冶金工业的变频器应用与维护（六）

浙江工商职业技术学院 李方园

1 引言

金属制品是冶金工业中的重要一环，但在我国该行业却是一个薄弱环节，机械、电气设备陈旧，阻碍了行业的发展。常见的拉丝机包括直进式、活套式、滑轮式和水箱式几种，在以前通常都采用直流电机或发电机－电动机组（F-D系统）来实现，现在随着工艺技术的进步和变频器的大量普及，变频控制开始在各式拉丝机中大量使用，并可通过PLC来实现拉拔品种设定、操作自动化、生产过程控制、实时闭环控制、自动计米等功能。

2 三垦变频器在水箱式拉丝机中的应用

水箱式拉丝机有简易水箱和翻转水箱式两种，适宜拉拔中细规格的各种金属线材，特别适宜拉拔高中低碳钢丝、镀锌铁丝、轮胎钢丝、胶管钢丝、合金钢丝、帘线钢丝及铜丝铝丝等。图1所示为某通讯电缆有限公司拉丝机。该装置的工艺数据如下：线材为通讯电缆用铜线；线径在伸线前约Φ5mm，伸线后约Φ1mm；线速为50Hz运转时为703m/min；卷取线轴内径Φ280mm、外径Φ390mm；张力架采用上下滑动的配重式张力架，扇形同轴电位器输出信号范围0～10V；张力基准约2kg。

图1 水箱式拉丝设备简图

在改造过程中拉伸侧变频器为三垦VD05，卷取侧变频器为三垦WD05；制动电阻无，其中两台变频器直流母线连接。该例重点采用了三垦WD05系列变频器独有的张力架高速补偿功能。所谓高速张力架补偿，是瞬时补偿启动时和停止时或由于外部原因造成的张力架的大的瞬时变化的功能。如图2所示，此功能是对从张力架的不动作区偏离部分进行PI控制，使它返回不动作区内的功能。与低速张力架补偿相比，用十分快的动作来补偿而进行增益设定。而且在张力架的Up*Low水平以上时，可以保持补偿量不变。张力架高速补偿功能使卷绕控制的相应特性大大提高，从而满足用户高速、恒张力的控制要求。

图2 张力架高速补偿功能

3 艾默生变频器在铜线细伸机中的应用

如图3所示，某铜线细伸机中的n级拉伸共用一台11kW电机拖动，拉伸力来源于拉伸轮与铜线的摩擦力，摩擦力的大小与铜线的张紧程度有关，整个拉伸系统各级之间依靠拉伸轮的转速差别和线上张力传递来控制同步协调工作。工作时需用冷却油进行散热。绕圈部分用一台3.7kW电机拖动，需要保持第n级拉伸到绕筒之间线上张力恒定，若这一段张力波动，则第n级拉伸轮上的摩擦力就会波动，依此类推，整个拉伸系统就处于波动状态，拉出的铜丝质量会变差，甚至由于打滑将铜丝磨断。

图3 铜线细伸机

在控制系统设计过程中，拉丝机的主驱动选用爱默生TD300011kW变频器，采用端子控制、模拟速度设定，模拟输出端子AO1设定为运行频率输出，用来作为收线变频器的频率主给定和线速度反馈信号。可编程继电器设为零速到达信号输出，控制系统的抱闸，X1端子设定为自由停车端子，用做非正常情况下的停机信号。运行方式采用开环矢量控制，具有低频转矩大，运行平稳的特性，运行前先要对电机进行自动参数调谐。控制接线图如图4所示。

图4 拉丝机控制接线图

收线部分是系统控制的难点，对整个拉丝机的性能具有决定性的影响，要求收线张力恒定，张力可用摆杆信号反馈。现场实验时拉的铜线线径只有0.2mm，张力稍微一大就会拉断，而缠满铜线的卷筒有几十公斤，因为惯量转矩远远大于张力转矩，所以用张力开环的方式行不通，而用张力反馈进行PID调节频率的方式，在加减速过程中很难快速跟随。根据以上情况，采用通过11kW主驱动变频器的运行频率和收线卷的卷径计算出同步跟踪频率作为主给定频率，用张力反馈信号进行PID运算作为辅助调节频率的方案。11kW的一个模拟输出端口设定为运行频率输出，信号为0~20mA，对应0到最大频率，接到3.7kW模拟输入口AI2，3.7kW变频器的AI2改变跳线为电流设定，输入0~20mA对应0到最大频率，最大频率设为主驱动最大频率时对应的收线电机在空卷时的频率。卷径来源选用线速度卷径计算法，线速度的来源也用11kW的模拟输出，用AI2输入，0~20mA对应0到最大线速度，最大线速度设为主驱动电机最大频率时对应的收线线速度。线速度较低时，卷径计算的误差会比较大，所以应将最低线速度设为比较合理的值，当线速度低于设定的最低线速度时，卷径将保持，而不再进行计算，此时的卷径变化非常慢，所以不会有影响。

