0前言

變頻器(Variable-frequencyDrive，VFD)是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器技術(shù)實用化，商品投入市場，得到了廣泛應(yīng)用。最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美國和德國憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術(shù)的優(yōu)勢，高端產(chǎn)品迅速搶占市場。

自動恒張力控制器是通過接收兩只張力檢測器傳送的信號，經(jīng)控制器與設(shè)定張力比較，輸出控制磁粉離合器，制動器，力矩電機或伺服電機，實現(xiàn)自動控制放卷或收卷長尺寸大卷徑材料張力的設(shè)備。自動恒張力控制器的工作原理為兩只張力檢測器測量到實際目標(biāo)(即測量張力)，與人為設(shè)定設(shè)定所需的工作張力(即設(shè)定張力)相比較，如果兩個比較的張力相等時，張力控制器不調(diào)節(jié)輸出比例，而兩個比較的張力不等時，張力控制器將判斷測定張力大于或小于設(shè)定而相應(yīng)的減小或增大輸出比例，從而使測量張力與設(shè)定張力保持動態(tài)平衡來實現(xiàn)恒張力。

用變頻器做恒張力控制的實質(zhì)是閉環(huán)矢量控制，即加編碼器反饋。對收卷來說，收卷的卷經(jīng)是由小到大變化的，為了保證恒張力，所以要求電機的輸出轉(zhuǎn)距要由小到大變化。同時在不同的操作過程，要進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)距補償。即小卷啟動的瞬間、加速、減速、停車，大卷啟動時，要在不同卷經(jīng)時進行不同的轉(zhuǎn)距補償，這樣就能使得收卷的整個過程很穩(wěn)定，避免小卷時張力過大；大卷啟動時松紗的現(xiàn)象。

1張力控制變頻收卷的應(yīng)用及工藝要求

1.1普通收卷裝置現(xiàn)狀

紡織機械如：漿紗機、漿染聯(lián)合機、并軸機等設(shè)備都會有收卷的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的收卷都是采用機械傳動，因為機械的同軸傳動對于機械的磨損是非常嚴(yán)重的，據(jù)了解，用于同軸傳動部分的機械平均壽命基本上是一年左右。而且經(jīng)常要維護，維護的時候也是非常麻煩的,不僅浪費人力而且維護費用很高,給客戶帶來了很多的不便。尤其是紡織設(shè)備基本上是開機后不允許中途停車的，如發(fā)生意外情況需要停車會造成很大的浪費。在這種情況下，張力控制變頻收卷開始逐漸取代傳統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)。

（1）張力設(shè)定在人機上設(shè)定，人性化的操作，單位為力的單位：牛頓。

（2）使用先進的控制算法：卷徑的遞歸運算；空心卷徑激活時張力的線性遞加；張力錐度計算公式的應(yīng)用；轉(zhuǎn)矩補償?shù)膭討B(tài)調(diào)整等等。

（3）卷徑的實時計算，精確度非常高，保證收卷電機輸出轉(zhuǎn)矩的平滑性能好。并且在計算卷徑時加入了卷徑的遞歸運算，在操作失誤的時候，能自己糾正卷徑到正確的數(shù)值。

（4）因為收卷裝置的轉(zhuǎn)動慣量是很大的，卷徑由小變大時。如果操作人員進行加速、減速、停車、再激活時很容易造成爆紗和松紗的現(xiàn)象，將直接導(dǎo)致紗的質(zhì)量。而進行了變頻收卷的改造后，在上述各種情況下，收卷都很穩(wěn)定，張力始終恒定。而且經(jīng)過PLC的處理，在特定的動態(tài)過程，加入一些動態(tài)的調(diào)整措施，使得收卷的性能更好。

（5）在傳統(tǒng)機械傳動收卷的基礎(chǔ)上改造成變頻收卷，非常簡便而且造價低，基本上不需對原有機械進行改造。改造周期小，基本上兩三天就能安裝調(diào)試完成。

（6）克服了機械收卷對機械磨損的弊端，延長機械的使用壽命。方便維護設(shè)備。

選擇合理PLC的型號，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)起著重要作用。選擇機型的基本原則是在功能滿足要求的前提下，保證可靠，維護使用方便以及最佳功能價格比。

1.2張力控制變頻收卷的工藝要求

（1）在收卷的整個過程中都保持恒定的張力。張力的單位為：牛頓或公斤力。

（2）在啟動小卷時，不能因為張力過大而斷紗；大卷啟動時不能松紗。

（3）在加速、減速、停止的狀態(tài)下也不能有上述情況出現(xiàn)。

（4）要求將張力量化，即能設(shè)定張力的大?。Φ膯挝唬?，能顯示實際卷徑的大小。

2變頻收卷的控制原理

2.1卷徑的計算原理

根據(jù)：

V1=V2

可得收卷的卷徑。

V1=ω1*R1,V2=ω2*Rx。

因為在相同的時間內(nèi)由測長輥走過的紗的長度與收卷收到的紗的長度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt，Δn1*C1=Δn2*C2/i

