張緊輥帶鋼張力控制過程中的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 交流調(diào)速控制系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)（論文）題目：張緊輥帶鋼張力控制過程中的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 自動化101 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：2013.6.24-2013.7.07 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動化教研室 學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級自動化101課程設(shè)計(jì)（論文）題目張緊輥帶鋼張力控制過程中的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課題完成的功能：在冶金行業(yè)中，利用張緊輥來控制生產(chǎn)線上帶鋼的張力。變頻調(diào)速系統(tǒng)是張緊輥帶鋼張力控制過程中的重要組成部分。以由4個傳動輥所組成

2、的張緊輥為例，設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)。 通過變頻調(diào)速系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)帶鋼張力的控制目標(biāo)。設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：1、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖； 2、選擇合適的儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)；3、給出變頻器參數(shù)設(shè)置的步驟； 4、給出控制器的算法；5、設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面的草圖；技術(shù)參數(shù)：1、帶鋼彈性模量，帶鋼的橫截面積，輥?zhàn)影霃綖?.5米2、張力設(shè)定值在1800-2200N；3、共有4臺電動機(jī)，每臺電動機(jī)的額定功率22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。4、速度控制系統(tǒng)的精度在2%以內(nèi)。5、張力控制系統(tǒng)的精度在8%以內(nèi).進(jìn)度計(jì)劃1、熟悉課程設(shè)計(jì)題目，查找及收集相關(guān)書籍、資料（2天）；2、設(shè)計(jì)系

3、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖（1天）；3、儀表、控制系統(tǒng)等設(shè)備的選型（1天）；4、控制方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)（4天）；5、撰寫課設(shè)論文（1.5天）；6、設(shè)計(jì)結(jié)果考核（0.5天）；指導(dǎo)教師評語及成績平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算 摘要在鋼鐵企業(yè)板帶生產(chǎn)機(jī)組中，帶鋼張力很多是需要分段進(jìn)行控制的，這不但是通板的需要，更是工藝的需求。帶鋼張力控制設(shè)備的實(shí)現(xiàn)一般是采用張力輥組完成，即由2-4個輥?zhàn)訕?gòu)成張緊輥組，分別用電動機(jī)傳動每一個輥?zhàn)樱瑢?shí)現(xiàn)張緊輥組前后不同的張力控制要求。張緊輥是由電動機(jī)傳動的，控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。

4、采用西門子1LG4電動機(jī)對張緊輥進(jìn)行控制，因此在帶鋼張力控制過程中變頻調(diào)速系統(tǒng)是其重要的組成部分。通過西門子MM440變頻器改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，即改變每一根輥?zhàn)拥乃俣葋韺?shí)現(xiàn)帶鋼張力的控制目標(biāo)，從而達(dá)到帶鋼張力1800N-2200N的要求。關(guān)鍵詞：張緊輥；帶鋼張力；變頻器目錄第1章 緒論1第2章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案22.1 概述22.1.1 項(xiàng)目開發(fā)背景22.1.2 項(xiàng)目目標(biāo)22.2 系統(tǒng)方案選擇32.2.1 電機(jī)的選擇32.2.2 調(diào)速方法的選擇32.2.3 張緊輥的選擇42.3 系統(tǒng)組成的整體結(jié)構(gòu)42.3.1 系統(tǒng)的組成42.3.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖4第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)63.1 張緊輥組63.1

5、.1 張緊輥組的組成及結(jié)構(gòu)63.2 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)73.2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用73.2.2 變頻調(diào)速的原理73.2.3 變頻調(diào)速的結(jié)構(gòu)原理圖83.2.4矢量控制工作原理93.2.5矢量控制的優(yōu)點(diǎn)103.2.6矢量控制的原理圖103.3 變頻器的設(shè)計(jì)103.3.1 變頻器的結(jié)構(gòu)113.3.2 變頻器的實(shí)現(xiàn)設(shè)備113.3.3 變頻器的選型123.3.4變頻器參數(shù)設(shè)置133.4 電機(jī)的選擇183.5 張力檢測儀的選擇18第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)194.1 系統(tǒng)的控制器194.2控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面草圖204.3 軟件控制的優(yōu)點(diǎn)21第5章 總結(jié)22參考文獻(xiàn)23第1章 緒論在工業(yè)生產(chǎn)的很多行業(yè)中，都需要進(jìn)行

