變頻器在直流傳動紙張卷繞機換代改造的實踐與研究【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計開題報告</b></p><p><b>　　電氣工程及其自動化</b></p><p>　　變頻器在直流傳動紙張卷繞機換代改造的實踐與研究</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　早期的造紙機等多數(shù)對速度調(diào)節(jié)控制要求

2、較高的工業(yè)設(shè)備、傳動系統(tǒng)都采用直流調(diào)節(jié)控制裝置，驅(qū)動直流電動機進行速度調(diào)節(jié)控制。直流調(diào)節(jié)裝置大都為模擬器件，調(diào)試難度大、穩(wěn)定性差、故障率高。 直流電動機電刷、換向器及測速機損耗大，均為硬接觸性磨損；隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展，特別是矢量技術(shù)的出現(xiàn)，極大改善了交流傳動的性能與可靠性，本設(shè)計采用變頻對直流傳動的改造進行研究和實踐。</p><p><b>　　二、主題部分</b></p>

3、<p>　　1、卷繞機的發(fā)展歷史</p><p>　　卷繞機有半自動和全自動兩個系列,有高速和低速、民用絲用和工業(yè)用絲用等不同規(guī)格。高速全自動卷繞頭是集機械、電氣為一體的高科技產(chǎn)品。1988 年, 日本帝人制機公司在北京國際紡機展覽會上, 首次展出了6頭同時卷繞6根絲的全自動卷繞頭。從1989年我國引進全自動卷繞頭到2000 年底止, 國內(nèi)化纖行業(yè)全自動卷繞頭市場基本上由德國的巴馬格公司, 日本的帝人

4、制機、村田、東麗公司和瑞士的立達公司所壟斷。1997年, 中國紡織科學(xué)研究院啟動了全自動高速卷繞頭的研究工作, 經(jīng)過幾年的努力, 開發(fā)了不同規(guī)格的系列化產(chǎn)品, 并迅速投放市場, 打破了外國公司的壟斷地位。</p><p>　　2、卷繞機改進的核心</p><p>　　卷繞頭自控系統(tǒng)的研究是整個設(shè)備開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。就電氣技術(shù)本身來說, 需要硬件與軟件的有機結(jié)合.。硬件如變頻器等, 根據(jù)各公司

5、的一般慣例, 均采用知名廠家的成熟產(chǎn)品) 軟件, 需要根據(jù)生產(chǎn)工藝的求, 獨立自主地研究和開發(fā)。</p><p>　　變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的重要發(fā)展方向， 變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了越來越廣泛地應(yīng)用，在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中產(chǎn)生可調(diào)電壓和可調(diào)頻率的逆變電路控制技術(shù)是變頻調(diào)速的核心技術(shù)，如何高速有效的對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行控制是本次研究的重點。因此，采用什么樣的控制方式及如何對系統(tǒng)進行設(shè)計成為我們面臨的最大的技術(shù)問題和難

6、點。</p><p><b>　　3、變頻技術(shù)的發(fā)展</b></p><p>　　變頻技術(shù)誕生背景是交流電機無級調(diào)速的廣泛需求。傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)因體積大故障率高而應(yīng)用受限。20世紀60年代以后，電力電子器件普遍應(yīng)用了晶閘管及其升級產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠遠無法滿足需要。20世紀70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM－VVVF)調(diào)速的研究得到突破，20世紀80年代以后微處

7、理器技術(shù)的完善使得各種優(yōu)化算法得以容易的實現(xiàn)。20世紀80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達國家的 VVVF變頻器技術(shù)實用化，商品投入市場，得到了廣泛應(yīng)用。 最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美國和德國憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術(shù)的優(yōu)勢，高端產(chǎn)品迅速搶占市場。步入21世紀后，國產(chǎn)變頻器逐步崛起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場。</p><p>　　變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。<

8、;/p><p>　　整流單元將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。高容量電容存儲轉(zhuǎn)換后的電能。逆變器由大功率開關(guān)晶體管陣列組成電子開關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波?？刂破靼丛O(shè)定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅(qū)動交流電動機。</p><p>　　在交流變頻器中使用的非智能控制方式有v／f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。</p

9、><p>　　(1)v／f正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式</p><p>　　V／f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩一速度特性，基于在改變電源頻率進行調(diào)速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V／f控制變頻囂結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能，麗且，在低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。</p>

10、<p><b>　　(2)轉(zhuǎn)差頻率控制</b></p><p>　　轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在v／f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動機的實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變

11、頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應(yīng)特性。</p><p>　　(3)電壓空問矢量(S￥P硎)控制方式</p><p>　　它是以三相波形整體生成效果為I；{『提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻

12、的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。</p><p>　　(4)變頻器的發(fā)展方向預(yù)測</p><p>　　變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。當今的運動控制系統(tǒng)包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢：驅(qū)動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件

