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直流雙閉環(huán)可逆調速系統研究
直流雙閉環(huán)可逆調速系統研究
3.1可逆直流調速系統
有許多生產(chǎn)機械要求電動(dòng)機既能正傳，又能反轉，而且常常還需要快速的起動(dòng)和制動(dòng)，這就需要電力拖動(dòng)系統具有四象限運行的特性，也就是說(shuō)，需要可逆的調速系統。
改變電樞電壓的極性，或者改變勵磁磁通的方向，都能改變直流電動(dòng)機的旋轉方向，這本來(lái)是很簡(jiǎn)單的事。然而，當電動(dòng)機采用電力電子裝置供電時(shí)，由于電力電子器件的單向導電性，問(wèn)題就變得越來(lái)越復雜起來(lái)了，需要專(zhuān)用的可逆電力電子裝置和自動(dòng)控制系統。
3.1.1 有環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動(dòng)機系統
較大功率的可逆直流調速系統多采用晶閘管-電動(dòng)機系統。由于晶閘管的單向導電性，需要可逆運行時(shí)經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線(xiàn)路，如下圖所示。
圖3-1 兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線(xiàn)路
電動(dòng)機正轉時(shí)，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉時(shí)，由反組晶閘管裝置VR供電。
兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活地控制電動(dòng)機的起、制動(dòng)和升、降速。但是，不允許讓兩組晶閘管同時(shí)處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路，因此對控制電路提出了嚴格的要求。
在兩組晶閘管反并聯(lián)線(xiàn)路的V-M系統中，晶閘管裝置可以工作在整流或有源逆變狀態(tài)。在電流連續的條件下，晶閘管裝置的平均理想空載輸出電壓為：
(3-1)
當控制角為a < 90°，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)；當控制角為a > 90°，晶閘管裝置處于逆變狀態(tài)。因此在整流狀態(tài)中，Ud0 為正值；在逆變狀態(tài)中，Ud0 為負值。為了方便起見(jiàn)，定義逆變角 b = 180 ° – a ，則逆變電壓公式可改寫(xiě)為：Ud0 =－Ud0 max cosb。
兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線(xiàn)路的整流和逆變狀態(tài)原理與此相同，只是出現逆變狀態(tài)的具體條件不一樣，現以正組晶閘管裝置整流和反組晶閘管裝置逆變?yōu)槔�，說(shuō)明兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線(xiàn)路的工作原理，如下：
（a）正組晶閘管裝置VF整流
VF處于整流狀態(tài)：此時(shí)，af < 90,Udof > E,n > 0
電機從電路輸入能量作電動(dòng)運行。
圖3-2 兩組晶閘管反并聯(lián)可逆V-M系統的正組整流和反組逆變狀態(tài)
（b）反組晶閘管裝置VR逆變
當電動(dòng)機需要回饋制動(dòng)時(shí)，由于電機反電動(dòng)勢的極性未變，要回饋電能必須產(chǎn)生反向電流，而反向電流是不可能通過(guò)VF流通的。這時(shí)，可以利用控制電路切換到反組晶閘管裝置VR，并使它工作在逆變狀態(tài)。
VR逆變處于狀態(tài)：此時(shí),ar > 90，E > |Udor|，n < 0
電機輸出電能實(shí)現回饋制動(dòng)。
圖3-3 兩組晶閘管反并聯(lián)可逆V-M系統的反組逆變狀態(tài)
（c）機械特性范圍
整流狀態(tài)：V-M系統工作在第一象限。
逆變狀態(tài)：V-M系統工作在第二象限。
圖3-4 機械特性運行范圍
在可逆調速系統中，正轉運行時(shí)可利用反組晶閘管實(shí)現回饋制動(dòng)，反轉運行時(shí)同樣可以利用正組晶閘管實(shí)現回饋制動(dòng)。這樣，采用兩組晶閘管裝置的反并聯(lián)，就可實(shí)現電動(dòng)機的四象限運行，歸納起來(lái)，可將可逆線(xiàn)路正反轉時(shí)晶閘管裝置和電機的工作狀態(tài)列于表3-1中。
表3-1 V-M系統反并聯(lián)可逆線(xiàn)路的工作狀態(tài)
注：表中各量的極性均以正向電動(dòng)運行時(shí)為“+”
采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統，如果兩組裝置的整流電壓同時(shí)出現，便會(huì )產(chǎn)生不流過(guò)負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱(chēng)作環(huán)流，如下圖中所示。
圖3-5 反并聯(lián)可逆V-M系統中的環(huán)流
環(huán)流的危害：一般地說(shuō)，這樣的環(huán)流對負載無(wú)益，徒然加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功率，環(huán)流太大時(shí)會(huì )導致晶閘管損壞，因此應該予以抑制或消除。
環(huán)流的利用：只要合理的對環(huán)流進(jìn)行控制，保證晶閘管的安全工作，可以利用環(huán)流作為流過(guò)晶閘管的基本負載電流，使電動(dòng)機在空載或輕載時(shí)可工作在晶閘管裝置的電流連續區，以避免電流斷續引起的非線(xiàn)性對系統性能的影響。
在不同情況下，會(huì )出現下列不同性質(zhì)的環(huán)流：
（a）靜態(tài)環(huán)流——兩組可逆線(xiàn)路在一定控制角下穩定工作時(shí)出現的環(huán)流，其中又有兩類(lèi)：
直流平均環(huán)流——由晶閘管裝置輸出的直流平均電壓所產(chǎn)生的環(huán)流稱(chēng)作直流平均環(huán)流。
瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流——兩組晶閘管輸出的直流平均電壓差為零，但因電壓波形不同，瞬時(shí)電壓差仍會(huì )產(chǎn)生脈動(dòng)的環(huán)流，稱(chēng)作瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流。
（b）動(dòng)態(tài)環(huán)流——僅在可逆V-M系統處于過(guò)渡過(guò)程中出現的環(huán)流。
在這里，主要分析靜態(tài)環(huán)流的形成原因，并討論其控制方法和抑制措施。
在兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統中，如果讓正組VF 和反組VR都處于整流狀態(tài)，兩組的直流平均電壓正負相連，必然產(chǎn)生較大的直流平均環(huán)流。為了防止直流平均環(huán)流的產(chǎn)生，需要采取必要的措施，比如：采用封鎖觸發(fā)脈沖的方法，在任何時(shí)候，只允許一組晶閘管裝置工作；采用配合控制的策略，使一組晶閘管裝置工作在整流狀態(tài)，另一組則工作在逆變狀態(tài)。
為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應該當正組處于整流狀態(tài)時(shí)，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)，且控制其幅值與之相等，用逆變電壓把整流電壓頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是Udor = －Udor 。
由式（3-1）， 有：Udof= Udomax cosaf (3-2)
Udor= Udomax cosar (3-3)
其中：af 和ar 分別為VF和VR的控制角。
由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓 Udomax 是一樣的，因此，當直流平均環(huán)流為零時(shí)，應有：cosa r = – cosa f
或 a r + a f = 180 ° （3-3）
如果反組的控制用逆變角 b r 表示，則：a f = b r （3-4）
由此可見(jiàn)，按照式（3-4）來(lái)控制就可以消除直流平均環(huán)流，這稱(chēng)作 a = b 配合控制。為了更可靠地消除直流平均環(huán)流，可采用：a f ≥ b r （3-5）
為了實(shí)現配合控制，可將兩組晶閘管裝置的觸發(fā)脈沖零位都定在90°,即當控制電壓 Uc= 0 時(shí)，使 af = ar = 90°，此時(shí) Udof= Udor = 0 ，電機處于停止狀態(tài)。增大控制電壓Uc 移相時(shí)，只要使兩組觸發(fā)裝置的控制電壓大小相等符號相反就可以了,這樣的觸發(fā)控制電路示于下圖。
圖3-6 a = b 配合控制電路
GTF--正組觸發(fā)裝置 GTR--反組觸發(fā)裝置 AR--反號器
在上圖電路中，用一個(gè)控制電壓去控制兩組觸發(fā)裝置，正組觸發(fā)裝置GTF由Uc直接控制，而反組觸發(fā)裝置GTR由 控制， 是經(jīng)過(guò)反號器AR后獲得的。
為了防止晶閘管裝置在逆變狀態(tài)工作中逆變角太小而導致?lián)Q流失敗，出現“逆變顛覆”現象，必須在控制電路中采用限幅作用，形成最小逆變角bmin保護。與此同時(shí)，對 a 角也實(shí)施 保護，以免出現 Udof>Udor 而產(chǎn)生直流平均環(huán)流。通常取 。
對于a = b配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統如下圖所示：
圖3-7 a = b 配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統原理框圖
圖中主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線(xiàn)路，其中：正組晶閘管VF，由GTF控制觸發(fā)，正轉時(shí)VF整流，反轉時(shí)VF逆變；反組晶閘管VR，由GTR控制觸發(fā)，反轉時(shí)VR整流，正轉時(shí)VR逆變。
（1）給定與檢測電路（轉速）
根據可逆系統正反向運行的需要，給定電壓、轉速反饋電壓、電流反饋電壓都應該能夠反映正和負的極性。這里
給定電壓：正轉時(shí)，KF閉合,U*n=“+”；反轉時(shí)，KR閉合,U*n=“-”。
轉速反饋：正轉時(shí)，Un=“-”，反轉時(shí)，Un=“+”。
（2）給定與檢測電路（電流）
電流反饋電壓：正轉時(shí)，Ui =“+”；反轉時(shí)，Ui =“-”。
注意：由于電流反饋應能否反映極性，因此圖中的電流互感器需采用直流電流互感器或霍爾變換器，以滿(mǎn)足這一要求。
（3）控制電路，
控制電路采用典型的轉速、電流雙閉環(huán)系統，其中：轉速調節器ASR控制轉速，設置雙向輸出限幅電路，以限制最大起制動(dòng)電流；電流調節器ACR控制電流，設置雙向輸出限幅電路，以限制最小控制角 與最小逆變角bmin。
（4）控制方式
采用同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路時(shí)，移相控制特性是線(xiàn)性的，兩組觸發(fā)裝置的控制特性如圖所示。
圖3-8 a = b 配合控制特性
（5）工作過(guò)程
a）正向運行過(guò)程：
KF閉合， =“+”→ =“—”→ =“+” ——————→VF整流
↓ ∣→電動(dòng)機正向運行
→AR→ =“—”→AR逆變
正向運行過(guò)程系統狀態(tài)：
圖3-9 有環(huán)流系統正向運行過(guò)程
b）制動(dòng)過(guò)程
整個(gè)制動(dòng)過(guò)程可以分為兩個(gè)主要階段，其中還有一些子階段。主要階段分為：I.本組逆變階段；II.它組制動(dòng)階段。
在本組逆變階段中，在這階段中，電流由正向負載電流下降到零，其方向未變，因此只能仍通過(guò)正組VF流通，具體過(guò)程如下：發(fā)出停車(chē)（或反向）指令后，轉速給定電壓突變?yōu)榱悖ɑ蜇撝担�；ASR輸出躍變到正限幅值 +U*im ；ACR輸出躍變成負限幅值 -Ucm ；VF由整流狀態(tài)很快變成的逆變狀態(tài)，同時(shí)反組VR由待逆變狀態(tài)轉變成待整流狀態(tài)。
在VF-M回路中，由于VF變成逆變狀態(tài)極性變負，而電機反電動(dòng)勢 E 極性未變，迫使電流迅速下降，主電路電感迅速釋放儲能企圖維持正向電流，這時(shí)大部分能量通過(guò) VF 回饋電網(wǎng)，所以稱(chēng)作“本組逆變階段”。由于電流的迅速下降，這個(gè)階段所占時(shí)間很
短，轉速來(lái)不及產(chǎn)生明顯的變化，其波形圖見(jiàn)3-14圖中的階段I。
圖3-10 本組逆變過(guò)程系統狀態(tài)
當主電路電流下降過(guò)零時(shí)，本組逆變終止，第 I 階段結束，轉到反組 VR 工作，開(kāi)始通過(guò)反組制動(dòng)。從這時(shí)起，直到制動(dòng)過(guò)程結束，統稱(chēng)“它組制動(dòng)階段”。
它組制動(dòng)階段又可分成三個(gè)子階段：它組建流子階段、它組逆變子階段、反向減流子階段。
①它組建流子階段