6、精確的張力控制，保持張力的恒定，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。這些行業(yè)如冶金、造紙、包裝、染整、線纜、纖維、橡膠等片材、線材和帶材的加工和制造。在行業(yè)發(fā)展的趨勢來看，張力系統(tǒng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域中是控制產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素，并得到越來越多的重視。在冶金技術(shù)快速發(fā)展的今天，張力控制發(fā)揮著重要作用。采用張力控制防止帶鋼堆拉現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)，張力在生產(chǎn)工藝過程中也發(fā)揮著重要的作用，主要表現(xiàn)在一下幾個方面：第一，防止帶鋼跑偏。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于各種因素的影響，帶鋼在運(yùn)行過程中容易發(fā)生跑偏，而會隨著運(yùn)行越來越嚴(yán)重。為了防止跑偏，可以采用糾偏輥或張緊輥，但這兩種方法都有一定的時(shí)滯，有一定的局限性。而適當(dāng)調(diào)節(jié)張力

7、值，維持張力穩(wěn)定，帶鋼可以在一定張力作用下平穩(wěn)運(yùn)行，張力反映迅速，無時(shí)滯，所以是防止跑偏的重要方法。第二、有利于控制帶鋼板形。板形是衡量帶鋼質(zhì)量的指標(biāo)，板形良好指的就是帶鋼的平質(zhì)度好，如邊部起浪、中部浪皺等，這主要是由于變形不均勻，使帶鋼中的殘余應(yīng)力超出了穩(wěn)定所允許的拉應(yīng)力。第三、有利于控制加熱面積。爐區(qū)的入口段是預(yù)熱爐，里面沒有爐輥，是一段懸空的帶鋼，兩面噴嘴加熱帶鋼。利用張力可以調(diào)節(jié)帶鋼的懸垂度，保證在預(yù)熱爐內(nèi)的帶鋼充分加熱。此外，張力在帶鋼過程中可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)張力輥電機(jī)的負(fù)荷。由此可見，張力控制在生產(chǎn)中起著重要的作用。在張力控制過程中，通過改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制張緊輥輪子的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到

8、控制張力的目標(biāo)。因此調(diào)速系統(tǒng)在張力控制過程中必不可少。在實(shí)際應(yīng)用中，電動機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械工藝的要求控制來調(diào)節(jié)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動機(jī)的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)效率和節(jié)省電能有著直接決定性影響，因此調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。在冶金企業(yè)蓬勃發(fā)展的年代里，通過變頻調(diào)速調(diào)節(jié)帶鋼張力的技術(shù)是一個值得關(guān)注的話題，值得我們?nèi)パ芯俊５?章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案2.1 概述本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了張緊輥帶鋼張力控制過程中的變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過電動機(jī)對張力輥進(jìn)行控制，使帶鋼生產(chǎn)過程中保持各段張力的恒定。此設(shè)計(jì)運(yùn)用了較為先進(jìn)的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)對

9、電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，正因?yàn)椴捎昧私涣麟妱訖C(jī)對輥?zhàn)舆M(jìn)行速度控制，所以矢量控制發(fā)揮了巨大的作用。矢量控制將三相異步電動機(jī)下的數(shù)學(xué)模型通過坐標(biāo)變換和磁鏈定向變?yōu)榈刃е绷麟妱訖C(jī)模型，從而提高了系統(tǒng)的控制精度，避免使用直流電動機(jī)代替交流電動機(jī)，減少了整條生產(chǎn)線的成本，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。張緊輥在生產(chǎn)中也發(fā)揮了重要的作用，通過在合適位置設(shè)置張緊輥，提高了對帶鋼張力的精確調(diào)節(jié)。2.1.1 項(xiàng)目開發(fā)背景近年來，張力控制過程中的變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了冶金、造紙、包裝、染整、線纜、纖維、橡膠等加工領(lǐng)域。其中，在冶金行業(yè)中，張力控制中的變頻調(diào)速系統(tǒng)對帶鋼的質(zhì)量和生產(chǎn)效率起著巨大作用。然而，在一個巨大的生產(chǎn)線系