4 汇川变频器在直进式拉丝机中的应用

直进式拉丝机是拉丝机中最难控制的一种，由于它是多台电机同时对金属丝进行拉伸，作业的效率很高。不象以前经常遇到的水箱拉丝机和活套式拉丝机，允许金属丝在各道模具之间打滑。同时它对电机的同步性以及动态响应的快速性都有较高的要求。由于不锈钢材料特性比较脆，缺少像高碳钢丝或者钢帘线那样的韧性，比较容易在作业过程中拉断。

某系统共有8台11kW变频器。系统的电气配置为活套一台，安装在第一级，作用是将成卷的不锈钢丝牵引到拉丝部分，由于活套可以自由打滑，因此这台电机不需要特别的控制。拉丝部分共有六个直径400mm的转鼓。每个转鼓之间安装有用于检测位置的气缸摆臂，采用位移传感器可以检测出摆臂的位置，当丝拉得紧的时候，丝会在摆臂的气缸上面产生压力使得摆臂下移。最终是收卷电机，该部分采用自行滑动的锥形支架，整个过程卷径基本不变化，因此不需要用到卷径计算功能。8台电机功率采用变频专用电机，同时带有机械制动装置。

图5 直进式拉丝机控制示意

如图5所示，直进式拉丝机变频控制的工作原理是：根据操作工在面板设定决定作业的速度，该速度的模拟信号进入PLC，PLC考虑加减速度的时间之后按照一定的斜率输出该模拟信号。这样做的目的主要是满足点动、穿丝等一些作业的需要。PLC输出的模拟电压信号同时接到所有变频器的AI2（AI1也可以）输入端，作为速度的主给定信号。各摆臂位移传感器的信号接入到对应的转鼓驱动变频器作为PID控制的反馈信号。根据摆臂在中间的位置，自己设定一个PID的给定值。这个系统是非常典型的带前馈的PID控制系统，一级串一级，PID作为微调量。

之所以选择汇川MD320变频器，就在于它能轻松实现主速度跟随加PID微调的功能，而无须额外的控制板。在本系统中参数设置如下：

F0-03=2：主频率源X为AI2

F0-04=8：辅助频率源Y为PID

F0-07=1：频率源选择为主频率源X+辅助频率源Y

FA-00=0：PID给定源为数字键盘给定

FA-01=4：PID的设定值（该值的基准值为系统的反馈量）

FA-02=0：PID的反馈值AI1

FA-03=0：PID的作用方向（当反馈信号大于PID的给定时，要求变频器频率输出下降，才能达到PID平衡）

FA-05=25：PID的P值

FA-06=1：PID的I值

FA-07=0.08：PID的D值

FA-08=0.1：PID的采样周期

FA-09=0：PID的偏差极限

由于系统的稳定在很大程度上取决于PID作用，因此对其参数的整定必须考虑周全，应将低速、高速、升速和降速等情况都予以考虑。另外在本系统中必须加入微分限幅。

图6所示为汇川PID控制原理。

图6 过程PID控制原理

5 结语

拉丝机系统在采用变频器且优化参数值之后，设备试机时速度非常稳定，完全解决了原来采用同步板高速度下面不稳的问题。通过各种工况下的对比测试，和采用直流驱动器的拉丝机性能一样，同时设备效率可以大大提高到90%~95%、节电率为20%~40%左右。

总之，采用交流变频控制拉丝机，其自动化程度高、操作方便、拉拔的产品质量高。

[1] 李方园. 变频器行业应用实践[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2] 变频器在水箱式拉丝机中的应用.www.ca800.com.

[3] 变频器在铜线细伸机中的应用,www.ca800.com.

[4] 变频器在直进式拉丝机中的应用,www.ca800.com.