Id 過(guò)零并反向，直至到達- Idm以前，ACR并未脫離飽和狀態(tài)，其輸出仍為-Ucm 。這時(shí)，VF和 VR 輸出電壓的大小都和本組逆變階段一樣，但由于本組逆變停止，電流變化延緩， 的數值略減，使： 。反組VR由“待整流”進(jìn)入整流，向主電路提供–Id。由于反組整流電壓 Udor 和反電動(dòng)勢E 的極性相同，反向電流很快增長(cháng)，電機處于反接制動(dòng)狀態(tài)，轉速明顯地降低，因此，又可稱(chēng)作“它組反接制動(dòng)狀態(tài)”。
圖3-11 反接制動(dòng)過(guò)程系統狀態(tài)
②它組逆變子階段
當反向電流達到–Idm并略有超調時(shí)，ACR輸出電壓Uc退出飽和，其數值很快減小，又由負變正，然后再增大，使VR回到逆變狀態(tài)，而VF變成待整流狀態(tài)。此后，在A(yíng)CR的調節作用下，力圖維持接近最大的反向電流–Idm，因而： ， 。
電機在恒減速條件下回饋制動(dòng)，把動(dòng)能轉換成電能，其中大部分通過(guò)VR逆變回饋電網(wǎng)，過(guò)渡過(guò)程波形為圖3-14中的第II階段，稱(chēng)作“它組回饋制動(dòng)階段”或“它組逆變階段”。
圖3-12 它組回饋制動(dòng)過(guò)程系統狀態(tài)
③反向減流子階段
在這一階段，轉速下降得很低，無(wú)法再維持-Idm，于是電流立即衰減。在電流衰減過(guò)程中，電感 L上的感應電壓 支持著(zhù)反向電流，并釋放出存儲的磁能，與電動(dòng)機斷續釋放出的動(dòng)能一起通過(guò)VR逆變回饋電網(wǎng)。如果電機隨即停止，整個(gè)制動(dòng)過(guò)程到此結束。
圖3-13 反向減流過(guò)程系統狀態(tài)
④制動(dòng)過(guò)程系統響應曲線(xiàn)
圖3-14 配合控制有環(huán)流可逆直流調速系統正向制動(dòng)過(guò)渡過(guò)程波形
⑤反向起動(dòng)
如果需要在制動(dòng)后緊接著(zhù)反轉，Id = -Idm的過(guò)程就會(huì )延續下去，直到反向轉速穩定時(shí)為止。由于正轉制動(dòng)和反轉起動(dòng)的過(guò)程完全銜接起來(lái)，沒(méi)有間斷或死區，這是有環(huán)流可逆調速系統的優(yōu)點(diǎn)，適用于要求快速正反轉的系統。
圖3-15 反向起動(dòng)過(guò)程系統狀態(tài)
（6）有環(huán)流系統可逆運行曲線(xiàn)
圖3-16 有環(huán)流系統可逆運行曲線(xiàn)
3.1.2無(wú)環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動(dòng)機系統
有環(huán)流可逆系統雖然具有反向快、過(guò)渡平滑等優(yōu)點(diǎn)，但設置幾個(gè)環(huán)流電抗器終究是個(gè)累贅。因此，當工藝過(guò)程對系統正反轉的平滑過(guò)渡特性要求不很高時(shí)，特別是對于大容量的系統，常采用既沒(méi)有直流平均環(huán)流又沒(méi)有瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的無(wú)環(huán)流控制可逆系統。
按照實(shí)現無(wú)環(huán)流控制原理的不同，無(wú)環(huán)流可逆系統又有大類(lèi)：邏輯控制無(wú)環(huán)流系和錯位控制無(wú)環(huán)流系統。
當一組晶閘管工作時(shí)，用邏輯電路（硬件）或邏輯算法（軟件）去封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，以確保兩組晶閘管不同時(shí)工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路，這就是邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆系統。
采用配合控制的原理，當一組晶閘管裝置整流時(shí)，讓另一組處于逆變狀態(tài)，而且兩組觸發(fā)脈沖的靈位錯開(kāi)的較遠，避免了瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流產(chǎn)生的可能性，這就是錯位控制的無(wú)環(huán)流可逆系統。
對于歐陸590直流數字調速器采用的是邏輯控制的無(wú)環(huán)流系統，在此便不做介紹錯位控制的無(wú)環(huán)流系統。
（1）邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆系統組成
邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆調速系統（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“邏輯無(wú)環(huán)流系統”）的原理框圖示于下圖：
圖3-17 邏輯控制無(wú)環(huán)流可逆調速系統原理框圖
該系統結構的特點(diǎn)為：由于沒(méi)有環(huán)流，不用設置環(huán)流電抗器；仍保留平波電抗器 Ld ，以保證穩定運行時(shí)電流波形連續；主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線(xiàn)路；控制系統采用轉速、電流雙閉環(huán)方案；電流環(huán)分設兩個(gè)電流調節器，1ACR用來(lái)控制正組觸發(fā)裝置GTF，2ACR控制反組觸發(fā)裝置GTR；1ACR的給定信號經(jīng)反號器AR作為2ACR的給定信號，因此電流反饋信號的極性不需要變化，可以采用不反映極性的電流檢測方法。為了保證不出現環(huán)流，設置了無(wú)環(huán)邏輯控制環(huán)節DLC，這是系統中的關(guān)鍵環(huán)節，它按照系統的工作狀態(tài)，指揮系統進(jìn)行正、反組的自動(dòng)切換，其輸出信號Ublf 用來(lái)控制正組觸發(fā)脈沖的封鎖或開(kāi)放，Ublr 用來(lái)控制反組觸發(fā)脈沖的封鎖或開(kāi)放。
（2）工作原理
圖3-18 正向運行
圖3-19 反向運行
（3）邏輯控制環(huán)節的設計要求：
a）DLC的輸入要求：
分析V-M系統四象限運行的特性，有如下共同特征：正向運行和反向制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機轉矩方向為正，即電流為正；反向運行和正向制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機轉矩方向為負，即電流為負。因此，應選擇轉矩信號作為DLC的輸入信號。
由于A(yíng)CR的輸出信號正好代表了轉矩方向，即有：正向運行和反向制動(dòng)時(shí)，U*i為正；反向運行和正向制動(dòng)時(shí)，U*i為負。又因為 U*I 極性的變化只表明系統轉矩反向的意圖，轉矩極性的真正變換還要滯后一段時(shí)間。只有在實(shí)際電流過(guò)零時(shí)，才開(kāi)始反向，因此，需要檢測零電流信號作為DLC的另一個(gè)輸入信號即Uio.
