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上海津信變頻器有限公司
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閱讀：2190發(fā)布時間：2014-7-17
丹佛斯變頻器FC302在管絞機(jī)收卷轉(zhuǎn)矩控制上的應(yīng)用
Danfoss FC302 inverter applications in take-up torque control of tubular stranding machines
摘要：本文介紹了丹佛斯FC302變頻器，配合編碼器進(jìn)行閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，在管式絞線機(jī)的收卷裝置上的應(yīng)用；并簡述了開發(fā)過程。
關(guān)鍵詞：丹佛斯變頻器 FC302 轉(zhuǎn)矩控制 管式絞線機(jī)
Abstract:This article introduced Danfoss FC302 inverter applications in take-up devices of tubular stranding machines with encoder to establish closed loop torque control, and its development process.
Keywords: DanfossInverter FC302 Torque control Tubular stranding machine
引言：管式絞線機(jī)絞線機(jī)（以下簡稱“管絞機(jī)”）是一種能廣泛應(yīng)用于各類軟/硬導(dǎo)體線(鋼絞線、鋁絞線及銅絞線等)及電子線（如:電源線、耳機(jī)線等）的絞合機(jī)械設(shè)備，使多根單支導(dǎo)體扭成一股，達(dá)到線材的工藝要求。扭絞后的線纜往往具有很高的強(qiáng)度，因此就對收卷裝置提出了較高的要求。
管絞機(jī)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)如下圖所示：
其中：
1.絞籠：內(nèi)部裝有放線搖籃，將要扭絞的線盤安裝在搖籃上，絞籠轉(zhuǎn)動將這些線纜扭絞在一起，絞籠由絞線電機(jī)帶動。
2.牽引輪：在絞籠轉(zhuǎn)動的同時，牽引輪根據(jù)節(jié)距（pitch）的要求，按照一定的同步系數(shù)與絞線電機(jī)保持同步。
3.計米裝置：用于測量生產(chǎn)的線纜長度。
4.收卷裝置：將扭絞后的線纜成品纏繞在線盤上。
傳統(tǒng)的收卷裝置由力矩電機(jī)控制器和力矩電機(jī)組成。力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性見圖二，主要特點是在恒定電壓時，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為zui大轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速時（一般為1500RPM），輸出轉(zhuǎn)矩為0；轉(zhuǎn)速下降時，輸出轉(zhuǎn)矩逐步增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速為0，即堵轉(zhuǎn)時，輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到zui大值，即堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩T0；T0的大小與電機(jī)電壓有關(guān)，電壓越大轉(zhuǎn)矩越大。
當(dāng)生產(chǎn)線速度恒定時，開始收卷圈筒直徑較小，收卷轉(zhuǎn)速較快，收卷轉(zhuǎn)矩T也較小，根據(jù)線纜張力F= T / R ，由于這時R也較小，所以線纜上的張力并不是很小；當(dāng)收卷卷徑變大時，收卷轉(zhuǎn)速將變小，為使線纜上的張力保持恒定不變，理論上要求收卷電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩變大，而轉(zhuǎn)速變小時輸出轉(zhuǎn)矩變大，正是力矩電機(jī)的固有特性，所以當(dāng)線速度恒定不變時，使用力矩電機(jī)可以近似地滿足收卷張力恒定的工藝要求。
力矩電機(jī)收卷的不足之處在于：
電機(jī)：加裝編碼器反饋的異步電機(jī)
驅(qū)動器：Danfoss FC302變頻器
Danfoss FC302變頻器支持轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，即使驅(qū)動普通異步電機(jī)，也能實現(xiàn)5%的轉(zhuǎn)矩控制精度。PLC做收卷卷徑計算，然后算出收卷轉(zhuǎn)矩給定值，通過RS485串行通信口傳輸給變頻器。整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖三。
1）電機(jī)選擇：
首先根據(jù)線盤和張力要求，計算所需的zui大轉(zhuǎn)矩，存在以下等式：
轉(zhuǎn)矩×機(jī)械傳輸效率×減速比 = 張力×滿卷半徑
