变频矢量控制在电池生产线中的应用

作者：李方园 王宏

欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 矢量变频器是以磁场监控、智能控制等现代控制理论为基础直接控制力矩的，其内藏电流矢量控制功能可以实现高力矩控制、高精度速度性能。由于在变频器设计中采用了最新的磁场监控、智能控制、抗干扰控制，使控制性能大幅度提高。变频矢量控制通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，可以以很高的控制精度进行宽范围的调速运行，并适用很多直流传动的场合，如造纸、冶金、纺织等。 本文介绍的是矢量变频器在冶金工业中的一个应用，即电池锌板生产线的变频控制系统。该生产线主要用于电池锌筒、锌饼的生产，是将熔融的锌液经过连续铸造，并通过轧机一次压制成成品，然后送后道工序冲裁成锌饼，最后冲裁成锌筒。其主要规格按照成品锌板宽度来决定传动功率的配置，主要由铸造机、托辊、轧机、电控系统等组成。 变频控制系统 由于目前矢量变频器低频或零频都具有满载启动功能，因此可以替代直流传动应用在需要卡死再启动的轧机上，或者是卷径变化大导致转速变化也大的中心收卷上以及低速高转矩的铸造机上。 变频控制系统的构成 在电池锌板生产线中，从铸造机中出来的热锌板，经过轧制后，再进行收卷，其中收卷工位为2个， 以保证连续生产。在通常情况下，轧机的主速度是跟随铸造的速度信号而变化，且可以同时进行比例微调，收卷为1台矢量变频器控制2台不同工位但电机参数一致的异步变频电机(由于卷径变化大必须采用变频专用电机)。如图1所示，包括铸造机变频器VF1、轧机变频器VF2、中心收卷变频器VF3、可编程控制器PLC系统组成。由于VF3变频器涉及到2台异步电机的切换，不能采用带PG闭环方式，而采用无传感器矢量控制方式。在该系统中，PLC根据工艺需要来输出都是由所有的速度给定，并同时从各个变频器中读取速度、电流、转矩等信号，以做控制或显示用。PLC程序的主要任务是：处理起停连锁、故障报警、速度控制以及显示等。 矢量变频器在轧机上的应用 图2所示为3个变频传动的双闭环(速度环V-控制和电流环I-控制)原理，其中铸造机的速度为主机速度，从PLC设定V主机获得，并同时将反馈的实际速度V铸造作为轧机传动的一个跟随信号，然后结合在PLC系统设定的比例微调信号V速差作为轧机传动的速度给定。 收卷变频及其控制 目前成熟的收卷主要以被动收卷或是以直流调速器控制的中心收卷，而交流变频器在中心收卷中的应用并没有普及，究其原因在于收卷的控制难度和复杂性。经典的收卷都是采用张力闭环，它是通过张力检测装置反馈张力信号与张力的设定值构成PID闭环，然后调整变频器的输出频率命令(速度模式)或输出转矩指令(转矩模式)。此方案可适用于高精度的张力收卷场合，但对于要求不严格、又要求性价比高的收卷来说，这里可以比较实用的矢量变频器限转矩方法，可以省去张力传感器、PID控制器，而只需要简单的变频器加PLC控制即可。在变频器的矢量控制中，频率指令和实际速度的比较值通过一个速度调节器ASR后再进行转矩限定，最后来控制变频器的输出转矩，限转矩的作用就是用来限定速度调节器输出的转矩电流，将直接限制变频器的输出频率。对于收卷而言，随着卷径的逐渐增大，速度将慢慢减小而转矩值也随之增大，这时主要控制限转矩的值就可以基本上保证转矩的值的精度。在图2中，我们输出Rp信号就是限转矩的值。至于Rp的值可以由多种方式获得，包括卷径估算、经验值曲线法等。 变频控制的调试 电池锌版生产线的变频控制系统是一个较复杂的传动系统，必须分步进行调试，包括变频器调试、PLC调试、生产试运行三个步骤。 变频器调试 变频器的调试主要是电机参数自辨识，重点检查变频器辨识出的电机的空载电流，如检测出的电机空载电流应在电机额定电流的30%～50%范围内，这对矢量控制的变频器尤其重要。由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。从图3的异步电动机的T型等效电路中可以看出，电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还有R1(定子电阻)、X11(定子漏感抗)、R2(转子电阻)、X21(转子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空载电流)。关于参数辨识，分电机静止辨识和旋转辨识2种。静止辨识时，变频器能自动测量并计算定子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入；旋转辨识时，变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。在参数辨识中，必须注意：①若旋转辨识时出现过流或过压故障，可适当改变加减速时间；②旋转辨识只能在空载中进行；③辨识前必须正确输入电机铭牌上的参数。当然，变频器的基本调试还包括其他应该设置的参数和初步带载试运行。在模拟量设定转矩限值时，需要注意模拟量输入端子的信号电平、增益和偏置。 PLC程序调试 PLC程序主要负责：①铸造传动的速度给定，并读取该传动的速度、电流、转矩信号；②根据铸造速度来决定轧机传动的速度给定，并读取该传动的速度、电流、转矩信号；③处理收卷传动的切换，即从工位1到工位2之间互换时速度给定和转矩限幅的给定。 生产试运行 在生产试运行中，必须控制好整个铸造的工艺流程，包括温度的控制(熔炼炉炉温控制在470～510℃、铸造温度为435～470℃)、速度的控制和转矩的限值等。在带载试生产中，须根据生产的实际情况修正各类系数，以确保铸造与轧机的速度协调、轧机的轧制效果和收卷过程的张力平稳，直至达到要求。在用户现场测试，将铸造锌板厚度D=13mm轧制到D=2.9～7.3mm时，轧机的控制相当平稳，且轧制的表面光洁、无气孔、无渣，收卷紧松适当、无散卷现象、张力恒定。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/8/2004)