在工業(yè)生產(chǎn)的很多行業(yè)，都要進(jìn)行精確的張力控制，保持張力的恒定，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。諸如造紙、印刷印染、包裝、電線電纜、光纖電纜、紡織、皮革、金屬箔加工、纖維、橡膠、冶金等行業(yè)都被廣泛應(yīng)用。在變頻技術(shù)還沒有成熟以前，通常采用直流控制，以獲得良好的控制性能。隨著變頻技術(shù)的日趨成熟，出現(xiàn)了矢量控制變頻器、張力控制**變頻器等一些高性能的變頻器。其控制性能已能和直流控制性能相媲美。由于交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、性價(jià)比、使用、維護(hù)等很多方面都**直流電動(dòng)機(jī)，矢量變頻控制正在這些行業(yè)被越來越廣泛的應(yīng)用，有取代直流控制的趨勢(shì)。

　　張力控制的目的就是保持線材或帶材上的張力恒定，矢量控制變頻器可以通過兩種途徑達(dá)到目的：一、通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)；另一種是通過控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)。

　　速度模式下的張力閉環(huán)控制

　　速度模式下的張力閉環(huán)控制是通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到張力恒定的。首先由帶（線）的線速度和卷筒的卷徑實(shí)時(shí)計(jì)算出同步匹配頻率指令，然后通過張力檢測(cè)裝置反饋的張力信號(hào)與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，調(diào)整變頻器的頻率指令。

　　同步匹配頻率指令的公式如下：

　　    F=（V×p×i）/（π×D）

　　其中：F變頻器同步匹配頻率指令V材料線速度p電機(jī)較對(duì)數(shù)（變頻器根據(jù)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)獲得）i機(jī)械傳動(dòng)比D卷筒的卷徑

　　變頻器的品牌不同、設(shè)計(jì)者的用法不同，獲得以上各變量的途徑也不同，特別是材料的線速度（V）和卷筒的卷徑（D），計(jì)算方法多種多樣，在此不一一列舉。

　　這種控制模式下要求變頻器的PID調(diào)節(jié)性能要好，同步匹配頻率指令要準(zhǔn)確，這樣系統(tǒng)較容易穩(wěn)定，否則系統(tǒng)就會(huì)震蕩、不穩(wěn)定。這種模式多用在拉絲機(jī)的連拉和軋機(jī)的連軋傳動(dòng)控制中。若采用轉(zhuǎn)矩控制模式，當(dāng)材料的機(jī)械性能出現(xiàn)波動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)拉絲困難，軋機(jī)軋不動(dòng)等不正常情況。

　　轉(zhuǎn)矩模式下的張力控制

　　一、轉(zhuǎn)矩模式下的張力開環(huán)控制

　　在這種模式下，*張力檢測(cè)反饋裝置，就可以獲得較為穩(wěn)定的張力控制效果，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，效果較好。但變頻器需工作在閉環(huán)矢量控制方式，必須安裝測(cè)速電機(jī)或編碼器，以便對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速做精確測(cè)量反饋。

　　    轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如下：

　　    T=（F×D）/（2×i）

　　    其中：T變頻器輸出轉(zhuǎn)矩指令F張力設(shè)定指令i機(jī)械傳動(dòng)比D卷筒的卷徑

　　電機(jī)的轉(zhuǎn)矩被計(jì)算出來后，用來控制變頻器的電流環(huán)，這樣就可以控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。所以轉(zhuǎn)矩計(jì)算非常重要。這種控制多用在對(duì)張力精度要求不高的場(chǎng)合，在我鑫科公司就有廣泛的應(yīng)用。如精帶公司的脫脂機(jī)、氣墊爐的收卷控制中都采用了這中控制模式。

　　二、轉(zhuǎn)矩模式下轉(zhuǎn)矩模式下的張力開環(huán)控制

　　張力閉環(huán)控制是在張力開環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了張力反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)。