10、統(tǒng)里，擁有較高水準(zhǔn)的變頻調(diào)速系統(tǒng)無疑是一個重要的環(huán)節(jié)。最近十幾年來，變頻調(diào)速技術(shù)飛速發(fā)展，變頻器中功率元器件、變頻控制方式和計(jì)算機(jī)技術(shù)都有了明顯的進(jìn)步。交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是電力技術(shù)和微電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)高度結(jié)合的高科技技術(shù)，該技術(shù)發(fā)展日趨成熟。交流變頻調(diào)速技術(shù)以優(yōu)異的性能和強(qiáng)大的功能，淘汰、取代直流調(diào)速技術(shù)已是必然的技術(shù)趨勢。因此，在帶鋼張力控制過程中采用交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)對整個控制過程起到了重要作用。2.1.2 項(xiàng)目目標(biāo)本系統(tǒng)采用了4個張力輥組成的張緊輥組，分別用電動機(jī)傳動每一根輥?zhàn)拥纳a(chǎn)技術(shù)。通過張力檢測器來實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)過程中各段帶鋼的張力，利用交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)對每個輥?zhàn)又械碾妱?/p>

11、機(jī)進(jìn)行調(diào)速，使各段帶鋼的張力始終保持恒定的數(shù)值，防止帶鋼生產(chǎn)過程中跑偏和堆拉現(xiàn)象的發(fā)生，從而保證帶鋼的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。2.2 系統(tǒng)方案選擇方案的合理選擇對整個系統(tǒng)來說極其重要，好的方案不僅能提高產(chǎn)品的質(zhì)量，還能減少不必要的投資和提高生產(chǎn)效率，為公司創(chuàng)造巨大的財(cái)富。2.2.1 電機(jī)的選擇方案一：直流電動機(jī)。定子磁場方向不變，若使轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)，必須通過換向器對轉(zhuǎn)子回路的電流進(jìn)行換向。調(diào)速容易、轉(zhuǎn)矩比較大。但是制造昂貴，有碳刷，需定時(shí)進(jìn)行維修，換向時(shí)有明顯火花。方案二：交流電動機(jī)。不需要換向器對轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行換向，而是通過改變定子磁場方向，保證轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動。制造便宜，速度不容易控制，但隨著矢量變頻技術(shù)

12、的發(fā)展，可以用變頻電機(jī)模擬直流電機(jī)。考慮到本系統(tǒng)對帶鋼張力控制的精確度要求和整個生產(chǎn)線的經(jīng)濟(jì)利益，選擇方案二。2.2.2 調(diào)速方法的選擇方案一：變頻調(diào)速。通過改變電動機(jī)的定子供電頻率來改變旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的。是無附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式。變頻調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置時(shí)變頻器。變頻調(diào)速調(diào)速效率高，啟動能耗低，調(diào)速范圍寬，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，動態(tài)響應(yīng)速度快，調(diào)速精度高，操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝控制自動化。方案二：變極調(diào)速。通過改變定子繞組極對數(shù)來改變旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的，是無附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式。變極調(diào)速運(yùn)行可靠，效率高，控制線路簡單，容易維護(hù)，對電網(wǎng)無干擾，初始投資低。但調(diào)速不連續(xù)

13、，抑制了調(diào)速范圍。方案三：串級調(diào)速。串級調(diào)速是在繞線型感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中串入一個與轉(zhuǎn)子電動勢相反的附加電動勢，用以減少轉(zhuǎn)子電流，降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到調(diào)速的目的，屬于轉(zhuǎn)子電磁功率控制的調(diào)速。串級調(diào)速調(diào)速效率高，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，初始投資不大，對電網(wǎng)干擾大，調(diào)速范圍窄，功率因數(shù)低。考慮到本系統(tǒng)對調(diào)速的精度要求較高，能耗低，響應(yīng)速度快，操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)自動化的特點(diǎn)，綜合考慮選擇方案一。2.2.3 張緊輥的選擇方案一：兩個輥?zhàn)拥膹埦o輥組。設(shè)備簡單，投資較低，但對生產(chǎn)過程中張力控制的精度較低。方案二：四個輥?zhàn)拥膹埦o輥組。設(shè)備相對簡單，投資不高，能較精確的對帶鋼生產(chǎn)過程中的張力進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，控制范圍

14、比較廣?？紤]到帶鋼生產(chǎn)過程的連續(xù)性，并根據(jù)機(jī)組工藝的需求和控制的需要將整個機(jī)組分成若干段，每個段都可以單獨(dú)進(jìn)行張力的設(shè)定和控制的要求。綜合考慮選擇方案二。2.3 系統(tǒng)組成的整體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用了4個張力輥組成的張緊輥組。通過張力檢測器來實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)過程中各段帶鋼的張力，利用交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)對每個輥?zhàn)又械碾妱訖C(jī)進(jìn)行調(diào)速，使各段帶鋼的張力始終保持恒定的數(shù)值，來控制整個生產(chǎn)過程中帶鋼的生產(chǎn)要求。2.3.1 系統(tǒng)的組成本系統(tǒng)主要由張緊輥組、交流電動機(jī)、速度檢測裝置、張力檢測裝置、變頻器等部分組成。2.3.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的整體框圖如下圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖第3章 系統(tǒng)硬件