以常用的1600收卷筒為例，線筒直徑為1.6 m，通常滿卷直徑為1.25 m，假設(shè)工藝要求張力為1900 N，減速比為45.16，機(jī)械傳輸效率為0.8，可推導(dǎo)出所需轉(zhuǎn)矩為32.86 Nm，所選電機(jī)的額度轉(zhuǎn)矩必須大于等于32.86Nm。
再根據(jù)線纜的線速度VLine，核算電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)公式：
VLine = πD×n / 減速比
假設(shè)生產(chǎn)線速度VLine為100 m/MIN，卷徑為zui大卷徑1.25m時，可以算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 1150 rpm，小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1460rpm，滿足電機(jī)滿轉(zhuǎn)矩出力的要求；當(dāng)卷徑為zui小值0.8m時，可以算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 1797 rpm，在合理的恒功率工作區(qū)域之內(nèi)。因此選擇額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為36Nm，額度功率為5.5 kW的4極異步電機(jī)。
如果依然選用力矩電機(jī)收卷的話，則需要選用約100Nm、5的力矩電機(jī)，電機(jī)容量將比普通異步電機(jī)大3倍。
2）卷徑計算：
提高收卷質(zhì)量的關(guān)鍵在于保持收卷張力的恒定，而張力 = 轉(zhuǎn)矩 / 卷徑，卷徑可由傳感器測得，但為了降低成本往往由PLC來計算得出卷徑。收卷排線裝置的兩端各有一個行程開關(guān)，將行程開關(guān)的信號輸入到PLC，就能在每次換向時疊加收卷卷徑。理論上，每次行程開關(guān)信號觸發(fā)都代表開始繞新一層，卷徑增加兩個線纜直徑，但實際線纜為圓柱形，所以增加的卷徑往往小于線纜直徑，所以需要引入修正系數(shù)λ。
收卷當(dāng)前卷徑 = 前收卷卷徑 +線徑×2×λ
計算出卷徑后，即可得出對應(yīng)的收卷轉(zhuǎn)矩。
3）變頻器參數(shù)設(shè)置：
參數(shù)號 | 參數(shù)名稱 | 設(shè)定值[代碼] |
1-01 | 電動控制原理 | [3]磁通矢量帶反饋 |
1-00 | 配置模式 | [2]轉(zhuǎn)矩 |
1-02 | 磁通矢量電動機(jī)反饋源 | [2] MCB102 |
1-20 | 電動機(jī)功率 (kW) | 電機(jī)銘牌值 |
1-22 | 電動機(jī)電壓 (V) | |
1-23 | 電動機(jī)頻率 (Hz) | |
1-24 | 電動機(jī)電流 (A) | |
1-25 | 電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速 (RPM) | |
1-26 | 電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 (Nm) | |
1-50 | 零速時的電機(jī)勵磁 (%) | 75 |
1-51 | 正常勵磁的zui小轉(zhuǎn)速 (RPM) | 30 |
17-10 | 信號類型 | [1] RS422 (5V TTL) |
17-11 | 分辨率 | 按現(xiàn)場編碼器分辨率 |
為了實現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩控制，首先在1-**參數(shù)中正確設(shè)置電機(jī)的各個參數(shù)，還需要再進(jìn)行完整的AMA（電機(jī)自適應(yīng)）；其它需要優(yōu)化的參數(shù)還包括：轉(zhuǎn)矩和電流、zui高轉(zhuǎn)速的限制，PID控制器的參數(shù)，通信參數(shù)，發(fā)生故障后的處理方式等。
| 力矩電機(jī) | FC302轉(zhuǎn)矩控制 |
能耗 | 電機(jī)能耗很大 | 異步電機(jī)工作于額度狀態(tài) 電機(jī)效率很高 |
自動化水平 | 使用過程中需要頻繁的人工調(diào)節(jié) | 設(shè)定好張力和收卷參數(shù)后，不再需要人工調(diào)節(jié)，自動化程度高 |
控制效果 | 對于靜摩擦轉(zhuǎn)矩和滑動摩擦轉(zhuǎn)矩?zé)o法自動補(bǔ)償，因此張力受卷徑和轉(zhuǎn)速的影響大 | 由PLC估算卷徑并進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，自動控制轉(zhuǎn)矩，不同的卷徑、以及在加減速和停車狀態(tài)下的收卷張力都很穩(wěn)定 |
通用性 | 力矩電機(jī)只在一定的速度范圍內(nèi)具有較好的轉(zhuǎn)矩特性，限制了收卷裝置的線速度和卷徑 | 普通異步電機(jī)在低頻以外的范圍都可以得到很好的轉(zhuǎn)矩特性 |
現(xiàn)場實際運行過程中，收卷裝置大大減少了操作員的工作量，提升了管絞機(jī)的自動化水平。系統(tǒng)調(diào)試也十分簡單易行，得到客戶的*。
[1] FC300編程指南. MG.33.MD.41. Danfoss
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