　　通過張力檢測(cè)裝置反饋張力信號(hào)與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)整變頻器輸出轉(zhuǎn)矩指令，這樣可以獲得較高的張力控制精度。其張力計(jì)算與開環(huán)控制相同。不論采用張力開環(huán)模式還是閉環(huán)模式，在系統(tǒng)加、減速的過程中，需要提供額外的轉(zhuǎn)矩用于克服整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。如果不加補(bǔ)償，將出現(xiàn)收卷過程加速時(shí)張力偏小，減速時(shí)張力偏大，放卷過程加速時(shí)張力偏大，減速時(shí)張力偏小的現(xiàn)象。

　　這種控制模式多用在造紙、紡織等卷取微張力控制的場(chǎng)合下。在我公司尚*這種控制。

　　卷徑計(jì)算

　　在所有的模式中都需要用到卷筒的卷徑，大家知道，在生產(chǎn)過程中開卷機(jī)的卷徑是在不斷變小，卷取機(jī)的卷徑在不斷變大，也就是說轉(zhuǎn)矩必須隨著卷徑的變化而變化，才能獲得穩(wěn)定的張力控制?？梢娋硗驳木韽接?jì)算是多么地重要。卷徑的計(jì)算有兩中途徑：一種是通過外部將計(jì)算好的卷徑直接傳送給變頻器，一般是在PLC中運(yùn)算獲得。另一種是變頻器自己運(yùn)算獲得，矢量控制型變頻器都具有卷徑計(jì)算功能，在大多數(shù)的應(yīng)用中都是通過變頻器自己運(yùn)算獲得。這樣可以減少PLC程序的復(fù)雜性和調(diào)試難度、降低成本。

　　變頻器自己計(jì)算卷徑的方法有三種：

　　1、速度計(jì)算法：

　　通過系統(tǒng)當(dāng)**速度和變頻器輸出頻率計(jì)算卷徑。

　　    其公式如下：

　　    D=（i×V）/（π×n）D所求卷徑I機(jī)械傳動(dòng)比n電機(jī)轉(zhuǎn)速V線速度

　　    當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行速度較低時(shí)，材料線速度和變頻器輸出頻率都較低，較小的檢測(cè)誤差就會(huì)使卷徑計(jì)算產(chǎn)生較大的誤差，所以要設(shè)定一個(gè)較低線速度，當(dāng)材料線速度**此值時(shí)卷徑計(jì)算停止，卷徑當(dāng)前值保持不變。此值應(yīng)設(shè)為正常工作線速度以下。多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合下的變頻器都使用這種方法進(jìn)行卷徑計(jì)算。

　　2、度積分法：

　　    根據(jù)材料厚度按卷筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行卷徑累加或遞減，對(duì)于線材還需設(shè)定每層的圈數(shù)。

　　    這種方法計(jì)算要求輸入材料厚度，若厚度是固定不變的，可以在變頻器中設(shè)定。此方法在單一產(chǎn)品的生產(chǎn)場(chǎng)合被廣泛應(yīng)用。

　　若厚度是需要經(jīng)常變化的，需要通過人機(jī)界面HMI或智能儀表將厚度信號(hào)傳送到PLC，由PLC或儀表進(jìn)行運(yùn)算后再傳送給變頻器。這種計(jì)算方法可以獲得比較精確的卷徑。在一般的國產(chǎn)設(shè)備上應(yīng)用較少，我公司的進(jìn)口設(shè)備，氣墊爐的收、放卷控制上就采用這種計(jì)算方式。

　　    3、模擬量輸入

　　 當(dāng)選用外部卷徑傳感器時(shí)，卷徑信號(hào)通過模擬輸入口輸入給變頻器。由于卷徑傳感器的性能、價(jià)格、使用環(huán)境等原因，在國內(nèi)鮮有使用。