15、設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要通過張力測量儀檢測帶鋼生產(chǎn)過程中各段帶鋼的張力情況，利用變頻調(diào)速系統(tǒng)改變交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而適當(dāng)調(diào)整張緊輥組中各個張力輥的轉(zhuǎn)速，使帶鋼始終保持著生產(chǎn)的需要，進(jìn)而提高生產(chǎn)過程中帶鋼的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。3.1 張緊輥組帶鋼處理線必須在張力之下完成，張力最基本作用是保持帶鋼正常運(yùn)行。在生產(chǎn)線上，連續(xù)進(jìn)行著各種工序，不同的工序各有其特點(diǎn)，張力的生產(chǎn)和作用也不盡相同。有了張力輥，就可以把各個區(qū)域張力分開，在不同區(qū)域設(shè)置不同大小的張力。機(jī)組各段張力值得建立是依靠機(jī)組各段合適的位置設(shè)置張力輥和夾送輥來實(shí)現(xiàn)的。帶鋼包繞在張力輥上，在包圍接觸處產(chǎn)生摩擦力，張力按照張力輥的布置和包繞角的不同而變化，

16、由此可以對整個生產(chǎn)線中張力進(jìn)行控制，所以張力輥是一個重要的設(shè)備。3.1.1 張緊輥組的組成及結(jié)構(gòu)對于帶鋼的連續(xù)運(yùn)行機(jī)組，一般來說，會根據(jù)機(jī)組工藝的要求和控制的需要將整個機(jī)組分成若干個段，每個段可以單獨(dú)地進(jìn)行張力的設(shè)定與控制。各段之間的張力設(shè)定值可以不同，也可以相同，這就需要張緊輥組將不同的張力段隔開。張緊輥的組成一般有兩輥式、三輥式、四輥式等，由于張緊輥組前后的張力不同，其中的張力差就需要在組成張緊輥組的各個輥?zhàn)又g進(jìn)行分配。本系統(tǒng)以四輥式為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。四輥張緊輥組結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示：圖3.1 張緊輥組結(jié)構(gòu)圖3.2 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)在帶鋼生產(chǎn)中起著重要的作用，通過調(diào)速系統(tǒng)改變各輥?zhàn)又械碾?/p>

17、動機(jī)的轉(zhuǎn)速，更好地控制各段中的帶鋼張力。在帶鋼生產(chǎn)過程中，采用了較為先進(jìn)矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，將三相交流異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型通過矢量變化和轉(zhuǎn)子磁鏈定向變?yōu)榈刃е绷麟妱訖C(jī)數(shù)學(xué)模型，對交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，從而控制交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)已深入我們生活的每個角落，變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式包括V/F、矢量控制(VC)、直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)等。V/F控制主要應(yīng)用在低成本、性能要求較低的場合;而矢量控制的引入，則開始了變頻調(diào)速系統(tǒng)在高性能場合的應(yīng)用。近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展及數(shù)字控制的普及，矢量控制的應(yīng)用已經(jīng)從高性能領(lǐng)域擴(kuò)展至通用驅(qū)動及專用驅(qū)動場

18、合，乃至變頻空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家用電器。交流驅(qū)動器已在工業(yè)機(jī)器人、自動化出版設(shè)備、加工工具、傳輸設(shè)備、電梯、壓縮機(jī)、軋鋼、風(fēng)機(jī)泵類、電動汽車、起重設(shè)備及其它領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。3.2.2 變頻調(diào)速的原理異步電動機(jī)是依靠旋轉(zhuǎn)磁場的作用而轉(zhuǎn)動的，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場理論，有下列關(guān)系：n1=60fn （3-1）式中n1-定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，也叫異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速（r/min）；f-電源頻率（Hz）；p-電動機(jī)的磁極對數(shù)。異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速n之差與同步轉(zhuǎn)速之比，叫異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，以s表示s=n1-nn1=1-nn1 （3-2）n1s=n1-n （3-3）n=n11-s （3-4）n=60fp1