b）DLC的輸出要求：
正向運行：VF整流，開(kāi)放VF，封鎖VR；
反向制動(dòng)：VF逆變，開(kāi)放VF，封鎖VR；
反向運行：VR整流，開(kāi)放VR，封鎖VF；
正向制動(dòng)：VR逆變，開(kāi)放VR，封鎖VF；
因此，DLC的輸出有兩種狀態(tài)：
VF開(kāi)放 — Ublf = 1，VF封鎖 — Ublf = 0；
VR開(kāi)放 — Ublr = 1，VR封鎖 — Ublr = 0。
c）DLC的內部邏輯要求：
對輸入信號進(jìn)行轉換，將模擬量轉換為開(kāi)關(guān)量；根據輸入信號，做出正確的邏輯判斷；為保證兩組晶閘管裝置可靠切換，需要有兩個(gè)延時(shí)時(shí)間；t1延時(shí) —— 關(guān)斷等待時(shí)間，以確認電流已經(jīng)過(guò)零，而非因電流脈動(dòng)引起的誤信號；t2延時(shí) —— 觸發(fā)等待時(shí)間，以確保被關(guān)斷的晶閘管已恢復阻斷能力，防止其重新導通；具有邏輯連鎖保護功能，以保證在任何情況下，兩個(gè)信號必須是相反的，決不容許兩組晶閘管同時(shí)開(kāi)放脈沖，確保主電路沒(méi)有出現環(huán)流的可能。
（4）電路總體結構
這樣，根據上述分析DLC電路應具有如下結構：
無(wú)環(huán)流邏輯控制環(huán)節是邏輯無(wú)環(huán)流系統的關(guān)鍵環(huán)節，它的任務(wù)是：當需要切換到正組晶閘管VF工作時(shí)，封鎖反組觸發(fā)脈沖而開(kāi)放正組脈沖；當需要切換到反組VR工作時(shí)，封鎖正組而開(kāi)放反組。通常都用數字控制，如數字邏輯電路、微機軟件、PLC等，用以實(shí)現同樣的邏輯控制關(guān)系。
它的軟件邏輯控制：
圖3-20 邏輯控制切換程序流程圖
（6）無(wú)環(huán)流系統可逆運行曲線(xiàn)：
圖3-21 無(wú)環(huán)流系統可逆運行曲線(xiàn)
邏輯無(wú)環(huán)流系統的評價(jià)：
優(yōu)點(diǎn)：省去環(huán)流電抗器，沒(méi)有附加的環(huán)流損耗；節省變壓器和晶閘管裝置等設備的容量；降低因換流失敗而造成的事故。
缺點(diǎn)：由于延時(shí)造成了電流換向死區，影響過(guò)渡過(guò)程的快速性。
3.2 恒張力控制
3.2.1方案簡(jiǎn)介
退紙輥與兩底輥間的紙幅張力控制是保證紙卷形態(tài)的至關(guān)重要的因素之一，紙幅張力最重要的作用是展平紙幅，同時(shí)穩定的紙幅張力還將避免紙幅橫向偏移。紙幅張力的大小對紙卷硬度的影響并不是關(guān)鍵因素，因為壓紙輥的壓力以及前、后底輥之間的轉矩差對紙卷硬度有著(zhù)更大程度的影響。所以復卷機運行中通常是將紙幅張力調節到能保證使紙幅展平就可以了。
正確地選用紙的張力能在一定程度上改善紙卷質(zhì)量，減小斷頭，保持復卷機工作穩定。所以對退紙輥的控制主要是針對退卷張力的控制，而對退紙卷張力的控制的關(guān)鍵是控制電機的制動(dòng)轉矩，使得退卷張力恒定并與給定值一致，而并不需要刻意的去控制退卷輥的轉速，因為只要保持退卷張力恒定，使紙幅不斷裂也不會(huì )松弛，則退卷線(xiàn)速度自然是跟蹤前后底輥的線(xiàn)速度，這樣可回避由退卷卷徑的大范圍變化給速度控制提出的難題。
理解了這一點(diǎn)可給我們的設計帶來(lái)極大的方便，使得我們對退卷卷徑的大范圍變化給轉速的變化要求不予以刻意的去控制，而是通過(guò)控制退卷張力恒定，間接地達到退卷線(xiàn)速度跟蹤前后底輥的目的。
具體的設計方法是：一方面把對退卷張力的總控制量計算出來(lái)后，送至力矩運算器內轉換成力矩，再送至張力電流運算器轉換成電流信號，電流信號在轉矩運算器內轉換成電流的限幅值；另一方面使速度環(huán)在正常運行時(shí)一直工作在飽和狀態(tài)，輸出一個(gè)飽和負限幅值，這個(gè)飽和限幅值的大小是上面計算出的電流限幅值，這個(gè)值再去控制電流環(huán)，使電機電樞電流一直跟蹤速度環(huán)的輸出限幅值，也即是跟蹤退卷張力的給定值。
3.2.2 現行方案分析
復卷機在卷取的過(guò)程中，放卷輥的卷徑和轉動(dòng)慣量不斷減小，為時(shí)變參數。為了保證紙張在卷取過(guò)程中平穩工作，必須要求紙幅的張力和線(xiàn)速度恒定。因此，對于放卷系統而言，進(jìn)行張力控制是核心技術(shù)，放卷輥的張力控制主要有以下要求：
(a)放卷輥在正常運行中，兩底輥由紙幅拉著(zhù)放卷輥紙卷向前運行，要保持紙幅有一定的退卷張力，放卷輥電機必須工作在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。
(b)放卷棍在退卷過(guò)程中，紙輥直徑一直在減小，要保持張力不變，放卷輥電機的制動(dòng)轉矩應隨著(zhù)減小。
