（电力电子与电力传动专业论文）基于退纸辊张力复合控制的复卷机电控系统研究与实践.pdf

在复卷机电控系统传动设计中，给出了整流单元及变频器的主 要参数设置。鉴于复卷机控制方案的需要将现场总线技术应用于复 卷机控制系统中，构建p r o f i b u s d p 网络，设计实现了p l c 与变频 器，p l c 与操作屏，变频器与操作屏的数据通讯。并且给出了控制系 统程序设计方案，监控画面的功能设计及效果图。 关键字：复卷机，交流传动，惯性力矩，p i d 控制，压力曲线，现场 总线、 l i t h er e s e a r c ha n dp i 乙姐i c eo fe l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mo fr e w i n d e rb a s e d o nt e n s i o ni n t e g r a t e dc o n t r o l o fp a r e n tr o l l a bs t r a c t b a s e do nt h ew e l l u n d e r s t a n d i n ga n da n a l y z i n g o fw i n d e r s c o n s t r u c t u r ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ，a sw e l la st h ea ca n dd cm o t o r c o n t r o l sd e v e l o p i n gt r e n d ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e daa cr e w i n d e rd i g i t a l c o n t r o ls y s t e m i na l l u s i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fa c d r i v i n ga n dr e w i n d e rd r i v i n g ， e s t a b l i s h e dt h et r a n s m i s s i o nm e t h o do fa cr e w i n d e r t h r o u g ht h e a n a l y z i n go fv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o na n dt h ep a r e n tr o l l d r i v i n g ，t h i sa r t i c l e i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fc h o o s i n g i n v e r t e ra n dm o t o rf o rr e w i n d e rs y s t e m i n t h e p a r e n t r o l l st e n s i o n c o n t r o ls y s t e m ，b u i l tc o m p o u n dt e n s i o nc o n t r o lm e t h o d i nt h ef o r m e r t e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，t e n s i o n sf e e d b a c kc h a n g e ds p e e dg i v e n ，t h i s w o u l dd i s t u r bt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，t oi m p r o v es y s t e ms t a b i l i t ya n d r e s p o n s es p e e d ，w eb r o u g h t f o r w a r dt h et e n s i o n sf e e d b a c kc o n t r o l s c h e m e m e a n w h i l ei nt h e i n t e r e s t i n g o f e l i m i n a t i n g t h e i n t e g r a l a c c u m u l a t i o ne r r o r st h a tm a yb ei n t r o d u c e db ys u c hp r o c e s s e sa s r u n n i n g ，s t o p p i n go rl a r g e s c a l ec h a n g eo fr o l lr a d i u s ，i n t r a d u c e dp i + p d c o n t r o l s t r a t e g y b y d i n to fm a t a l bs i m u l a t i o n ，t h i sm e t h o dc