矢量變頻器是以磁場監(jiān)控、智能控制等現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)直接控制力矩的，其內(nèi)藏電流矢量控制功能可以實(shí)現(xiàn)高力矩控制、高精度速度性能。由于在變頻器設(shè)計中采用了最新的磁場監(jiān)控、智能控制、抗干擾控制，使控制性能大幅度提高。變頻矢量控制通過對電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，可以以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行，并適用很多直流傳動的場合，如造紙、冶金、紡織等。 本文介紹的是矢量變頻器在冶金工業(yè)中的一個應(yīng)用，即電池鋅板生產(chǎn)線的變頻控制系統(tǒng)。該生產(chǎn)線主要用于電池鋅筒、鋅餅的生產(chǎn)，是將熔融的鋅液經(jīng)過連續(xù)鑄造，并通過軋機(jī)一次壓制成成品，然后送后道工序沖裁成鋅餅，最后沖裁成鋅筒。其主要規(guī)格按照成品鋅板寬度來決定傳動功率的配置，主要由鑄造機(jī)、托輥、軋機(jī)、電控系統(tǒng)等組成。 變頻控制系統(tǒng) 由于目前矢量變頻器低頻或零頻都具有滿載啟動功能，因此可以替代直流傳動應(yīng)用在需要卡死再啟動的軋機(jī)上，或者是卷徑變化大導(dǎo)致轉(zhuǎn)速變化也大的中心收卷上以及低速高轉(zhuǎn)矩的鑄造機(jī)上。 變頻控制系統(tǒng)的構(gòu)成 在電池鋅板生產(chǎn)線中，從鑄造機(jī)中出來的熱鋅板，經(jīng)過軋制后，再進(jìn)行收卷，其中收卷工位為2個， 以保證連續(xù)生產(chǎn)。在通常情況下，軋機(jī)的主速度是跟隨鑄造的速度信號而變化，且可以同時進(jìn)行比例微調(diào)，收卷為1臺矢量變頻器控制2臺不同工位但電機(jī)參數(shù)一致的異步變頻電機(jī)（由于卷徑變化大必須采用變頻專用電機(jī)）。如圖1所示，包括鑄造機(jī)變頻器VF1、軋機(jī)變頻器VF2、中心收卷變頻器VF3、可編程控制器PLC系統(tǒng)組成。由于VF3變頻器涉及到2臺異步電機(jī)的切換，不能采用帶PG閉環(huán)方式，而采用無傳感器矢量控制方式。在該系統(tǒng)中，PLC根據(jù)工藝需要來輸出都是由所有的速度給定，并同時從各個變頻器中讀取速度、電流、轉(zhuǎn)矩等信號，以做控制或顯示用。PLC程序的主要任務(wù)是：處理起停連鎖、故障報警、速度控制以及顯示等。 矢量變頻器在軋機(jī)上的應(yīng)用 圖2所示為3個變頻傳動的雙閉環(huán)（速度環(huán)V-控制和電流環(huán)I-控制）原理，其中鑄造機(jī)的速度為主機(jī)速度，從PLC設(shè)定V主機(jī)獲得，并同時將反饋的實(shí)際速度V鑄造作為軋機(jī)傳動的一個跟隨信號，然后結(jié)合在PLC系統(tǒng)設(shè)定的比例微調(diào)信號V速差作為軋機(jī)傳動的速度給定。 收卷變頻及其控制 目前成熟的收卷主要以被動收卷或是以直流調(diào)速器控制的中心收卷，而交流變頻器在中心收卷中的應(yīng)用并沒有普及，究其原因在于收卷的控制難度和復(fù)雜性。經(jīng)典的收卷都是采用張力閉環(huán)，它是通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力的設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，然后調(diào)整變頻器的輸出頻率命令（速度模式）或輸出轉(zhuǎn)矩指令（轉(zhuǎn)矩模式）。此方案可適用于高精度的張力收卷場合，但對于要求不嚴(yán)格、又要求性價比高的收卷來說，這里可以比較實(shí)用的矢量變頻器限轉(zhuǎn)矩方法，可以省去張力傳感器、PID控制器，而只需要簡單的變頻器加PLC控制即可。