变频调速闭环控制的张力控制系统

    张力控制系统是张力传感器、张力控制器等组成的一类控制系统。广泛应用于冶金、造纸、纺织、线材、塑胶、薄膜等行业和设备。它通过张力的检测，调节辊间同步，实现收卷和放卷的均匀控制，如图2-72所示。
    图2-72    卷取机械的张力控制系统    ①卷取机械的张力控制。卷取机械是卷取各种成品和半成品的生产机械设备。卷取物料时，该设备的运行不仅要考虑与前级设备的速度同步性和稳定性，还需考虑随着卷取过程的进行，速度的增加和减小，以调节张力使之保持恒定。    由于张力控制系统的控制要求高，因此，变频器通常采用转矩控制方式。不同卷取机械的控制精度不同，采用的控制方案也不同。常用的控制方案有下列几种。    a．基于转矩电流检测的张力控制系统。    b．采用调节辊的张力控制系统。    c．基于检测张力的张力控制系统。    ②基于转矩电流检测的张力控制系统。这种控制系统中，用转矩电流反映张力的大小，转矩电流大表示被卷取物料的张力大。常用于在张力控制精度要求不高的应用场合，例如，冶金行业的带钢卷取、纺织行业的棉线卷取等。图2-73是基于转矩电流检测的张力控制系统示意图。
    图2-73    基于转矩电流检测的张力控制系统
    图2-74    采用调节辊的张力控制系统    被卷取的物料由滚动辊1带动，滚动辊2对被卷取物料施加一个相反的转矩，使被卷取物料具有张力，张力的大小与施加的制动转矩大小成正比。即用该转矩电流反映张力的大小，并经变送环节和控制器，输出信号到变频器，调节滚动辊2的电动机转速，使张力保持恒定。    通常，由电位器给出的电压，经转换后作为控制器2的张力设定值。张力测量值是转矩电流检测并经折算后获得。    变频器1可选通用变频器，根据速度控制精度要求，可采用速度开环或闭环控制系统。变频器2选用矢量控制方式的变频器或直接转矩控制方式的变频器。采用张力控制器实现基于转矩电流检测的张力控制系统。    设计时注意，由于被卷取物料被拉断时可能造成张力信号突减，造成电动机反向加速而超速的故障，因此，变频器2应选用具有速度限制功能的变频器。为便于维修和准备阶段的低速运转，变频器2应设置低速点动功能，便于点动运转。    ③采用调节辊的张力控制系统。图2-74所示是采用调节辊的张力控制系统。图中，调节辊根据卷取机的张力不同而上升或下降，安装在调节辊上的同步信号机检测调节辊偏离中心位置的偏差，并将该信号作为前馈信号与控制器1一起组成前馈反馈控制系统。当调节辊上升时，则补偿信号使滚动辊1的速度降低，反之，调节辊下降时，补偿信号使滚动辊1的速度增加。当调节辊在中心位置时，补偿信号为零，因此，变频器根据转速信号进行反馈调节，使转速保持稳定。    转速的设定信号，nSP同时加到两个控制器，实现转速的同步升速或降速。    设计时注意，由于该控制系统将振动造成的误差在机械侧吸收，因此，可选用U/f控制的变频器。由于张力的设定和调整是用机械弹簧和气压机械实现，因此，需设计有关装置，它造成张力调整不方便。    ④基于检测张力的张力控制系统。一些控制精度要求高的应用场合，例如，造纸厂的复卷工序。它要求已经卷在卷放机的纸张以恒张力高质量复卷到卷取机的纸卷上。图2-75所示是采用基于直接检测张力的张力控制系统。
    图2-75    采用直接张力检测的张力控制系统    图中，控制器1是转矩控制器，它比较张力设定值与张力实测值，用于补偿限制器的值。转速控制器（图中未画出）的输入信号是转速设定值和反转微速指令输入。因此，转速控制器以偏差信号来调节转速。卷取机的转速以积分形式不断增加，以适应纸卷直径的增大。通过控制器2调节变频器输出频率，使后底辊以增速运转。实际转速和设定转速信号被送到补偿器，进行转速变化率和机械惯性的补偿计算，修正的补偿值作为前馈信号被加到控制器1的输出，实现前馈一反馈控制。加速时，由于卷取机的大机械惯性，因此，应相应减小电动机的转矩；减速时，则应相应加大电动机转矩。因此，补偿器也称为惯性补偿器。    设计时注意，卷取机选用带再生制动功能的矢量控制或直接转矩控制变频器实现控制。控制系统在引纸到运行的过程中，前后底辊与送纸辊之间的纸幅有一个从松弛到张紧的过程，为延长该过程防止纸张被拉断，张力应设计按积分形式逐步增大，因此，需设计积分环节。    惯性补偿的输出是卷径的函数。通常只需要计算动态补偿转矩。将它与前向通道间接和直接张力控制转矩相加，并计算相应的制动电动机电枢电流。    张力控制系统在纸张拉断的情况下会迅速停止送纸辊的运转。因此，变频器应具有再生制动功能。卷取机在卷取过程中，卷筒直径不断增加，而送纸辊直径不断减小，为使转速同步变化，张力恒定，为此应选用恒功率特性的变频器。    基于张力检测的张力控制系统常用于薄膜制造行业中的录像带、录音带，各种塑料薄膜、塑料带、包装薄膜，各种纸张、各种薄金属板、带钢、有色金属带和金属丝、铜带、铝箔、铜丝等生产过程。