　　結(jié)束語：

　　矢量變頻技術(shù)在卷取應(yīng)用中的方法多種多樣，在當(dāng)前技術(shù)條件下，上述模式是有代表性的。無論是設(shè)計(jì)還是維修，了解你所使用設(shè)備的工作模式和控制特點(diǎn)是非常重要的。變頻技術(shù)還在高速發(fā)展，新的理論和控制技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，控制模式還將繼續(xù)推陳出新。我們期待著較**、較實(shí)用的技術(shù)不斷出現(xiàn)，以此來改變我們的生活。

采用變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因其節(jié)能效果明顯、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)而被越來越多的應(yīng)用。但是，由于變頻器特殊的工作方式帶來的干擾越來越不容忽視。變頻器干擾主要有：一是變頻器中普遍使用了晶閘管或者整流二極管等非線性整流器件，其產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)將產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變（電壓畸變率用THDv表示，變頻器產(chǎn)生諧波引起的THDv在10~40%左右），影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；二是變頻器的輸出部分一般采用的是IGBT等開關(guān)器件，在輸出能量的同時(shí)將在輸出線上產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾，影響周邊電器的正常工作。

二、諧波和電磁輻射對(duì)電網(wǎng)及其它系統(tǒng)的危害：

　　1．諧波使電網(wǎng)中的電器元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了輸變電及用電設(shè)備的效率。

　　2．諧波可以通過電網(wǎng)傳導(dǎo)到其它的用電器，影響了許多電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，比如諧波會(huì)使變壓器產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，使其局部過熱，絕緣老化，壽命縮短，以至于損壞；還有傳導(dǎo)來的諧波會(huì)干擾電器設(shè)備內(nèi)部軟件或硬件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　3．諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而使諧波放大。

　　4．諧波或電磁輻射干擾會(huì)導(dǎo)致繼電器保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，使電氣儀表計(jì)量不準(zhǔn)確，甚至無法正常工作。

　　5．電磁輻射干擾使經(jīng)過變頻器輸出導(dǎo)線附近的控制信號(hào)、檢測(cè)信號(hào)等弱電信號(hào)受到干擾，嚴(yán)重時(shí)使系統(tǒng)無法得到正確的檢測(cè)信號(hào)，或使控制系統(tǒng)紊亂。

　　一般來講，變頻器對(duì)電網(wǎng)容量大的系統(tǒng)影響不十分明顯，這也就是諧波不被大多數(shù)用戶重視的原因。但對(duì)系統(tǒng)容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不能忽視。

三、有關(guān)諧波的**及國家標(biāo)準(zhǔn)

1．**標(biāo)準(zhǔn)：

　　IEC61000-2-2標(biāo)準(zhǔn)適用于公用電網(wǎng)，IEC61000-2-4標(biāo)準(zhǔn)適用于廠級(jí)電網(wǎng)，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不給電網(wǎng)造成損害所允許的諧波程度，它們規(guī)定了較大允許的電壓畸變率THDv。

IEC61000-2-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電網(wǎng)公共接入點(diǎn)處的各次諧波電壓含有的THDv約為8%。

　　IEC61000-2-4標(biāo)準(zhǔn)分三級(jí)。第一類對(duì)諧波敏感場(chǎng)合（如計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)室等）THDv為5%；第二類針對(duì)電網(wǎng)公共接入點(diǎn)和一部分廠內(nèi)接入點(diǎn)THDv為8%；第三類主要針對(duì)廠內(nèi)接入點(diǎn)THDv為10%。

以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了電器設(shè)備所允許產(chǎn)生諧波電流的幅值，前者主要針對(duì)16A以下，后者主要針對(duì)16A到64A。

IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)是個(gè)建議標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是將單次THDv限制在3%以下，總THDv限制在5%以下。

2．國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：

　　GB/T14549-93中規(guī)定，公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值為380V(220V)電網(wǎng)電壓總THDv為5%，各次諧波電壓含有率奇次為4%，偶次為2%。