在變頻器的矢量控制中，頻率指令和實(shí)際速度的比較值通過一個速度調(diào)節(jié)器ASR后再進(jìn)行轉(zhuǎn)矩限定，最后來控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩，限轉(zhuǎn)矩的作用就是用來限定速度調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩電流，將直接限制變頻器的輸出頻率。對于收卷而言，隨著卷徑的逐漸增大，速度將慢慢減小而轉(zhuǎn)矩值也隨之增大，這時主要控制限轉(zhuǎn)矩的值就可以基本上保證轉(zhuǎn)矩的值的精度。在圖2中，我們輸出Rp信號就是限轉(zhuǎn)矩的值。至于Rp的值可以由多種方式獲得，包括卷徑估算、經(jīng)驗(yàn)值曲線法等。 變頻控制的調(diào)試 電池鋅版生產(chǎn)線的變頻控制系統(tǒng)是一個較復(fù)雜的傳動系統(tǒng)，必須分步進(jìn)行調(diào)試，包括變頻器調(diào)試、PLC調(diào)試、生產(chǎn)試運(yùn)行三個步驟。 變頻器調(diào)試 變頻器的調(diào)試主要是電機(jī)參數(shù)自辨識，重點(diǎn)檢查變頻器辨識出的電機(jī)的空載電流，如檢測出的電機(jī)空載電流應(yīng)在電機(jī)額定電流的30%～50%范圍內(nèi)，這對矢量控制的變頻器尤其重要。由于矢量控制是著眼于轉(zhuǎn)子磁通來控制電機(jī)的定子電流，因此在其內(nèi)部的算法中大量涉及到電機(jī)參數(shù)。從圖3的異步電動機(jī)的T型等效電路中可以看出，電機(jī)除了常規(guī)的參數(shù)如電機(jī)極數(shù)、額定功率、額定電流外，還有R1（定子電阻）、X11（定子漏感抗）、R2（轉(zhuǎn)子電阻）、X21（轉(zhuǎn)子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空載電流）。關(guān)于參數(shù)辨識，分電機(jī)靜止辨識和旋轉(zhuǎn)辨識2種。靜止辨識時，變頻器能自動測量并計算定子和轉(zhuǎn)子電阻以及相對于基本頻率的漏感抗，并同時將測量的參數(shù)寫入；旋轉(zhuǎn)辨識時，變頻器自動測量電機(jī)的互感抗和空載電流。在參數(shù)辨識中，必須注意：①若旋轉(zhuǎn)辨識時出現(xiàn)過流或過壓故障，可適當(dāng)改變加減速時間；②旋轉(zhuǎn)辨識只能在空載中進(jìn)行；③辨識前必須正確輸入電機(jī)銘牌上的參數(shù)。當(dāng)然，變頻器的基本調(diào)試還包括其他應(yīng)該設(shè)置的參數(shù)和初步帶載試運(yùn)行。在模擬量設(shè)定轉(zhuǎn)矩限值時，需要注意模擬量輸入端子的信號電平、增益和偏置。 PLC程序調(diào)試 PLC程序主要負(fù)責(zé)：①鑄造傳動的速度給定，并讀取該傳動的速度、電流、轉(zhuǎn)矩信號；②根據(jù)鑄造速度來決定軋機(jī)傳動的速度給定，并讀取該傳動的速度、電流、轉(zhuǎn)矩信號；③處理收卷傳動的切換，即從工位1到工位2之間互換時速度給定和轉(zhuǎn)矩限幅的給定。 生產(chǎn)試運(yùn)行 在生產(chǎn)試運(yùn)行中，必須控制好整個鑄造的工藝流程，包括溫度的控制（熔煉爐爐溫控制在470～510℃、鑄造溫度為435～470℃）、速度的控制和轉(zhuǎn)矩的限值等。在帶載試生產(chǎn)中，須根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況修正各類系數(shù)，以確保鑄造與軋機(jī)的速度協(xié)調(diào)、軋機(jī)的軋制效果和收卷過程的張力平穩(wěn)，直至達(dá)到要求。在用戶現(xiàn)場測試，將鑄造鋅板厚度D=13mm軋制到D=2.9～7.3mm時，軋機(jī)的控制相當(dāng)平穩(wěn)，且軋制的表面光潔、無氣孔、無渣，收卷緊松適當(dāng)、無散卷現(xiàn)象、張力恒定。