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1、唐钢3号镀锌线带钢张力控制驱动原理分析与应用唐钢冷轧薄板厂刘巍巍 张文欣摘要 电力电子技术的发展，器件制造水平的不断提高，使得电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了迅速发展。特别是近年来，电力电子器件向着大容量、高效率、高响应、低损耗的方向发展。而变频器作为现代电力电子器件与计算机技术有机结合的产物，随着产品的开发创新和推广使用，使得交流异步电动机调速领域发生了一场巨大的技术革命，直流传动的控制特性、精度、调速范围等控制要求，以现有的变频器技术已完全能满足。关键词 变频调速 矢量控制 主速度 张力控制前言西门子变频器以其控制方式的多样性，适用于多种场合。速度控制、转矩控制、位置控制，
2、可由工艺命令进行动态切换。如配以PG卡和旋转编码器反馈实行矢量闭环控制，调速范围可达1:1000，速度精度0.02%，转矩精度5%。它们在带钢连续运行、速度和张力控制等方面发挥着十分重要的作用。1、唐钢3号镀锌生产线工艺简介下面为唐钢3号镀锌生产线的工艺布置图： 图1 镀锌生产线总布置图主要工艺数据如下：入口、出口段最大速度 270 m/min工艺段最大速度 180m/min点动速度 0-60 m/min 入口、出口活套钢带最大速度 150m/min入口、出口活套小车最大速度 25 m/min入口、出口段正常加速度 0.4 m/s (7.68 sec)入口、出口段正常减速度 0.4 m/s (
3、7.68 sec)入口、出口段最大加速度 0.88 m/s (3.53 sec)工艺段正常加速度: 0.05 m/s (40 sec)工艺段正常减速度: 0.15 m/s (13.4 sec)工艺段最大加速度: 0.31 m/s (6.45 sec)从上图中可以看出，整个镀锌生产线分为三个区域：入口段、工艺段、出口段。共有116台变频调速装置和6套直流母线整流装置，全部为西门子驱动产品。要保证生产线的速度、张力控制，连续进行生产，这些驱动装置的正确控制尤为重要。在现代化带钢连续镀锌生产作业线中，带钢全长数千米，要保证机组高效率作业，带钢只有在张力控制下才能对中运行，在一定程度上可改善带钢不平坦
4、的板形，保证带钢在工艺段沉没辊和冷却塔第一转向辊之间稳定运行，只有这样才能获得均匀的镀层。出口段的张力作用，可保证带钢卷紧并且在必要时进行错边卷取。在3号连续镀锌生产线中，共设有八组张紧辊装置，其中1号、4号、8号张紧辊分别为入口段、工艺段和出口段的主速度辊，4号张紧辊又作为全线的主速度辊控制着全线速度、张力的分布和调整。2、生产线张力分布下图为生产线带钢张力的分布图。 图2 生产线带钢张力的分布图由带钢张力分布图可知，在整个生产线中各段带钢张力是平衡的，即发电机和电动机的张力总值是相等的，每个机组的带钢张力是根据带钢单位截面积所允许承受的力（即张力系数）以及机组所生产的带钢规格计算出来的，可
5、由下式表示： F=bDfa式中：F-带钢张力 b-带钢宽度 Df-带钢厚度 a-张力系数这样按照产品的规格范围，即可算出该机组的最大张力和最小张力。在实际操作中，根据带钢横截面积，即可决定张力大小。带钢在退火炉内一般被加热到700800，在这样高的温度之下，由于带钢的塑性剧增，从而导致带钢截面积的收缩，其主要表现形式为带钢的宽度变窄。实践证明，在固定张力的情况下，带钢在炉内的宽度变窄值是随炉温的升高而加大的。因此，为避免在高温下因断面收缩太大而引起断带事故，必须适当调整带钢的张力设定值。3、带钢的速度、张力控制在参与生产线速度、张力控制的所有驱动设备中，分为两种控制方式：速度控制方式和转矩控制