從退紙輥的控制特點(diǎn)可知，退紙輥的控制關(guān)鍵在于對退卷張力的控制上。從直觀(guān)來(lái)看，在復卷機主傳動(dòng)系統中，前、后底輥是穩速系統，而退紙輥為退卷系統，如果退紙輥的車(chē)速不隨卷徑D的減小而變化的話(huà)，則退紙輥的線(xiàn)速度必然下降，造成前、后底輥與退紙輥間紙幅產(chǎn)生張力，設前后兩底輥的線(xiàn)速度為V1，退紙輥的線(xiàn)速度為V2，則紙幅的退卷張力為：
(3-6)
式中：T—紙張承受的張力；S—紙張的截面積；L—后底輥與退紙輥兩傳動(dòng)點(diǎn)之間的距離；Y—紙張的彈性模量。
從式（3-6）可以看出：要使張力恒定，必須保持線(xiàn)速度恒定。根據V=π ，要使V 恒定，必須使電機轉速n∝1/d，即N∝1/M，可見(jiàn)復卷機的負載特性為恒功率負載特性。由于張力波動(dòng)是由線(xiàn)速度波動(dòng)引起的，所以從直觀(guān)來(lái)看，張力恒定即線(xiàn)速度恒定。而欲使線(xiàn)速度恒定，就需卷繞功率為恒定值。所以恒張力控制、恒線(xiàn)速度控制、恒功率控制在本質(zhì)上是相同的。這里只以恒張力控制為例，說(shuō)明復卷機退卷張力控制的組成及原理。
紙幅張力控制分為直接張力控制和間接張力控制兩種。
(1) 直接張力控制
直接張力控制是利用張力傳感器把紙幅張力檢測出來(lái)，按負反饋原理，要控制哪個(gè)量，就引入哪個(gè)量的反饋信號，即把張力信號轉換成相應的電信號，反饋到張力調節器輸入端與張力給定值比較，組成張力閉環(huán)調節系統。這種系統原理簡(jiǎn)單，很容易理解，
但是由于復卷機工作車(chē)速很高，且在工作時(shí)紙卷及輥筒跳動(dòng)很大，采用張力反饋時(shí)，這些因素都將作為擾動(dòng)信號，通過(guò)張力傳感器加入系統，如果對反饋信號處理不好，將會(huì )直接影響系統的穩定性。另外在升、降速時(shí)紙卷轉動(dòng)慣量很大，運行時(shí)紙卷直徑的大范圍變化，給張力控制提出了很高的要求。
基于這些原因，如對張力的控制精度不是很高的話(huà)，一般都采用間接張力控制系統，但如對張力的控制精度及靈敏度要求較高的話(huà)，就應采用直接張力控制系統。
（2）間接張力
間接張力控制方式是根據恒張力卷繞過(guò)程中各參數之間的約束關(guān)系，找出影響張力的各個(gè)參數，將它們檢測出來(lái)，加以補償控制，間接地保持張力近似不變；它雖不如直接張力控制精度高，但易于穩定且投資較低。
采用間接張力控制有兩種方法可以實(shí)現：
復合張力調節法：通過(guò)調節電樞電壓保持電樞電流 不變，隨著(zhù)卷材卷徑變化調節電機的磁通 ，使 /D不變，保持張力恒定。
最大轉矩法：保持 正比于 /D，即不論卷材卷徑的大小，當電機的轉速低于額定轉速時(shí)，保持電機磁通為額定值不變，電機電樞電流 隨卷材卷徑變化而變化，保持 /D不變；當電機的轉速高于額定轉速時(shí)，保持 不變，Φ隨卷材卷徑的變化而變化，保持Φ/D不變，從而保持張力恒定。
在復合張力調節法中，I∝F、Φ∝D，控制起來(lái)比較直觀(guān)；其缺點(diǎn)是只要不在最大卷徑情況下，不論是高速還是低速，電動(dòng)機都處于弱磁工作狀態(tài)，所以電動(dòng)機轉矩得不到充分利用。由于Φ∝D，所以電動(dòng)機的弱磁倍數等于卷徑變化的倍數，當卷徑倍數大時(shí)，要求電動(dòng)機弱磁倍數也要大，于是使得電動(dòng)機體積增大。另外由于卷材的直徑變化比較大，一般為6～20倍，而直流電機的弱磁調速范圍一般都小于3倍，即使特殊訂貨，也不會(huì )超過(guò)5倍，因此復合張力調節法無(wú)法滿(mǎn)足要求。綜合兩方面的原因，一般我們采用最大轉矩法對張力進(jìn)行間接控制。
(a)控制思想
不用張力檢測計，直接分析張力變化的原因，對其主要擾動(dòng)量進(jìn)行補償，如能同時(shí)對幾個(gè)擾動(dòng)量結合著(zhù)進(jìn)行控制，可以達到很好的效果。例如對退紙輥的卷徑變化引起的線(xiàn)速度變化從而引起的張力變化，直接對退紙輥的線(xiàn)速度給定進(jìn)行補償，這樣做直觀(guān)也較簡(jiǎn)單，但是補償精度一般不是很高。對于歐陸590可直接利用模塊組態(tài)的智能運算控制功能，根據對卷徑變化引起的力矩擾動(dòng)的分析，分不同情況、利用恒線(xiàn)速度與轉矩控制相結合的方法直接對電機的電流與轉矩進(jìn)行補償。
上面已提到過(guò)，本系統的電動(dòng)機在正常運行時(shí)處于發(fā)電回饋制動(dòng)狀態(tài)，電磁轉矩M為制動(dòng)力矩。當不考慮動(dòng)態(tài)轉矩及機械損耗時(shí)，張力矩MT與電磁制動(dòng)力矩相平衡。在張力恒定時(shí)，隨著(zhù)退卷卷徑的減少，張力矩亦減少，這就要求制動(dòng)力矩M與卷徑成比例減小。這樣可補償掉大部分的張力擾動(dòng)，使張力保持基本穩定。