a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h er e s p o n s es p e e da n di m p r o v es y s t e ms t a b i l i t y a i m a th i g hs p e e dr e w i n d e r sc o n t r o ls y s t e m ，w ep a r t i c u l a r l ya n a l y z ei n e r t i a c o m p e n s a t i o ni n t h eu n w i n d e rr o l lc o n t r o ls t r a t e g y ，a n df o u n dan e w f o r m u l a rf o ri n e r t i ac o m p e n s a t i o ni nv i r t u eo fs i m u l a t i o n i no r d e rt o r e d u c et h ei n f l u e n c eo fr e w i n d e r sa c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o no nw e b t e n s i o n ，a d o p t e ds c u r v eo fa c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o na n db r o u g h t f o r w a r di t sf u l f i l l m e n tm e t h o d b e c a u s ep a r e n tr o l l sr a d i u si sam a j o r f a c t o ra f f e c t e dt e n s i o nc o n t r o l ，f o rt h es a k eo fp r e v e n t i n gi t ss a l t a t i o n ， w ep r o p o s e do p t i m i z a t i o no nt h ec o m p u t a t i o no fu n w i n d e r sr a d i u s ，a n d ， i l l g a v eo u tt h ee q u a t i o no fd i a m e t e rc a l c u l a t i o na n di t sc o r r e s p o n d i n g d i s c r e t es t y l e ，w h i c hc a nb ee a s i l yp r o g r a m m e di np l c f o rab e t t e rc o n t r o l l i n go fp r o d u c t i o nr o l l s h a r d n e s s ，t h ea u t h o r a n a l y z er i d e rr o l lp r e s s u r ea n dp a p e ri l l n e s s ，e s p e c i a l l yt h ef a c t o r st h a t i n f l u e n c et h ep r e s s u r eb e t w e e np r o d u c t i o nr o l la n dt w od r u m s s u c ha s t h ep r o d u c t i o nr o l ld i a m e t e r ，w e i g h ta n dk i n d so fp a p e r ，d e n s i t ye t c b y t h ed y n a m i c a n a l y s i so ff r o n ta n db a c kd r u m ，w ef o u n dan e wl o a ds h a r e m e t h o d i nt h ed e s i g no fe l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo fr e w i n d e r d r i v i n g ，t h i s p a p e rg a v et h ep a r a m e t e r ss e t t i n go fc o n v e r t o r i nv i e wo ft h en e e do f r e w i n d e rc o n t r o ls c h e m e ，w ei n t r o d u c e sf i e l db u si n t or e w i n d e rc o n t r o l s y s t e m ，d e s i g n e d t h ep r o f i b u s m d p s y s t e m ， r e a l i z e dt h ed a t a c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne