，因此符合高精度控制场合需求。

5 结语

通过分析当前变频调速张力系统应用的成功案例可知，以往只能用直流调速系统进行张力控制的工作可以用交流调速系统来操作。新时代发展背景下，企业对张力系统的研究越来越深，现代化技术理念的引用越来越多，所以，交流调速会以极快的速度占领市场，相信在不久的将来变频调速器的应用会越来越广泛。