(b)設計分析
由上分析可有如下原理圖：
圖3-22 間接張力組態(tài)圖
卷徑運算器檢測退紙輥的線(xiàn)速度給定、角速度、最小卷徑、卷徑預置等信號進(jìn)行綜合處理，得到卷徑信號。
錐度計算其功能是把對張力的給定信號轉換成實(shí)時(shí)卷徑下的張力給定，設計思想是：要得到內緊外松的成品紙卷，一方面壓紙輥的壓力應隨成品紙卷的直徑增大而減小，另一方面，在退卷過(guò)程中，張力給定信號也應隨退卷卷徑的減小而有所減小，有一個(gè)錐度變化，具體算法是：錐度要求=張力給定[100%-錐度（1-最小卷徑/直徑）]。
通過(guò)磁場(chǎng)運算器，根據對基速的設定，分基速以上或基速以下進(jìn)行判別，計算出實(shí)時(shí)卷徑下的磁場(chǎng)大小，一方面對磁場(chǎng)進(jìn)行控制，另一方面對 值進(jìn)行取倒，計算出1/ 值；用PID模塊組成張力電流計算器，按I=M/ ，計算出產(chǎn)生相對于總的制動(dòng)轉矩所需要的電樞電流。
利用轉矩計算模塊計算出電流限幅值，因為退紙輥在運行時(shí)用的是制動(dòng)轉矩，所以實(shí)際只用負限幅。
在斜坡輸入端輸入一個(gè)與給定信號成一定負比例的信號，作為速度環(huán)的給定輸入信號，這樣給定是個(gè)負信號，而電機是正方向運轉，所以測速機反饋過(guò)來(lái)的信號是正的，使得速度環(huán)達到負飽和，輸出一個(gè)負限幅值，這個(gè)負限幅值的大小就是由上面的轉矩運算器運算出來(lái)的電流限幅值來(lái)給定的,它作為電流調節器的給定再去控制電機電樞電流。即由張力給定計算出電機應有的制動(dòng)電流信號，用這個(gè)信號去控制飽和狀態(tài)下的速度環(huán)的輸出，而速度環(huán)的輸出是電流環(huán)的給定輸入，達到控制制動(dòng)轉矩、從而控制張力的目的。
3.2.3 小結
對于紙幅張力力的控制在復卷機中可謂是至關(guān)重要，小到影響機器的運行及紙張的好壞，大到直接影響整個(gè)生產(chǎn)及整個(gè)社會(huì )，其主要作用是展平紙幅，同時(shí)穩定的紙幅張力還將避免紙幅橫向偏移，當然對紙卷硬度也有影響，不過(guò)通過(guò)壓紙輥壓力控制和底輥轉矩差控制可以獲得更好的效果，所以紙幅張力不是影響紙卷硬度的主要因素。
3.3 基于歐陸590的直流調速控制系統
3.3.1 590調速器工作原理
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，調速器利用控制回路來(lái)控制直流調速器——一個(gè)內部電流回路與一個(gè)外部速度回路。利用操作站，您可以選擇調速器要使用的控制回路，調速器將利用此控制回路來(lái)提供如下兩者之一：電流控制或速度控制（默認）。
為了更有效地控制調速器，通常向相應的回路提供電流或者速度反饋信號。電流反饋傳感器為內置式設計，而速度反饋則直接從電樞傳感電路（默認設置）提供，或者由模擬測速發(fā)電機以及連接到相關(guān)的選項板上的編碼器或者微型測速器提供速度反饋。
圖3-23 590調速器原理圖
利用數字/模擬輸入與輸出可以遠程控制調速器，或者利用操作站對調速器進(jìn)行本地控制。通過(guò)插入通訊選項技術(shù)盒，可以將調速器連接到網(wǎng)絡(luò )上，并由PLC/SCADA或其他智能設備來(lái)控制。
3.3.2 590調速器部分部件簡(jiǎn)介
（1）產(chǎn)品識別
如下圖所示：
圖3-24 產(chǎn)品識別示意圖
所有設備均可用作：
590+ : 四象限，三相、全控制、反平行晶閘管橋配置
591+ : 二象限，三相、全控制晶閘管橋配置
（2）590+控制器（1型與2型）
圖3-25 1型與2型590控制器實(shí)物圖
端子說(shuō)明：
1.主調速器裝置 2.端子蓋
3.端子蓋緊固螺絲 4.空蓋子
5.6901操作站（可選） 6.通訊技術(shù)盒（可選）
7.速度反饋技術(shù)卡（可選） 8.密封板
9.電源端子護罩 10.電源端子
11.控制端子 12.接地點(diǎn)
13.操作站端口 14.RS232編程端口
15. 輔助電源、外部接觸器以及隔離的電機溫度傳感器端子
（3）保護性接地連接（PE）（1型、2型、3型、4型與5型）
圖3-26 保護接地示意圖
在歐洲按照EN60204標準的安裝：
①對于永久性接地，調速器需要引入的兩個(gè)保護性接地導體（截面積小于10平方毫米）或者一個(gè)連接至調速器附近的一個(gè)獨立的保護接地。
②電機保護地線(xiàn)/接地連接與電機供電導體并行，理想狀態(tài)是位于同一管道/屏蔽/護套中，連接至調速器附近獨立的保護性地線(xiàn)/接地點(diǎn)。
③將調速器連接至獨立的地線(xiàn)/接地點(diǎn)。
對于保護引入的主電源（使用適當的熔斷器或者電路斷路器）。（不建議使用電路斷路器，例如：RCD、ELCB以及GFCI，詳情請參考“接地故障監控系統”）