q u i p m e n t so fr e w i n d e rs y s t e m ，a n dd e s i g n e d t h ep l cp r o g r a ma n dt h es c r e e nc o n t r o li m a g e k e y w o r d s ：r e w i n d e r ，a ct r a n s m i s s i o n ，i n e r t i am o m e n t ，c o n s t a n t t e n s i o nc o n t r o l ，p r e s s u r ec u r v e ，f i e l d b u s 陕i ，l i 科技人学倾i j 学位论文 附录：原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 垒宝 日 期：至q q 往：月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 翌豆 导师签名： 日规 2 0 0 _ ? - 基于退纸辊张力复合控制的复卷机电控系统研究与实践 1 绪论 1 1 引言 在造纸生产过程中，复卷是卷筒纸生产的最后道工序。由于从抄纸机上 生产出来的原纸卷比较松软，内部可能会有破损或断头，两侧边缘不整齐，纸 幅宽度不合适等各种原因，大多不能直接用于纸加工或者印刷，大部分纸种( 如 新闻纸、凸版印刷纸、包装纸等) 需要经过复卷机切边、分切、接头、在纸卷 芯上重卷形成一定规格，一定紧度要求的成品纸卷才能出厂。因此复卷机的生 产在造纸生产过程中是必不可少的重要环节。 由于纸机的抄造过程是连续性的，纸卷的更换并不需要停车；而复卷机的 工作是间歇式的，通常设计时要求复卷机的车速是纸机设计车速的2 倍以上。 除了要求复卷机在很高的车速下运行外，对复卷机复卷出的成品纸卷的质量也 提出了很高的要求。对于成品纸卷卷取质量的评价，主要包括两个方面：一是 外观要求，即分切端面是否平整光滑，有没有台阶形状：二是对内在质量的要 求，首先是不允许在复卷过程中纸张出现打折现象。其次是紧度分布要求，考 虑到纸卷的储存、运输以及用户设备的需要，要求成品纸卷的紧度在径向上分 布均匀，并呈递减性态，俗称内紧外松。用纸张的残余应力可以评价纸卷紧度 的分布情况，即纸张的残余应力要小而均匀i lj 。影响纸张残余应力的因子主要 包括三个方面：纸幅张力( t e n s i o n ) 、压区压力( n i pl o a d ) 、扭矩( t o r q u e ) ， 简称t n t ! 。为了达到纸卷对紧度的要求，需要对这三个指标进行严格控制。 因此复卷机控制系统是个典型的多变量强耦合的控制系统。 随着变频技术的发展，交流调速电气传动已经上升为电气调速的主流。交 流传动已经已经从最初的只能用于风机、泵类的调速过渡到针对各类高精度、 快响应的高性能指标的调速控制，相应的有矢量控制和直接转矩控制。从性能 价格比的角度看，交流调速装置已经优于直流调速装置，所以复卷机的主传动 也正在由直流传动向交流传动转变。 1 2 复卷机国内外发展现状及动向 随着2 0 世纪9 0 年代造纸机的发展突飞猛进，现代复卷机发展的主要技术 成果有以下【1 1 【2 】： ( 1 ) 复卷机的车速提高了。设计车速已经达到了3 5 0 0 m m in ，工作车速达 到了3 10 0 m m i l 3 以上，复卷的幅宽也与纸机同步发展达到1 0 m 之多。 ( 2 ) 出现了适用不同纸种、纸板复卷的各种型号的现代复卷机。在现代复 陕西科技人学硕上学位论文 卷机制造技术方面，居于领先地位的有三家公司， v o i t hs u lz e r ( 伏依特一苏 尔寿) 公司，v a l m e t ( 维美德) 公司和m e t s o ( 美卓) 公司。 ( 3 ) 满足了市场对大直径卷筒纸的需求，由原来的只能复卷直径为 1 1 0 0 1 2 5 0 m m 的卷筒纸，逐步发展到复卷直径为1 5 0 0 1 8 0 0 m m 的卷筒纸。最 大净纸宽度也达到了2 8 0 0 m m 。 ( 4 ) 现代复卷机先进的控制系统采用了模块化结构。最新的控制系统包括 具有1 0 0 多项选择参数的复卷配方库和复卷监控系统，选择参数包括车速、加 速度、复卷力、液压和力矩等，易于改进。 ( 5 ) 现代复卷机的控制水平、自动化水平大幅度提高。复卷机的许多人工 操作实现了自动化，手工操作大量减少，例如：换卷时的粘接、全幅引纸、 纸 芯处理、纸尾在纸芯和成纸卷上的固定、幅宽变换、纸卷更换等操作上都实现 了自动化。 ( 6 ) 现代复卷机的设备利用率普遍提高，已由过去的0 6 0 8 提高到 0 8 5 0 9 5 ，甚至达到了0 9 5 1 0 。 ( 7 ) 复卷机的传动控制系统正在逐步由全数字直流控制系统向交流变频传 动控制系统发展【3 1 。 相比之下，我国国内的复卷机行业则相对落后，首先，工作车速不高，一 般在1 5 0 0 。2 0 0 0 m m i l l ，达到2 5 0 0 m m i n 以上复卷机不多；其次，我国的复卷 机制造技术还很落后，机械种类单一，主要是上、下引纸两类，而作为代表目 前复卷机发展方向的下引纸复卷机，也只是以双底辊复卷机为主，表明我国复 卷机生产制造厂家对复卷机的复卷机理以及与纸张之间的适应性研究不够，因 此也就限制了复卷机工作车速和复卷质量的提高。 