13、，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。 隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實現(xiàn)變頻器的進一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響；二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)；三要看本身的能量損耗如何。這里僅以量大面廣的交—直—交變頻器為例，闡述它的發(fā)展趨勢

14、：主電路功率開關(guān)元件的自關(guān)斷化、模塊化、集成化、智能化；開關(guān)頻率不斷提高，開關(guān)損耗進一步降低。</p><p>　　變頻器主電路的拓撲結(jié)構(gòu)方面。變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對低壓小容量的裝置常采用6脈沖變流器，而對中壓大容量的裝置采用多重化12脈沖以上的變流器。負載側(cè)變流器對低壓小容量裝置常采用兩電平的橋式逆變器，而對中壓大容量的裝置采用多電平逆變器。對于四象限運行的轉(zhuǎn)動，為實現(xiàn)變頻器再生能量向電網(wǎng)回饋和節(jié)省能量，網(wǎng)側(cè)變流

15、器應(yīng)為可逆變流器，同時出現(xiàn)了功率可雙向流動的雙PWM變頻器，對網(wǎng)側(cè)變流器加以適當控制可使輸入電流接近正弦波，減少對電網(wǎng)的公害。 脈寬調(diào)制變壓變頻器的控制方法可以采用正弦波脈寬調(diào)制控制、消除指定次數(shù)諧波的PWM控制、電流跟蹤控制、電壓空間矢量控制（磁鏈跟蹤控制）。 交流電動機變頻調(diào)整控制方法的進展主要體現(xiàn)在由標量控制向高動態(tài)性能的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展、開發(fā)無速度傳感器的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方面。 微處理器的進步使數(shù)字控制成為現(xiàn)

16、代控制器的發(fā)展方向。運動控制系統(tǒng)是快速系統(tǒng)，特別是交流電動機高性能的控制需要存儲多種數(shù)據(jù)和快速實時處理大量信息。近幾年來，國外各大公司紛紛推出以DSP（數(shù)字信號處理器）為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)的稱為DSP單片電機控制器，價</p><p>　　4、卷繞機的卷繞方式</p><p>　　常見的卷繞方式有兩種,即摩擦卷繞和中心卷繞。摩擦卷繞的效果受到摩擦輥

17、的影響很大,如:分批整經(jīng)機的經(jīng)軸卷繞,傳統(tǒng)的機構(gòu)采用摩擦輥卷繞方式,影響產(chǎn)品質(zhì)量,且不利于后道工序生產(chǎn),特別是在升速和降速過程,影響會更大,也限制了整經(jīng)機向高速發(fā)展,所以新型的高速整經(jīng)機多數(shù)采用中心卷繞方式。自從變頻器技術(shù)問世以來,人們考慮將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到中心卷繞機構(gòu),可以發(fā)揮交流電動機本身固有的優(yōu)點,結(jié)構(gòu)簡單,堅固耐用,經(jīng)濟可靠,經(jīng)過多年的實踐證明,變頻調(diào)速技術(shù)可以滿足中心卷繞的要求,國內(nèi)外的整經(jīng)機、漿紗機、卷染機等同類設(shè)備已大量

18、采用變頻器中心卷繞技術(shù)。在張力控制要求更高的場合,采用交流伺服中心卷繞技術(shù)。</p><p>　　5、中心卷繞的恒張力控制方案</p><p>　　經(jīng)軸卷繞、織軸卷繞、輥卷繞采用中心卷繞方式,當卷繞直徑從小直徑向大直徑變化時(漿紗機織軸最小卷徑為100 mm ,最大卷徑為1 000 mm;卷染機卷布輥最小卷徑為200 mm ,最大卷徑為1 500mm) 為了使紗或布的表面張力保持不變,必須

19、保證轉(zhuǎn)速的變化與卷徑成反比,轉(zhuǎn)矩的變化與卷徑成正比,若沒有轉(zhuǎn)矩補償,隨著卷徑的增大,則紗或布的張力會逐漸減少,所以必須通過卷徑計算,進行轉(zhuǎn)矩補償,以保證卷繞過程中的張力恒定。</p><p><b>　　6、卷徑計算的方式</b></p><p>　　由誰來承擔(dān)卷徑計算,一般有2 種方式。第1 種方式:由PLC 計算卷徑。檢測出卷繞電機的轉(zhuǎn)速輸入PLC ,由PLC 進

20、行卷徑計算后,輸出控制信號給變頻器,達到控制卷繞軸或輥的運行第2 種方式:變頻器具有計算卷徑功能,變頻器生產(chǎn)廠商設(shè)計專用于卷繞的變頻器,卷徑計算變頻器內(nèi)部完成(目前較多采用高速DSP 芯片和自行開發(fā)的軟件來實現(xiàn)) ,變頻器根據(jù)內(nèi)部計算出的卷徑對卷繞張力進行調(diào)節(jié)。這種方式簡化了控制系統(tǒng), PLC 不需要使用模擬量模塊,降低了成本,因此這種方式成為發(fā)展方向。國外多家公司推出卷繞專用變頻器產(chǎn)品供選用,如西門子公司、ABB 公司、艾默生公司、三