　　由以上標(biāo)準(zhǔn)看來，一般單次電壓畸變率在3~6%，總電壓畸變率在5~8%的范圍內(nèi)是可以接受的。

三、減少變頻器諧波對(duì)其它設(shè)備影響的方法

1．增加交流/直流電抗器

采用交流/直流電抗器后，進(jìn)線電流的THDv大約降低30%~50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。

2．多相脈沖整流

　　在條件具備，或者要求產(chǎn)生的諧波限制在比較小的情況下，可以采用多相整流的方法。12相脈沖整流THDv大約為10%~15%，18相脈沖整流的THDv約為3%~8%，滿足E**1000-3-12和IEEE519-1992嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的要求。缺點(diǎn)是需要**變壓器和整流器，不利于設(shè)備改造，價(jià)格較高。

3．無源濾波器

　　采用無源濾波器后，滿載時(shí)進(jìn)線中的THDv可降至5%~10%，滿足E**1000-3-12和IEEE519-1992的要求，技術(shù)成熟，價(jià)格適中。適用于所有負(fù)載下的THDv<30%的情況。缺點(diǎn)是輕載時(shí)功率因數(shù)會(huì)降低。

4．輸出電抗器

　　也可以采用在變頻器到電動(dòng)機(jī)之間增加交流電抗器的方法，主要目的是減少變頻器的輸出在能量傳輸過程中，線路產(chǎn)生的電磁輻射。該電抗器必須安裝在距離變頻器較近的地方，盡量縮短與變頻器的引線距離。如果使用鎧裝電纜作為變頻器與電動(dòng)機(jī)的連線時(shí)，可不使用這方法，但要做到電纜的鎧在變頻器和電動(dòng)機(jī)端可靠接地，而且接地的鎧要原樣不動(dòng)接地，不能扭成繩或辨，不能用其它導(dǎo)線延長，變頻器側(cè)要接在變頻器的地線端子上，再將變頻器接地。

四、減少或削弱變頻器諧波及電磁輻射對(duì)設(shè)備干擾的方法

　　上面介紹的方法是減少變頻器工作時(shí)對(duì)外設(shè)備的影響，但并不是消除了變頻器的對(duì)外干擾，如果想進(jìn)一步提高其它設(shè)備對(duì)變頻器諧波和電磁輻射的*能力，尤其是在變頻器（品牌不同，產(chǎn)生的干擾程度可能不一樣）干擾較嚴(yán)重的場(chǎng)合中常用的方法通常有以下幾種：

1．使用隔離變壓器

　　使用隔離變壓器主要是應(yīng)對(duì)來自于電源的傳導(dǎo)干擾。使用具有隔離層的隔離變壓器，可以將絕大部分的傳導(dǎo)干擾阻隔在隔離變壓器之前。同時(shí)還可以兼有電源電壓變換的作用。隔離變壓器常用于控制系統(tǒng)中的儀表、PLC，以及其它低壓小功率用電設(shè)備的抗傳導(dǎo)干擾。

2．使用濾波模塊或組件

　　目前市場(chǎng)中有很多專門用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波器模塊或組件，這些濾波器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)還具有防止用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對(duì)各類用電設(shè)備有很多好處。

　　常用的為雙孔磁芯濾波器的結(jié)構(gòu)。還有單孔磁芯的濾波器，其濾波能力較雙孔的弱些，但成本較低。

3．選用具有開關(guān)電源的儀表等低壓設(shè)備

　　一般開關(guān)電源的抗電源傳導(dǎo)干擾的能力都比較強(qiáng)，因?yàn)樵陂_關(guān)電源的內(nèi)部也都采用了有關(guān)的濾波器。因此在選用控制系統(tǒng)的電源設(shè)備，或者選用控制用電器的時(shí)候，盡量采用具有開關(guān)電源類型的。

4．作好信號(hào)線的抗干擾

　　信號(hào)線承擔(dān)著檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸任務(wù)，毋庸置疑，信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，因此做好信號(hào)線的抗干擾是十分必要的。

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