另外，还有一个很重要的因素就是国内的自动化程度不高，由此带来的问 题是，复卷机的实际效率大打折扣，造成抄纸机的车速必然受到限制，从而对 生产效率的提高和生产成本的控制产生不利影响。综观我国造纸设备制造业的 发展现状，抄纸机的工作车速可以达到8 0 0 m m i n ，甚至更高。那么对复卷机的 要求就是其工作车速必须达到抄纸机的2 3 倍以上，即1 5 0 0 - 一2 5 0 0 m m i n 以 上。如前所述，这恰恰是国产复卷机难以做到的。但是由于进口设备价格非常 昂贵，并非国内所有企业都能够承受，因此目前国内很多企业所采取的措施是， 以增加生产线来弥补生产效率的低下。导致我国大多数造纸企业仍然停留在低 效率、高成本，以规模效益为主的层面上。这无疑是对我国有限的土地资源、 水资源、能源以及原材料资源的浪费。因此说，目前国内造纸领域对复卷机的 研究已经滞后于生产发展的需要，成为制约我国造纸业进一步提升行业水平的 基于退纸辊张力复合控制的复卷机电控系统研究与实践 重要因素之一。 1 3 课题的提出与目的 目前我们现有的复卷机控制系统以直流传动为主，直流电机是绕线式转 子，转子在高速转动时电机的机械强度受到威胁，对转速的提高也是很大的限 制。而且存在可靠性低，维护量大，耗费较大的后续资金。在控制工艺上也存 在很多问题，例如退纸辊张力控制中转动惯量的补偿，压纸辊压力控制，前后 底辊转矩差控制等问题，造成复卷机复卷效果不是很理想，特别是在高速复卷 机中。 针对以上在复卷机控制系统调试过程中遇到的问题和复卷机的发展动向， 本文将设计出一套全交流复卷机数字控制系统，进一步改进复卷机电气控制系 统。 1 4 本论文所做的工作 本文所作的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 详细分析了复卷机的工作原理、工艺以及控制要求。 ( 2 ) 分析设计了交流复卷机的传动结构。 ( 3 ) 分析了矢量变频器的结构和原理，提出了变频器和交流电机的选择 原则和方法。 ( 4 ) 在分析比较间接张力控制和直接张力控制的基础之上，采用张力复 合控制。毽套。 ( 5 ) 在张力复合控制的基础之上对原有张力的速度控制方案进行了分析 和改进，在张力闭环控制中采用变结构p i d 控制。 ( 6 ) 在张力复合控制的基础之上分析了转动惯量补偿对退纸辊张力控制 的影响，并设计了恒张力控制方案。 ( 7 ) 分析s 加减速曲线的算法并提出实施方案。 ( 8 ) 改进了压纸辊压力曲线控制。 ( 9 ) 分析了前后底辊负荷产生的原因，设计了前后底辊负荷分配方案。 ( 1 0 ) 构建p r o f i b u s d p 网络，实现了p l c 与变频器通讯，p l c 与监控设 备触摸屏的通讯。 ( 1 1 ) 运用s e t p 7 设计复卷机控制系统的软件，利用p r o t o o l 编制监控系 统画面。 陕西科技人学硕l ：学位论爻 2 复卷机机械及控制工艺 复卷机作为造纸生产的最后一道工序，它的工作原理是：把从造纸机上取 下的纸卷安置在退纸架上，退纸架上的制动装置使纸幅保持有一定的张力，并 在断纸时使纸卷快速制动以减少纸张损失。纸幅通过引纸辊和纵切机构切成所 需要的宽度，然后按所需紧度和直径卷成纸卷。复卷机的主要结构参数是能处 理的纸幅宽度和最高车速，其次是退纸和卷纸的最大直径、切纸方法和传动形 式。 复卷机按照其不同的应用，可以分为预复卷机、成品复卷机、专用复卷机， 成品复卷机有上引纸复卷机、下引纸复卷机类型。由于本课题所研究的对象是 国内常用的双底辊下引纸复卷机，下面将对双底辊下引纸复卷机进行说明【4 j 【5 1 。 2 1 双底辊下引纸复卷机的组成 下引纸复卷机机械结构图如图2 1 所示：纸幅从机器下部绕过底辊进行卷 取。纸卷从退纸架经过导辊后进入纵切装置，绕过前后底辊然后卷在纸芯上。 在复卷过程中，纸幅张力把纸卷拉向卷纸底辊使逐渐增大的纸卷得以稳定，并 在高速与运行时保证卷纸质量。该类型复卷机还可运用变化前后两个支承辊的 传动转矩差，结合压纸辊与纸卷间压区的压力调节，对纸卷质量作很好的控制。 图2 1 双底辊下引纸复卷机机械结构图 f i g2 1m e c h a n i cf i g u r a t i o no ft h ed o u b l e s u p p o r t i n gr e w i n d e r 2 1 1 退纸部 退纸机构备有空卷纸轴的卸出装置。它由一对绞接装设的液压操纵的杠杆 和放置空卷纸轴的附属托架组成。借液压缸之助将空卷纸轴从退纸架的轴承座 基于退纸辊张力复合控制的复卷机电控系统研究0 实践 中抬起，然后沿着一对与绞接的杠杆搭接的水平导轨滚出，让出了空轴承座使 下一个准备放到架上去的退纸卷可直接吊入，因而加快了退纸卷的调换。近来 也有采用无轴退纸架，它装备了压缩空气操纵的纸卷芯卡紧锥头。借压缩空气 操纵的纸卷芯卡紧锥头从两端插入纸卷芯孔中以支承纸卷。纸卷芯卡紧锥头同 时，使纸卷与机架上的轴承及制动器连接。它可以适应多种纸卷芯直径和纸卷 幅宽，比传统的带卷纸轴的纸卷在退纸时稳定性好，尤其是在小直径纸卷芯和 窄幅纸卷上更是如此。 