19、-s （3-5）由電機(jī)學(xué)理論可知，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=60fp，式中：f-電源頻率；p-磁極對數(shù)；當(dāng)p為定值時(shí)，n與f成正比。如果連續(xù)的改變供電電源的頻率就可以調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速的工作原理。而變頻調(diào)速的關(guān)鍵設(shè)備就是變頻器，它決定整個調(diào)速系統(tǒng)的性能。但是，為了保持在調(diào)速時(shí)電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電動機(jī)的磁通量恒定，因此定子的供電電壓也要作相應(yīng)調(diào)節(jié)。變頻器就是在調(diào)整頻率的同時(shí)還要調(diào)整電壓，故簡稱VVVF（裝置）。通過電工理論分析可知，轉(zhuǎn)矩與磁通量（最大值）成正比，在轉(zhuǎn)子參數(shù)值一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比。目前使用較多的是“交-直-交”變頻器，將50Hz的交流電整流為直流電U

20、d，再由三相逆變器將直流逆變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電供給鼠籠型異步電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。3.2.3 變頻調(diào)速的結(jié)構(gòu)原理圖變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入成正比的關(guān)系：n=60f（1-S）/P，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù)）；通過改變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖3.3所示。圖3.3 變頻調(diào)速結(jié)構(gòu)原理圖3.2.4矢量控制工作原理矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機(jī)的定子電流矢

21、量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。它首先通過電機(jī)的等效電路來得出一些磁鏈方程，包括定子磁鏈，氣隙磁鏈，轉(zhuǎn)子磁鏈，其中氣息磁鏈?zhǔn)沁B接定子和轉(zhuǎn)子的。一般的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流不易測量，所以通過氣息來中轉(zhuǎn)，把它變成定子電流。然后，有一些坐標(biāo)變換，首先通過3/2變換，變成靜止的d-q坐標(biāo)，然后通過前面的磁鏈方程產(chǎn)生的單位矢量來得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的類似于直流機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流

22、分量和磁場電流分量，這樣就實(shí)現(xiàn)了解耦控制，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。最后再經(jīng)過2/3變換，產(chǎn)生三相交流電去控制電機(jī)，這樣就獲得了良好的性能。3.2.5矢量控制的優(yōu)點(diǎn)矢量控制是基于電動機(jī)的動態(tài)模型，具有良好的靜態(tài)和動態(tài)指標(biāo)，并且是基于幅值和相位的控制。矢量控制的電機(jī)調(diào)速范圍寬，速度穩(wěn)定性能高，在斷續(xù)負(fù)載下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動小，加減速時(shí)間短，過載能力強(qiáng)，噪音低、震動小、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。3.2.6矢量控制的原理圖矢量控制基本原理是通過測量和控制異步電動機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。首先通過3/2變換，變成靜止的d-q坐標(biāo)，

23、然后通過前面的磁鏈方程產(chǎn)生的單位矢量來得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的類似于直流機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分量和磁場電流分量，這樣就實(shí)現(xiàn)了解耦控制，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。最后再經(jīng)過2/3變換，產(chǎn)生三相交流電去控制電機(jī)，這樣就獲得了良好的性能。矢量控制原理圖如圖3.4所示。圖3.4 矢量控制原理圖3.3 變頻器的設(shè)計(jì)變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)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

24、據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)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。3.3.1 變頻器的結(jié)構(gòu)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。通用變頻器有主電路和控制電路組成。主電路是給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，主電路包括整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器等?？刂齐娐烦Ｓ蛇\(yùn)算電路，檢測電路，控制信號的輸入、輸出電路，驅(qū)動電路和制動電路構(gòu)成。（1）整流器：電網(wǎng)側(cè)的變流器為整流器，它的作用是把工頻電源變換成直流電源。

25、三相交流電源一般需經(jīng)過壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入到整流橋的輸入端。壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)的作用是吸收交流電網(wǎng)浪涌過電壓，從而避免浪涌侵入，導(dǎo)致過電壓而損壞變頻器。整流電路按其控制方式可以是直流電壓源，也可是直流電流源。電壓型變頻器的整流電路屬于不可控整流橋直流電壓源，當(dāng)電源線電壓為380V時(shí)，整流器件的最大反向電壓一般為1000V，最大整流電流為變頻器額定電流的2倍。（2）逆變器：負(fù)載側(cè)的變流器為逆變器。與整流器的作用相反，逆變器是將直流功率變?yōu)樗枨箢l率的交流功率。逆變器最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用6個半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。通過有規(guī)律的控制主開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。3.