重要事項：調速器與濾波器（如果安裝了濾波器）必須進(jìn)行永久性接地連接，每一根用作永久接地連接的導體必須分別滿(mǎn)足保護性接地導體的要求。
（4）電源接線(xiàn)連接（1型、2型、3型、4型與5型）
圖3-27 電源接線(xiàn)示意圖
電源端子承載著(zhù)可能致命的電壓，在沒(méi)有事先斷開(kāi)設備所有電源的情況下，禁止操作任何控制設備或者電機。
①三相外部接觸器（3、4）：三相外部接觸器應該連接在主交流電源接頭上，并可為相關(guān)控制器提供適當的額定電源。接觸器不會(huì )切換電流，并且主要用來(lái)斷開(kāi)電流并為電橋進(jìn)行排序；主接觸器必須通過(guò)將線(xiàn)圈連接至端子3（進(jìn)線(xiàn)）和4（中線(xiàn)）的方式，直接從控制器上獲得電壓。由于另外串聯(lián)接觸器或者轉換器將妨礙對控制器進(jìn)行排序并造成不可靠性以及可能出現故障等問(wèn)題，因此不允許使用。在電源板上提供繼電器跳線(xiàn)（CONN1），能夠為端子3和端子4通電（輔助電源），或者使之無(wú)電壓（對于用戶(hù)自有接觸器電源）。
注意事項：如果三相接觸器有一個(gè)涌入電流大于3A的線(xiàn)圈，則從屬繼電器必須用來(lái)驅動(dòng)這個(gè)電流繼電器線(xiàn)圈。接觸器與從屬繼電器（如果需要的話(huà)）的線(xiàn)圈電壓必須與控制器附屬供電電壓相互兼容。
②三相電源、交流進(jìn)線(xiàn)電抗器 （L1、L2與L3）：主交流電源連接至母線(xiàn)端子L1、L2及L3上，由于該控制器為獨立式相位旋轉同，因此沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的相連接到這三個(gè)端子上，必須通過(guò)電流斷路器和交流進(jìn)線(xiàn)電抗器進(jìn)行連接。
重要事項：如果電機完全短路，則電流跳閘（過(guò)電流保護）不會(huì )保護調速器。始終要提供高速晶閘管，從而在出現直接輸出短路情況下，為晶閘管堆棧提供保護。
③將一個(gè)三相交流進(jìn)線(xiàn)電抗器與接入主三相交流電源串聯(lián)安裝，電抗器應該在控制器與2型RCD之間進(jìn)行連接，從而提供最佳的保護與安全。
（5）電機電樞 (A+、A-)
電機電樞連接至端子A+和端子A-上。
圖3-28 電樞連接示意圖
（6）速度反饋與技術(shù)選項
選項如下：
1）速度反饋（模擬轉速表校準選項板或者微型測速器/編碼器反饋選項卡）
2）通訊技術(shù)盒（8055——連接 II、Profibus、DeviceNet以及串行RS485）
按照圖示，可插入到兩個(gè)位置中。
圖3-29 速度反饋示意圖
您可以利用速度反饋和或通訊技術(shù)選項來(lái)運行調速器。
3.3.3 590調速器的配合使用
本設計是關(guān)于交流和直流混合傳動(dòng)控制復卷機運行，在這里使用590直流數字調速器來(lái)做直流傳動(dòng)的控制，直流傳動(dòng)控制系統組態(tài)圖如下：
圖3-30 直流控制系統組態(tài)圖
由上圖可以看出在此牽扯到直徑計算模塊、設定值總數1和設定值總數2模塊、轉矩計算模塊、速度回路模塊以及電流回路模塊。
（1）直徑計算
本功能塊運算出卷軸直徑，作為卷軸速度與線(xiàn)速度的一個(gè)函數。
參數描述：
直徑（Diameter）：該參數是功能塊的輸出值，能夠連接到卷取機的相應的點(diǎn)上。范圍：xxx.xx %
線(xiàn)速模數 (Mod of Line Speed) 范圍：xxx.xx %
卷軸速度模式(Mod of Reel Speed 范圍：xxx.xx %
未濾波直徑（Unfiltered Diameter）：直徑的未濾波值。范圍：xxx.xx %
線(xiàn)速度(Line Speed)：通常需配置為模擬測速輸入，并在校準期間進(jìn)行相應換算。范圍：-105.00到105.00 %
卷軸速度(Reel Speed) ：通常需配置為調速器自身的速度反饋，即編碼器或者電樞電壓反饋。范圍：-105.00到105.00 %
最小直徑(MIN Diameter)：通常指的是空卷心直徑。范圍：0.00到100.00 %
最小速度(MIN Speed)：指的是最小的“線(xiàn)速度”水平，在此水平以下無(wú)法運算直徑。范圍：0.00到100.00 %
復位值(Reset Value)：通常針對卷繞器的需要，需設定為“最小直徑”。在啟用“外部復位”時(shí)，該參數值將提前加載到斜坡（濾波器）輸出中。范圍：0.00到100.00 %
外部復位(External Reset)：在啟用本輸入的同時(shí)，斜坡將保持在“復位值”上。0:已禁用，1:已啟用。
斜坡率 (RAMP Rate) 用于過(guò)濾直徑運算器的輸出結果。范圍：0.1到600.0秒
（2）設定值總數1