退纸卷的卷纸轴上装设有联轴节，在工作位置时通过气动装置使之与制动 器和传动电机相连接。复卷机上退纸制动器要考虑纸卷在最大直径和最高车速 时的制动要求，以减少断纸时的纸损耗。制动器常用的有气动刹车器、磁粉制 动器及机械抱闸刹车装置等c f 在通常情况下，制动发电机与其它刹车装置结合 使用。 2 1 2 纵切部 纵切机构是复卷机重要的部件之一。平直而光滑的切边能保证分卷容易， 并保证印刷时减少起毛。纵切机构应尽可能靠近纸卷安装，使切开的纸幅在卷 纸前的行程中减少或不产生横向的位移。 纵切机构按切纸原理分为两大类压切机构与剪切机构。压切机构的刀辊 其线速及圆刀的线速度均与纸幅速度相同或略大。圆刀靠弹簧或气压与刀辊 压紧，借摩擦力被带动同时划开纸幅。剪切机构具有一对剪切圆刀，分别装 在两根轴上，成对的互相咬合，把纸幅用剪开的方式切开。由于它能够保证 纸的切边光而平滑，刀片的耐磨性高，用的较多。 为了提高工作效率和提高复卷质量，现代复卷机在纵切刀的横向调整上国 外部分厂家采用了步进电机的同步调刀系统，这样可以准确快速的调整纵切宽 度，节省辅助工作时间。 高速复卷机的纸边输送系统通常采用两种方式：风机直抽式和文丘里吸送 式。前者利用放置于楼面下的风机与放置在纵切边刀附近的风管相连，纸边吸 入叶片带有刀片的风机打碎后送向水力碎浆机，因此需要经常更换刀片。后者 也采用高压离心风机，直接将纸边吸过文丘里管后送至水力碎浆机，不经过风 机，此种输送方式的缺点是当复卷机车速较高时，选用的风机功率较大，增 加运行功耗。 2 1 3 卷纸部 ( 1 ) 舒展辊 ，5 陕西科技大学硕士学位论文 舒展装置通常是为了使纸幅在纵切后保持切缝分开而设的。在某些纸种中 在纵切刀前也使用舒展器，以消除纸幅的皱纹和松弛区段，保证纵切良好。常 用的舒展器有三种型式：d 形舒展杆、弧形辊以及z 型双杆舒展器等。 ( 2 ) 支承辊 支承辊用以支承纸卷。它是空心铸铁辊或普通管辊，辊体是铸铁管或钢管， 其直径按复卷机幅宽通常在4 0 0 - , 7 0 0 m m 或以上。两辊之间的中心距比辊径应大 于1 0 15 m m ，在这样近的距离下，放在支承辊上的纸卷芯在开始卷取时才不致 被卡紧在辊间。 支承辊的表面一般是有螺旋线槽或沟纹，藉以使辊面与纸卷间的摩擦系数 增大和排出空气以减少噪音。在很多情况下，前支承滚除开有沟纹外还要进行 表面处理以增加耐磨性，如喷砂和镀钼。 ( 3 ) 卸卷器 随着复卷机车速的提高，大多数复卷机都装有卸卷器，用以将已卷好的纸 卷从两支承辊间推出，并使之卸到地面上。国外先进的复卷机则将放置芯轴、 芯轴定位及纸切断的操作全部自动化控制，以节省辅助操作时间，提高效率。 ( 4 ) 传动机构 在近代的复卷机中，配置两台电动机各自单独传动两个支承辊，以便于控 制两辊的速度差，有利于卷取紧度合适的纸卷。 2 1 4 压力机构 压纸辊的作用力对纸卷紧度有较大的影响。压力调整机构的作用是保持纸 卷与支承辊压区的压力稳定，约为1 1 2 公斤力厘米( 约为1 1 2 千牛米) ，这 就防止在初卷时因纸卷轴太轻而打滑以及在复卷后期因压力太大而卷得太紧。 对某些纸卷来说，压纸辊应装配有液压或气压悬称机构根据电位器或超声波传 感器测的成品纸卷卷径信号自动控制悬称力的大小。 2 2 复卷机控制要求 2 2 1 质量指标 双支承辊下引纸复卷机的自动控制系统主要应用于复卷书写纸、静电复印 纸、板纸等的复卷，对于这类纸种的成品纸卷的质量指标如下：具有足够的硬 度，而且内紧外松、径向硬度分布均匀，保证纸卷在运输、储存过程中不变形、 不崩裂，在印刷设备或其它加工设备上能平稳运行。用纸张的残余应力可以评 价纸卷紧度的分布情况，即纸张的残余应力要小而均匀j 。影响纸张残余应力 的因子主要包括三个方面：纸幅张力( t e n s io n ) 、压区压力( n i p lo a d ) 、 基于退纸辊张力复合控制的复卷机电控系统研究与实践 扭矩( t o r q u e ) ，简称t n t t 。为了达到纸卷对紧度的要求，需要对这三个指 标进行严格控制。 下图是在复卷过程经常出现的纸病示意图： 回臼 凹陷辊状菊花状 弯弧状。 竹笋状 塌肩状。 图2 2 纸病示意图 f i g2 - 2s k e t c hm a po fb a ds c r o l l 2 2 2 控制指标 复卷出的成品纸卷形态的优劣在很大程度上取决于复卷机性能。一台完善 的复卷机必需具备下列几种机能一j ： ( 1 ) 纸幅张力控制； ( 2 ) 支承辊转矩自动控制； ( 3 ) 压纸辊压力的自动控制； ( 4 ) 电力驱动的“挠性 起动和适当的速度控制。 下面将分别从运行机理上分析这几种程控机构。 ( 1 ) 压纸辊压力的自动控制 卷取过程中成品纸卷的直径在逐渐增大，成品纸卷的重量在逐渐增加，成 品纸卷与两底辊的接触点也在改变，这就是说如果压纸辊施加的压力恒定的 话，成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力也在变化。为此如果期望最佳的纸 卷形态的话，就必须借释放压纸辊施加的压力负荷来补偿上述两项因素的影 响，才能获得成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力恒定的要求。但由于压纸 辊液压系统释放的压力与成品纸卷直径之间的关系是非线性特性。