26、3.2 變頻器的實(shí)現(xiàn)設(shè)備變頻器的使用需按下圖3.5連接。選擇正確的外部設(shè)備，正確的連接以確保正確的操作，不正確的系統(tǒng)配置和連接會導(dǎo)致變頻器不能正常工作，顯著地降低變頻器的壽命，甚至?xí)p壞變頻器。圖3.5 變頻器實(shí)現(xiàn)原理圖3.3.3 變頻器的選型變頻器的選擇包括變頻器類型的選擇和容量的選擇。帶鋼張力的控制需要運(yùn)用矢量控制，因此所選的變頻器需要帶矢量控制的功能。本系統(tǒng)要求電機(jī)的額定功率為22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉(zhuǎn)速1450r/min。西門子MM440變頻器能滿足上述要求，選此變頻器為本系統(tǒng)的變頻器。3.3.4變頻器參數(shù)設(shè)置以西門子MM440變頻器為例： 變頻器快速調(diào)試電機(jī)的額

27、定功率 P0307=22Kw電機(jī)的額定電壓 P0304=380V電機(jī)的額定電流 P0305=7A電機(jī)的額定頻率 P0310=1450r/min通過模擬輸入1輸入設(shè)定值 P1000=2感應(yīng)電動機(jī) P0300=1電機(jī)冷卻方式為自冷 P0335=0電動機(jī)的過載系數(shù) P0640=150%最小頻率 P1080=0Hz最大頻率 P1082=50Hz斜坡上升時(shí)間 P1120=10s斜坡下降時(shí)間 P1121=10s線性的V/F特性 P1300=0 變頻器快速調(diào)試流程圖圖3.6 變頻器快速調(diào)速流程圖變頻器各個按鍵的作用如下表1所示。表1：MM440變頻器按鍵功能及作用按鍵功能作用啟動電機(jī)按此鍵啟動變頻器停止電機(jī)

28、按此鍵電動機(jī)停車改變電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向按此鍵改變電動旋轉(zhuǎn)方向電動機(jī)點(diǎn)動在“準(zhǔn)備合閘”下按下此鍵參數(shù)設(shè)置按此鍵訪問參數(shù)功能用于顯示附加信息（輸出電壓、輸出電流、輸出頻率）增加數(shù)值按此鍵增加數(shù)值減少數(shù)值按此鍵較少數(shù)值以頻率參數(shù)設(shè)置為50Hz例：參數(shù)設(shè)置步驟如下圖3.7所示。 控制器與變頻器的連接圖變頻器除了和控制器、交流電動機(jī)相連之外，為了避免電源受到污染，有時(shí)候會在變頻器輸入端接入進(jìn)線電抗器。ASR接在PLC中，PLC輸出的頻率作為給定信號與變頻器的模擬信號輸入端相連。變頻器的模擬電壓、電流輸出端AM，與變頻器的模擬輸入端相連?？刂破髋c變頻器的連接圖如圖3.8所示。圖3.8 控制器與變頻器連接圖3

29、.4 電機(jī)的選擇西門子1LG4電動機(jī)是一款新型的進(jìn)口鼠籠電機(jī)，適用于水泵、包裝機(jī)械、軋鋼、橡膠機(jī)械等領(lǐng)域，具有優(yōu)良的性能。工作額定電壓0.18-315Kw，額定電壓380V，額定電流82A，額定轉(zhuǎn)速為885-3580r/min。能滿足系統(tǒng)電動機(jī)的額定功率22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉(zhuǎn)速1450r/min的要求。電機(jī)的接線圖如圖3.9所示。圖3.9 電機(jī)接線圖3.5 張力檢測儀的選擇RMGZ800張力檢測儀是一款高可靠性，測量精度為0.5%，額定量程為100-8000N的張力檢測器。滿足張力設(shè)定值在1800-2200N的要求。第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)要想得到精確地控制必須有軟件來完成，通過軟件編程對設(shè)備進(jìn)行控制。軟件在一條生產(chǎn)線中是必不可少的，它起著極其重要的作用，就猶如人的大腦一樣控制身體各個部位工作。4.1 系統(tǒng)的控制器此系統(tǒng)的控制器算法采用了傳統(tǒng)的PID控制。PID是一個閉環(huán)控制算法，其中的P是比例，I是積分，D是微分。PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示。圖4.1 PID控制系統(tǒng)的結(jié)