可以對該參數進(jìn)行配置，從而根據一定數量的輸入來(lái)執行幾個(gè)功能中的一種功能。
參數描述：
設定值總數（SPT.SUM）（設定值總數輸出）
比率1(Ratio1)：模擬輸入1換算。范圍：-3.0000到3.0000
比率0(Ratio0)：輸入0換算。范圍：-3.0000到3.0000
符號1(Sign1)：模擬輸入1極性。 【注：0:負向，1:正向】
符號0(Sign0)：模擬輸入0極性。 【注：0:負向，1:正向】
除數1(Divider1)：模擬輸入1換算，除以0（零）的結果是零輸出。范圍：-3.0000到3.0000
除數0(Divider0)：模擬輸入0換算，除以0（零）的結果是零輸出。范圍：-3.0000到3.0000
死區（死區寬度）：模擬輸入1的死區寬度。 范圍：0.00到100.00 %（h）
限值(Limit)：“設定值總和”可編程限值具有對稱(chēng)性，其范圍自0.00%至200.00%。該限值適用于“比率”運算的中間結果和全部輸出。
輸入2(Input2)：輸入2參數值在默認情況下，并不連接到任何模擬輸入端上。范圍：-200.00到200.00 %
輸入1(Input1)：輸入1參數值在默認情況下，將連接到模擬輸入1(A2)。范圍：-200.0到200.00 %
輸入0(Input0)：輸入0參數值在默認情況下，并不連接到任何模擬輸入端上。范圍：-200.00到200.00 %
對于設定值總數2和設定值總數1基本一致，在此不做介紹。
（3）轉矩計算
此功能塊用來(lái)分離電機電流給定并根據卷軸的旋轉方向使用適當的電流限制鉗位。
參數描述：
正電流鉗位(POS. I CLAMP)：正電流鉗位輸出目的，默認為沒(méi)有連接。范圍：0到549
負電流鉗位(NEG. I CLAMP)：負電流鉗位輸出目的。默認為沒(méi)有連接。范圍：0到549
轉矩給定（TORQUE DEMAND）：這是功能塊的轉矩給定。范圍：-200.00到200.00
張力使能(TENSION ENABLE)：?jiǎn)⒂脮r(shí)，適用轉矩給定；禁用時(shí)，轉矩給定為0�！咀ⅲ�0：DISABLED（禁用），1：ENABLED（啟用）】
過(guò)卷（OVER WIND）：?jiǎn)⒂脮r(shí)，選擇“過(guò)卷”，就是說(shuō)轉矩給定被施加在正象限（正電流鉗位，標記編號.301）；禁用時(shí)，選擇“欠卷”，就是說(shuō)轉矩給定被施加在負象限（負電流鉗位， 標識號為48）�！咀ⅲ�0：DISABLED（禁用），1：ENABLED（啟用）】
功能描述
（4）速度回路
本功能塊包括設置速度回路所需的參數�？赏ㄟ^(guò)人機接口上的兩個(gè)菜單來(lái)查閱本功能塊。
參數描述：
輸出(OUTPUT)（設定值回路輸出）范圍：xxx.xx %
速度反饋(SPEED FBK)（初始速度反饋）：該速度反饋值來(lái)自“速度反饋選擇”所選取的參數源。范圍：xxx.xx %
速度設定值(SPPED SETPOINT) 范圍：xxx.xx %
速度誤差（SPEED ERROR）（初始速度誤差）范圍：xxx.xx %
比例增益(PROP GAIN)（設定值比例增益）:速度回路PI比例增益調節。范圍：0.00到200.00
積分時(shí)間常數(INT TIME CONST)（設定值積分時(shí)間）速度回路PI積分增益調節。范圍：0.001到30,000秒
（5）電流回路
使用本功能模塊可使用戶(hù)對調速器傳統電流/轉矩回路進(jìn)行參數設定。
參數描述：
AT電流限值(AT CURRENT LIMT) 0 :假，1 :真
電流給定（IA DEMAND）(IaDmd，未過(guò)濾)
電流反饋（IA FEEDBACK）(IaFbk，未過(guò)濾)
IF反饋 (IF FEEDBACK) （勵磁電流反饋電流）
自動(dòng)調整（AUTOTUNE）：這是自動(dòng)調整功能觸發(fā)輸入。 0：關(guān)閉，1打開(kāi)
電流回路暫停(ILOOP SUSPEND) 0：假，1真
主電橋 (MASTER BRIDGE) ：“診斷”功能塊指明當前所使用的電橋，主電橋＝打開(kāi)、從電橋＝關(guān)閉。 0：關(guān)閉，1打開(kāi)。
主電流限值(MAIN CURR.LIMIT)：獨立于電流限值換算器以外并且與其它三種電流限值組并行的主電流限值。范圍：0.00到200.00 %
比例增益（PROP GAIN）：電樞電流PI回路的比例增益控制。該參數將在啟用自動(dòng)調整功能期間進(jìn)行設定。范圍：0.00到200.00
積分增益（INT.GAIN）：電樞電流PI回路的綜合增益控制。該參數將在啟用自動(dòng)調整功能期間進(jìn)行設定。范圍：0.00到200.00
總結：通過(guò)以上模塊間的相互配合，結合直流雙閉環(huán)可逆調速的原理，便可設計出直流控制系統原理圖見(jiàn)附錄圖3。
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