这给压纸辊 压力自动调节带来了一定的难度。 仅仅有压纸辊压区压力的程控，还不能生产出质量良好的纸卷。只有压纸 辊压区压力自动控制和支承辊转矩程控的适当配合，才能卷成从纸卷芯到外层 硬度均匀的纸卷。 ( 2 ) 支承辊转矩自动控制 为了获得优质纸卷，支承辊转矩或速度控制必须满足适当的条件。如使用 陕西科技人学硕t 学位论文 速度控制，支承辊间速差幅度应小于0 2 ，且当纸卷直径增大时，两支承辊 的速度必须接近( 1 ：1 ) 很多速差系统并未按此方案设计，故收效有限。 对许多纸种来说，在起动时要用正速差，使得卷芯处卷得紧，而在直径卷 大以后又希望有负速差，使纸卷外层卷得松些。如无精度高而配制适当的速差 程控，是不能达到这种要求的。在这里先要说明一句，这里说的速差控制是指 的速度给定差控制，前后两支承辊的实际的速度其实是一样的，只不过因速度 给定差的存在使得它们所承担的负荷不一样，因此，这里所说的速差控制实质 上也是转矩差控制。 为了满足纸卷内紧外松的要求，前后底辊的控制的大概趋势是在起动时差 不多全部转矩施加于前底辊上，使纸卷绷紧，随着纸卷直径增大，前底辊的转 矩逐渐变小，后支承辊的转矩大于前支承辊，直到两支承辊的转矩相匹配为止。 然而，应当强调，转矩的控制最重要的还是起动时的转矩。 ( 3 ) 张力的自动控制 纸幅张力控制是保证纸卷形态的至关重要的因素之一，纸幅张力最重要的 作用是展平纸幅，同时稳定的纸幅张力还将避免纸幅横向偏移。纸幅张力的大 小对纸卷硬度的影响并不是关键因素，所以复卷机运行中通常是将纸幅张力调 节到能保证使纸幅展平。纸幅在复卷过程中，纸的张力大小主要由纸种来决定， 通常为0 3 2 公斤力厘米( 约为o 3 2 千牛米) 。复卷机的传动应自动地保持 张力稳定，并能根据生产需要进行调节。调节范围通常为1 ：4 ，张力最大的波 动值不应超过1 0 ，最小张力为0 3 公斤力厘米左右( 约为0 3 千牛米) 。 纸幅纸力控制分为直接张力控制和间接张力控制两种，一般来说，直接张 力控制精度高，需安装张力传感器，投资较高；间接张力控制方式不如直接张 力控制精度高，投资较底。 同时为了防止升、降速时的瞬间机械设备通过纸幅突然发生倾斜，造成纸 幅横向窜动或断头，必须能够预设静止张力。对于要求高精度张力控制及高生 产率的复卷机系统还应该考虑动态补偿环节，用以减小升降速过程中纸幅张力 的变化。 本章将要介绍的复卷机电控系统，就是采用带有制动发电机的电气控制来 控制退卷张力的。在退纸辊运行时，退纸辊电动机实际上处于发电回馈制动状 态。为适应高速和大的卷径变化范围，也是为了克服张力大滞后给复卷机直接 张力控制系统带来的不便，在采用直接张力控制时可增设采用前馈控制，这种 方法可使复卷机获得良好的性能。 ( 4 ) 电力驱动的“挠性”起动及适当的速度程控 基于退纸辊张力复合控制的复卷机电控系统研究与实践 为了使纸幅不承受冲击张力，减少不必要的断头，复卷机的起动总是希望 越平稳越好。给调速系统的转速电流双闭环前加入给定积分器，有利于复卷机 的平稳起动，给定积分器的时间常数越大，系统起动越平稳。所以给定积分器 在复卷机传动系统中有着十分重要的作用，其积分时间常数可在较大范围内调 整，以适应不同加工工艺的要求。 以上四点是为了满足复卷工艺，电控系统所必须具备的调节机能。除此之 外，复卷机对电控系统还有其它的要求，包括纠偏，自动检测到断纸后能紧急 刹车，对液压站、气站的连锁控制，对圆刀的控制，计长等，这些方面在具体 设计系统时都要考虑到。 谈西科技人学硕： 学位论艾” 3 复卷机交流传动控制系统的组成 由于直流电机磁场和转矩自然正交，从控制的角度易于实现调速，并且直 流电机的制造与直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，在许多需要 调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用，所以早期的复卷机控 制以直流传动为主。然而，直流电机需要换向机构，对电机的容量有很大的限 制，此外直流电机是饶线式转子，转子在高速转动时电机的机械强度受到威胁， 对转速的提高也是很大的限制。因而可靠性降低，维护量大，耗费较大的后续 资金。随着电力电子技术的发展，交流调速系统也可达到很高的性能特别是向 量控制交流变压变频调速系统，通过坐标变换实现磁场与转矩的完全解藕把异 步电动机等效成直流电机，在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美， 且交流电机本身具有可靠性高、维护量少等优点，交流调速系统在许多应用领 域具有明显优势，因此复卷机的传动控制系统正在逐步由全数字直流控制系统 向就交流变频传动控制系统发展1 6 j 。 变频调速是一项效益高、性能好应用广泛的交流传动技术。作为实现变频 调速的控制装置，变频器已被广泛应用于工业、农业以及国防等各个领域，在 未来世界中将会扮演越来越重要的角色。 3 1 变频器矢量控制原理及变频器的选择 对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械( 如造纸机械、压钢机 等) ，通常采用矢量控制高性能型通用变频器。如安川公司的v s 一6 1 6 6 5 系列， 西门子的6 s e t 系列变频器。