21、懇公司以及中國匯川公司等產(chǎn)品并已批量應(yīng)用于國產(chǎn)紡機中心卷繞的設(shè)備上。</p><p>　　7、中心卷繞的張力控制方案</p><p>　　在機械上采用卷繞專用變頻器進行張力控制主要有2 種方案:</p><p>　?。? 、張力閉環(huán)控制方案</p><p>　　對于張力控制精度要求高的場合,通過張力傳感器檢測實際張力,其信號反饋到卷繞專用變頻

22、器或交流伺服驅(qū)動器,構(gòu)成張力閉環(huán)控制。</p><p>　　( 2 、間接張力控制方案</p><p>　　不需要張力傳感器。卷繞專用變頻器或交流伺服驅(qū)動器內(nèi)部計算出卷徑,根據(jù)卷徑計算出所需的轉(zhuǎn)矩,從而達到間接的控制紙張的表面張力。這種方案成本較低,由于采用了高性能的矢量控制變頻器或直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器,可獲得較高的張力控制精度。</p><p>　　以上2 種方案

23、國內(nèi)設(shè)備上都有采用,企業(yè)根據(jù)自身設(shè)備的特點選用合適的張力控制方案。</p><p>　　8、PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點與可行性</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的快速發(fā)展，交流變頻技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。利用變頻器對交流電動機進行調(diào)速控制的張力系統(tǒng)，具有許多磁粉系統(tǒng)所無法比擬的優(yōu)點，如節(jié)能，可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實現(xiàn)放卷、收卷方向的正反轉(zhuǎn)

24、切換，在不停機換軸時減少由于張力波動產(chǎn)生的廢料，等等。在采用了變頻器的交流拖動系統(tǒng)中，異步電動機的調(diào)速控制是通過改變變頻器的輸出頻率實現(xiàn)的。因此，在進行調(diào)速控制時，可以通過控制變頻器的輸出頻率使電動機工作在轉(zhuǎn)差率較小的范圍，電動機的調(diào)速范圍較寬，并可以達到提高運行效率的目的。一般來說，通用型變頻器的調(diào)速范圍可以達到1：10以上，而高性能的矢量控制方式的變頻器的調(diào)速范圍可以達到1：1000。此外，當采用矢量控制方式的變頻器對異步電動機進行

25、調(diào)速控制時，還可直接控制電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，高性能的矢量控制變頻器與變頻器專用電動機的組合在控制性能方面可以達到和超過高精度直流伺服電動機的控制性能。</p><p>　　同時。隨著微處理器、計算機和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。PLC不僅能實現(xiàn)繼電器控制所具有的邏輯判斷、計數(shù)、計時等順序控制

26、，同時還具有執(zhí)行算術(shù)運算、對模擬量進行控制等功能，隨著PLC軟硬件功能的進一步增強，PLC已經(jīng)發(fā)展成為一種可提供諸多功能的成熟的控制系統(tǒng)，它能生成報表、調(diào)度產(chǎn)出、可診斷自身故障及機器故障。這些改進使PLC符合今天對高質(zhì)量產(chǎn)出的要求。它具有編程簡單、功能強大而性價比高、可靠性高使用壽命長、接線簡單維修工作量小等突出優(yōu)點，能夠取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，完成各種電氣控制功能。尤其重要的是，PLC能夠與其它計算機或者智能設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)通信，組成基

27、于各種現(xiàn)場總線協(xié)議的分布式I／0控制系統(tǒng)，進一步滿足復(fù)雜生產(chǎn)工藝的需要。另外，與單片機、計算機控制系統(tǒng)比較，PLC具有兼容性、擴展性、抗干擾性強、負載能力大的特點，適用于各種復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境”。由PLC和變頻器及其電機組成的卷繞機控制系統(tǒng)，通過控制卷繞主電機以及放卷、入料牽引、出料牽引、收卷各個電機的線速度同步來達到</p><p><b>　　三、總結(jié)部分</b></p>

28、<p>　　變頻器技術(shù)的不斷發(fā)展,矢量控制變頻器和直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器的出現(xiàn),使得速度、轉(zhuǎn)矩及動態(tài)響應(yīng)等的控制性能得到了進一步的提高,再加上卷繞專用軟件構(gòu)成具有中心卷繞功能的專用變頻器或交流伺服,這項技術(shù)在紙張生產(chǎn)中推廣應(yīng)用,提高了卷繞機的技術(shù)水平。經(jīng)過實踐證明,各種中心卷繞的技術(shù)方案都各有其特點,并取得良好的效果,期望在今后的生產(chǎn)實踐中創(chuàng)造出更多的經(jīng)驗,以求推動紙張卷繞機的技術(shù)進步。</p><p>&

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