上式：Δn1---單位時間內(nèi)牽引電機運行的圈數(shù)、Δn2---單位時間內(nèi)收卷電機運行的圈數(shù)、C1---測長輥的周長、C2---收卷盤頭的周長、i---減速比。

Δn1*π*D1=Δn2*π*D2/iD2=Δn1*D1*i/Δn2，

Δn2=ΔP2/P2

上式中：ΔP2---收卷編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)、P2---收卷編碼器的線數(shù)。

Δn1=ΔP1/P1

取Δn1=1，

即測長輥轉(zhuǎn)一圈，由霍爾開關(guān)產(chǎn)生一個信號接到PLC。

可得：

D2=D1*i*P2/ΔP2，

D2為收卷盤頭的卷徑。

2.2收卷的動態(tài)特性

要能保證收卷過程的平穩(wěn)性，不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車都能保證張力的恒定。需要進行轉(zhuǎn)矩的補償。整個系統(tǒng)要激活起來，首先要克服靜摩擦力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，簡稱靜摩擦轉(zhuǎn)矩，靜摩擦轉(zhuǎn)矩只在激活的瞬間起作用；正常運行時要克服滑動摩擦力產(chǎn)生地滑動摩擦轉(zhuǎn)矩，滑動摩擦轉(zhuǎn)矩在運行當(dāng)中一直都存在，并且在低速、高速時的大小是不一樣的。需要進行不同大小的補償，系統(tǒng)在加速、減速、停車時為克服系統(tǒng)的慣量，也要進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩補償，補償?shù)牧颗c運行的速度也有相應(yīng)的比例關(guān)系。在不同車速的時候，補償?shù)南禂?shù)是不同的。即加速轉(zhuǎn)矩、減速轉(zhuǎn)矩、停車轉(zhuǎn)矩、激活轉(zhuǎn)矩；克服了這些因素，還要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，通過計算出的實時卷徑除以2再乘以設(shè)定的張力大小，經(jīng)過減速比折算到電機軸。這樣就分析出了收卷整個過程的轉(zhuǎn)矩補償?shù)倪^程。總結(jié):電機的輸出轉(zhuǎn)矩=靜摩擦轉(zhuǎn)矩(激活瞬間)+滑動摩擦轉(zhuǎn)矩+負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

（1）在加速時還要加上加速轉(zhuǎn)矩；

（2）在減速時要減去減速轉(zhuǎn)矩。

（3）停車時，因為是通過程控減速至設(shè)定的最低速，所以停車轉(zhuǎn)矩的補償同減速轉(zhuǎn)矩的處理。

2.3轉(zhuǎn)矩補償標(biāo)準(zhǔn)

（1）靜摩擦轉(zhuǎn)矩的補償

因為靜摩擦轉(zhuǎn)矩只在激活的瞬間存在，在系統(tǒng)激活后就消失了。因此靜摩擦轉(zhuǎn)矩的補償是以計算后電機輸出轉(zhuǎn)矩乘以一定的百分比進行補償。

（2）滑動摩擦轉(zhuǎn)矩的補償

滑動摩擦轉(zhuǎn)矩的補償在系統(tǒng)運行的整個過程中都是起作用的。補償?shù)拇笮∫允站黼姍C的額定轉(zhuǎn)矩為標(biāo)準(zhǔn)。補償量的大小與運行的速度有關(guān)系。所以在程序中處理時，要分段進行補償。

（3）加減速、停車轉(zhuǎn)矩的補償

補償硬一收卷電機的額定轉(zhuǎn)矩為標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的補償系數(shù)應(yīng)該比較穩(wěn)定，變化不大

2.4公式計算

(1)已知空芯卷徑Dmin=200mm,Dmax=1200mm；線速度的最大值Vmax=90m/min,張力設(shè)定最大值Fmax=50kg(約等于500牛頓)；減速比i=9；速度的限制如下:因為:V=π*D*n/i(對于收卷電機)=>收卷電機在空芯卷徑時的轉(zhuǎn)速是最快的。所以:90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min；

(2)因為道變頻器工作在低頻時，交流異步電機的特性不好,激活轉(zhuǎn)矩低而且非線性。因此在收卷的整個過程中要盡量避免收卷電機工作在2HZ以下。因此:收卷電機有個最低速度的限制。計算如下:對于四極電機而言其同步轉(zhuǎn)速為:n1=60f1/p=>n1=1500r/min。=>2HZ/5HZ=N/1500=>n=60r/min。當(dāng)達到最大卷徑時,可以求出收卷整個過程中運行的最低速。V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1。2*60/9=25.12m/min。張力控制時,要對速度進行限制，否則會出現(xiàn)飛車。因此要限速。