本文设计的交流传动控制系统中采用的变频器均 为西门子的6 s e t 系列变频器。 3 1 1 矢量变频控制原理 2 0 世纪7 0 年代，西门子工程师f b l a s c h k e 首先提出异步电动机矢量控制 理论来解决交流电动机转矩的控制问题。矢量控制的实质是将交流电动机等效 为直流电动机，它的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流，通 过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流，在通过按转子磁场定向 旋转变换，等效成同步旋转坐标下的直流电流( 相当于直流电动机的励磁电流， 相当于直流电动机与转矩成正比的电枢电流) ，然后模仿直流电动机的控制方 法，求取直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对电动机的控制 【引。控制原理如图3 1 图中给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电 一丑o - 堆十璀纸辊张山复合控制的复巷机【乜控系缱研究1j 实故 流的给定信号i = i 和电枢电流的给定信号i ：，经过同步反旋转变换v r d 得到i = r 和 刍。在经过2 3 变换得到j ：、i ：和i ；a 把这三个电流控制信号和由控制器得到的 频率信号甜加到电流控制的功率变换器件上，即可输出异步电动机调速所需的 三相变频电流。 信。 号 一二_ 二二一二反馈信号 异步电动机 中 一 一1 a ! m 等效直 一：船l 垤t ，裟 幽3 - 1 父量控制原理结构幽 f i g3 1s t r u c t u r eb l o c ko fv e c t o rc o n t r o l l e dp r i n c i p l e 矢量控制的基本方程式如下： 其中等效为定子励磁电流分量： 。：- 扛+ 珊2 l m(31 2 s 一1 ) m 。哼+ i 即2 l l ， 电磁转矩： t 一3 p l 脚：i ；2 l ( 3 - 2 ) 转差频率： q = 印一q l 。i ；i z - 2 妒, 2 ( 3 3 ) 式中妒：为转子磁链：l 。励磁电感；z 2 为转子励磁时间常数：l 。转子全自感；p 为电动机极对数；s 为拉氏变换变量；q 转差角速度；q 为转于角速度；珊旋 转磁场角速度。 山式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 知，转干磁链妒：仅由i = l 产生，与j ；无关，特控制使 妒，恒定不变，则电磁转矩t 无惯性地随本i 卜比变化。由式( 3 3 ) 知可以通过控 制定子电源频率泉控制等效电舡电流达到拄制转矩的目的。 通过上述分折可以看出，矢蹙控制变频调速宴现了转矩电流与励磁电流的 解耦控制，完令可以达剑直流电机蛹速的动态性能而目，变频蒯速又- 1 丁以调速， 时也能恬约电能，适台于复卷机的速度调试。 陕西科技大学硕上学位论文 3 1 2 变频器的选择及再生能量的处理方式 变频器的容量可以从三个角度表述：额定电流，驱动的电动机功率和额定 容量。 变频器的选则应满足以下原则1 9 】： ( 1 ) 电压等级与驱动电动机相符； ( 2 ) 额定电流为所驱动电动机额定电流的1 1 1 5 倍，例如对于笼型式异步 电动机，应以变频器的额定电流大于或等于电动机的最大正常工作电流1 1 倍。 ( 3 ) 根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式，例如复卷机的退纸 辊电机负载特性为恒功率特性，应尽可能选择矢量型变频器，并且针对调速 精度和动态性能要求较高，应选择带速度反馈的矢量控制方式的变频器。对 于电动机功率在2 8 0 k w 以上应选用交流型变频器，7 5 k w 以下的可采用电压型 变频器，7 5 k w - - 2 8 0 k w 的电机可以根据实际情况决定。 在通用变频器中，对再生能量的处理方式有3 种： ( 1 ) 将能量耗散到与直流回路电容器并联的“制动电阻 中。 ( 2 ) 由并联在直流回路上的其他传动系统吸收。多台传动系统中每台单机的 在生能量可以被充分利用，多台逆变器一般不会同时处于制动状态下，回馈到 直流侧的能量，可以被正处于电动状态下的另一台逆变器所吸收。在不能完全 吸收的情况下，则通过共用的制动单元制动，使未被完全吸收的再生能量消耗 在制动电阻上。 ( 3 ) 使其回馈到电网。本系统采用直流母线并联，网侧整流电源为可逆整流 器，使复卷正常运行时退纸辊电机回馈的电能直接被前后底辊吸收多余能量则 回馈给电网。在急停时，退纸辊和前后底辊均有不同的能量回馈到直流侧，使 直流母线上的电压升高过大，因此为了保证变频器的安全，一般在变频器间通 过快熔和接触器相连p j 。 3 2 复卷机运行状态和传动点的工作状态 1 引纸：两个卷取底辊电机处于低速电动状态，退卷电机也处于低速电动状态。 2 卷纸：卷纸分为三个阶段一爬行、运行、停止。在前两个状态，两个底辊电 机处于电动状态，两台电机带动整个系统的运行。纸幅的张力是通过放卷电机 提供的反向力矩获得的，开始卷纸时纸卷较松，退卷电机处于电动状态，通过 向后的转动来使纸幅绷紧；随着转速的提高，放卷电机被拖动高速反转，此时 退纸辊电机处于倒拉反转制动状态，提供制动力矩来使纸幅获得张力。