6、方式。其中，1号、4号和8号张紧辊为速度控制方式，其它均为转矩控制方式。3.1 转矩控制与转速控制的区别(1) 转速控制的特点我们所讨论的变频调速，都是以控制电动机的转速为目的的，其基本特点有:(a) 变频器输出频率的大小(从而电动机转速的高低)随给定信号的大小而变;(b) 电动机的转矩大小是不能控制的, 它总是和负载的阻转矩处于平衡状态。因此, 是随负载的轻重而随时变化的;(c) 电动机转矩的极限值是受发热和过载能力(取决于临界转矩)制约的。(2) 转矩控制的特点转矩控制是矢量控制模式下的一种特殊控制方式。其主要特点是:(a) 给定信号并不用于控制变频器输出频率的大小, 而是用于控制电动机所
7、产生的电磁转矩的大小(b) 电动机的转速大小取决于电磁转矩和负载转矩比较的结果，只能决定拖动系统是加速还是减速，其输出频率不能调节，很难使拖动系统在某一转速下等速运行。图3 转矩控制的概念 图4 转矩控制时的转速(c) 拖动系统的加速度根据电力拖动的知识，加速度的计算公式是:TJ动态转矩，在忽略损耗转矩的情况下，等于电动机的电磁转矩与负载的阻转矩之差: TJTMTL (20)(3) 在转矩控制模式下起动的优点在转速控制模式下，起动时的动态转矩不可能根据负载轻重自动进行调整。在预置起动转矩时，只能按负载最重的情况进行设定，故在起动瞬间容易产生冲击。 图5 转矩控制用于起动如采用转矩控制模式，可以
8、使电动机的电磁转矩逐渐增大，直至能够克服负载转矩时，动态转矩和加速度才从0开始缓慢增加，从而使起动过程十分平稳。在图c中，图(1)是负载较轻时的情形;图(2)是负载较重时的情形。 用转矩指令进行速度控制，最适用于线速度恒定，卷绕型负载的场合，能保证生产全程速度跟踪，也可接受外部卷径变量值作为转矩补偿，使电机轴端输出以恒功率状态施于负载。4、 活套的张力控制大家都知道，活套是连续生产处理线中保证生产连续运行，维持带钢张力的重要设备之一。当入口带钢焊接时，入口段或出口段出现故障时，活套是保障生产连续进行，提高机组的作业率和成才率，减少废品和事故时间的关键。这就要求控制系统过载能力强、控制精度高、动
9、态响应快，能随时响应主机速度变化率，从而达到全线张力控制的稳定性。反之，动态响应慢、速度跟踪性差，则会造成张力波动，失调严重时，还会有失张或断带等现象。 活套驱动采用转矩控制模式，被动响应。被控对象是转矩，给定信号是用来控制电机输出力矩，当负载转矩低于设定转矩，电机升速，反之则降速。转速是一个浮动量，两者由转速来寻求负载“平衡点”，达到该点，转速就处于相对稳定值。所以这种控制模式非常适合大惯量传动。 转矩控制分无传感器矢量控制和带传感器矢量控制，前者控制精度略低，后者响应度、灵敏度和控制精度明显高于前者，适用于高精度的控制系统中。 . 图6 活套示意图活套小车行走位移 x : L = 2* n
10、 * x n为活套内转向辊的数量带钢位移的变化量取决于入口和出口速度（V1, V2)的差,即： dL = (V1 V2) dt = 2 * n * dx因此活套小车的速度为： Vb = dx / dt = (V1 V2) / (2 * n)一个预加转矩Cw 为了维持带钢的张力: Fw = 2 * Tw / Dw Ft = Fw + Fb + Fs (Sh)总的带钢张力为:Ts = Tb + Ft / (2 * n)转动惯量补偿 Cjw 和摩擦转矩补偿Cfw 同样需要考虑，但是要正确地计算它的数值要考虑很多方面的变量，而且惯性和摩擦变量的计算是一个非常复杂的算法，所以最实用的方法是安装张力计辊直接得出带钢张力的反馈值与设定的偏差调节驱动的速度控制器，改变给定转矩的大小，可以改变带钢的松紧程度。如下图所示活套控制配置图结束语 在速度或转矩高精度控制时，宜采用带传感器矢量控制，编码器与电机同轴。使用脉冲编码器与PG卡形成闭环控制，再配以合适的张力或惯量补偿，控制精度将大大提高，另外在现场调试时更要认真仔细，正确输入电机的各种数据及相关信息，使得我们的驱动装置工作在最佳控制状态，最大限度的满足生产线的工艺要求，生产出更多更好的产品。