(3)張力及轉(zhuǎn)矩的計算如下:如果F*D/2=T/I=>F=2*T*i/D對于22KW的交流電機,其額定轉(zhuǎn)矩的計算如下:T=9550*P/n=>T=140N。m。所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N。(其中P為額定功率,n為額定轉(zhuǎn)速)。

2.4變頻器調(diào)試

（1）先對電機進行自整定，將電機的定子電感、定子電阻等參數(shù)讀入變頻器。

（2）將編碼器的信號接至變頻器，并在變頻器上設(shè)定編碼器的線數(shù)。然后用面板給定頻率和啟停控制，觀察顯示的運行頻率是否在設(shè)定頻率的左右波動。因為運用死循環(huán)矢量控制時，運行頻率總是在參考編碼器反饋的速度，最大限度的接近設(shè)定頻率，所以運行頻率是在設(shè)定頻率的附近震蕩的。

（3）在程序中設(shè)定空芯卷徑和最大卷徑的數(shù)值。通過前面卷徑計算的公式算出電機尾部所加編碼器產(chǎn)生的最大脈沖量（P2）和最低脈沖量(P2)。通過算出的最大脈沖量對收卷電機的速度進行限定，因為變頻器用作張力控制時，如果不對最高速進行限定，一旦出現(xiàn)斷紗等情況，收卷電機會飛車的。最低脈沖量是為了避免收卷變頻器運行在2Hz以下，因為變頻器在2Hz以下運行時，電機的轉(zhuǎn)距特性很差，會出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象。

（4）通過前面分析的整個收卷的動態(tài)過程，在不同卷徑和不同運行速度的各個階段，進行一定的轉(zhuǎn)距補償.補償?shù)拇笮?，可以以電機額定轉(zhuǎn)距的百分比來設(shè)定。

3恒張力控制.

自動張力控制器，主要由張力檢測器，高精度A/D，D/A轉(zhuǎn)換器，高性能單片機等組成。該自動恒張力控制器是根據(jù)張力檢測器測量到卷料的張力與設(shè)定的目標(biāo)張力相比較后，經(jīng)單片機PID運算自動調(diào)整D/A輸出從而改變磁粉離合，制動器的勵磁電流或伺服電機的轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)卷料的恒張力，可廣泛用于各種需對張力進行精密測控的場合，具有使用靈活和廣泛的適用性。特點:1.液晶顯示器可選擇中文或英文顯示2.自動與手動切換簡單方便3.張力檢測器布線簡單方便4.便捷的參數(shù)設(shè)置5.帶雙工位換軸輸出功能參數(shù):測量精度:<±1牛頓采樣速度:100毫秒主輸出方式:DC0-3A恒電流輸出(適配負(fù)載阻抗8-12Ω)輔助輸出:DC0-5V(MAX10MA)模擬量信號輸出外形尺寸:245×155×140(mm)(寬×高×深)安裝尺寸:230×150×120(mm)(寬×高×深)電源:AC180-245V50/60Hz。所謂的張力控制，通俗點講就是要能控制電機輸出多大的力，即輸出多少牛頓。反應(yīng)到電機軸即能控制電機的輸出轉(zhuǎn)距。

真正的張力控制不同于靠前后兩個動力點的速度差形成張力的系統(tǒng)，靠速度差來調(diào)節(jié)張力的實質(zhì)是對張力的PID控制，要加張力傳感器。而且在大小卷啟動、停止、加速、減速、停車時的調(diào)節(jié)不可能做到象真正的張力控制的效果，張力不是很穩(wěn)定?？隙〞绊懮a(chǎn)出產(chǎn)品的質(zhì)量。

4變頻收卷對變頻器性能的要求

（1）變頻收卷的實質(zhì)是要完成張力控制，即能控制電機的運行電流，因為三相異步電機的輸出轉(zhuǎn)距T=CmφmIa，與電流成正比。并且當(dāng)負(fù)載有突變時能夠保證電機的機械特性曲線比較硬.所以必須用矢量變頻器，而且必須要加編碼器死循環(huán)控制。

（2）市場上能進行張力控制變頻收卷的變頻器主要有:安川、艾默生、倫次等。艾默生TD3300就是一款收放卷專用的變頻器，臺達V+系列的變頻器正在推出自己的收放卷專用的變頻器，總結(jié)收放卷專用變頻器的很多主要功能和參數(shù)并且加入了自己的算法，具有自己的特點，加上臺達在全國的聯(lián)保服務(wù)能夠解決客戶的后顧之憂。應(yīng)該是客戶不錯的選擇。

5結(jié)論

本文對變頻器和張力控制器設(shè)計進行了詳細(xì)的說明，并對張力控制變頻收卷的控制原理進行了介紹，目前此控制系統(tǒng)能夠使得在紡織行業(yè)中收卷的整個過程運行平穩(wěn)，有效的避免小卷時張力過大；大卷啟動時松紗的現(xiàn)象。

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