在停止 状态时，所有的三台电机都处于回馈制动状态。 基于退纸辊张力复合控制的复卷机电控系统研究与实践 当电机处于倒拉反转制动和回馈制动状态时，电动机作为发电机运行，如 果做适当的安排，把生成的电功率提供给电源系统。这样的运行再生模式，对 于大惯性负载制动，特别是复卷机传动系统时可以使用，减少电动机消耗的电 网电能。 3 3 交流传动系统供电方式设计 通过上面的分析，复卷机传动系统属于多电机传动，放卷电机和前后底辊 电机在复卷过程中，有时处于电动状态，有时处于发电制动状态。制动时，回 馈能量将导致中间回路的储能电容器电压上升，最终导致变频器“制动过电压 保护 动作，故障停机，影响系统运行。 鉴于以上原因，公共直流母线系统是解决多电机传动技术的最优方案，很 好地解决了多电机问电动状态和发电状态之间的矛盾。在同一系统中，同一时 刻不同装置可工作在不同的状态，整流回馈单元保证了公共直流母线电压的稳 定供给，又将多余的能量回馈给电网，实现了再生能源的合理利用。 所以基于公共直流母线的交流变频分部传动控制系统是中大型纸机复卷机 传动系统的趋势和潮流。 具体的说，公共直流母线技术有如下优点1 1 0 】【1 1 】： ( 1 ) 高效节能。由于采用了交流变频传动技术，所以在电能使用效率上优于 直流传动技术，而由于采用了集中整流技术，则在传统交流系统基础上又能节 约8 l5 左右。 ( 2 ) 抗干扰能力强，稳定性好。集中整流技术使得所有逆变器的直流母线电 压一样。而且由于母线容量大，直流电压比单台变频器的母线电压更加稳定， 使逆变器系统的抗干扰性能提高，例如每个逆变器对三相输入电压扰动不如通 用变频器那样敏感，因此直流母线传动系统的控制精度比交流母线的控制精度 要高，并且直流母线技术的应用也使该系统的谐波得到有效抑制。 ( 3 ) 结构紧凑，节省空间。公共直流母线使用的是变频逆变器，整流部分由 原先的各个变频器的整流单元变为公共整流单元，使结构紧凑，工作稳定，如 果有时出现很大的发电功率时，如所有传动装置同时停车时，则可以采用一个 附加的总制动单元，在多电机传动系统中省去了大量的制动单元、制动电阻等 外围设备。 ( 4 ) 安全性高，可靠性好。公共直流母线技术可克服泵升压而防止过压保护 动作，应用在复卷机系统上，能使某些由于惯性或负载变化而处于发电状态的 电机所回馈的能量先回馈到电网或消耗在制动上，这可避免过压而造成的跳 闸、停机现象；当公共直流母线由可逆整流单元供电时，可实现能量回馈产生 鹃 陕阿科技 学坝一匕学位论文 回馈制动，这时传动系统就组成了一个带回馈制动的四象限系统，能收到很好 的停车效果。图：卜l 为直流公共母线供电结构图： l( 沮龋辊后底辊前庸辊 圈3 2 直流公拭母线供电结构幽 f i g3 - 2s l r u c t ur eb l o cko fc 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 d cp r of i b u s 其主回路由进线主- 丌关、快熔、接触器、进线电抗器、自耦变压器、一个 整流回馈单元和三台逆变器组成”。在正常工作时放卷电机的逆变器处于整 流工作状态，印能量由电动机回馈到直流母线上，而其它逆变器均处于逆变工 作状态，将直流母线上的电能输送到对应的电机中”“。这样通过直流母线实 现了逆变器之白j 以及逆变器和整流器之间的能量交换；将处于整流状态的逆变 器发出的电能通过直流母线输送到其它处于逆变状态的逆变器中，若逆变器逆 变所需的总能量大于逆变器整流发出的总能量时，可通过整流器从电网补充电 能；反之，利用可逆变整流器将电能回馈给电网。这样将原本需要通过能耗制 动器消耗的电能用于驱动其它电机或回馈到电网，大幅度地节省了电能。 为使整流回馈单元在电气上同电网隔离，需要装设一台主开关或功率隔 离开关。主接触器能够在工作时将装置投入或退出电网且在故障时保护所连接 的装置。整流回馈单元的网侧至少需要相对阻抗压降5 。这可以通过电感为 4 的网侧进线电抗器束实现。这样既可以避免电网谐波对调速系统的影响， 也w 减少整流装置产生的高次谐波对电网的影响。叫馈桥用自耦变压器有以下 优点：尉j 使在发电状态工作时，在所有电机转速卜_ 均可达到电机的最大转矩： 基于退纸辊张力复合控制的复卷机电控系统研究与实践 在小电网和电网电压有扰动时，有一个较好的适用性。 整流回馈单元的能量应根据全线电机或逆变器的负荷分配率、同时率及电 动、发电状态电机的功率等使用情况而定。 陕两科技大学顾l ：学位论文 4 复卷机退纸辊张力复合控制系统研究 复卷机在卷取的过程中，放卷辊的半径和转动惯量不断减小，为时变参数。 为了保证纸张在卷取过程中平稳工作，必须要求纸幅的张力和线速度恒定。因 此，对于放卷系统而言，进行张力控制是核心技术。 4 1 复卷机退纸辊张力的产生 复卷机对控制系统得基本要求是保持张力恒定。困此，必须弄清楚纸幅在 加工过程中张力怎样形成的以及它与哪些因素有关? 只有这样才能找到设计 恒张力系统的正确选径。 后底辊 图4 1 放卷张力形成示意图 f i g4 - 1s k e t c hm a po fu n w i m d e r st e n s i onf o r m 建立放卷系统