變頻器在直流傳動(dòng)紙張卷繞機(jī)換代改造的實(shí)踐與研究【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告</b></p><p><b>　　電氣工程及其自動(dòng)化</b></p><p>　　變頻器在直流傳動(dòng)紙張卷繞機(jī)換代改造的實(shí)踐與研究</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　早期的造紙機(jī)等多數(shù)對(duì)速度調(diào)節(jié)控制要求

2、較高的工業(yè)設(shè)備、傳動(dòng)系統(tǒng)都采用直流調(diào)節(jié)控制裝置，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)電刷、換向器及測(cè)速機(jī)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(dòng)的性能與可靠性，本設(shè)計(jì)采用變頻對(duì)直流傳動(dòng)的改造進(jìn)行研究和實(shí)踐。</p><p><b>　　二、主題部分</b></p>

3、<p>　　1、卷繞機(jī)的發(fā)展歷史</p><p>　　卷繞機(jī)有半自動(dòng)和全自動(dòng)兩個(gè)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(dòng)卷繞頭是集機(jī)械、電氣為一體的高科技產(chǎn)品。1988 年, 日本帝人制機(jī)公司在北京國(guó)際紡機(jī)展覽會(huì)上, 首次展出了6頭同時(shí)卷繞6根絲的全自動(dòng)卷繞頭。從1989年我國(guó)引進(jìn)全自動(dòng)卷繞頭到2000 年底止, 國(guó)內(nèi)化纖行業(yè)全自動(dòng)卷繞頭市場(chǎng)基本上由德國(guó)的巴馬格公司, 日本的帝人

4、制機(jī)、村田、東麗公司和瑞士的立達(dá)公司所壟斷。1997年, 中國(guó)紡織科學(xué)研究院?jiǎn)?dòng)了全自動(dòng)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(chǎng), 打破了外國(guó)公司的壟斷地位。</p><p>　　2、卷繞機(jī)改進(jìn)的核心</p><p>　　卷繞頭自控系統(tǒng)的研究是整個(gè)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(jī)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(dú)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(dòng)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(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制是本次研究的重點(diǎn)。因此，采用什么樣的控制方式及如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)成為我們面臨的最大的技術(shù)問題和難

6、點(diǎn)。</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(jī)無級(jí)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(jì)60年代以后，電力電子器件普遍應(yīng)用了晶閘管及其升級(jí)產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足需要。20世紀(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的 VVVF變頻器技術(shù)實(shí)用化，商品投入市場(chǎng)，得到了廣泛應(yīng)用。 最早的變頻器可能是日本人買了英國(guó)專利研制的。不過美國(guó)和德國(guó)憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，高端產(chǎn)品迅速搶占市場(chǎng)。步入21世紀(jì)后，國(guó)產(chǎn)變頻器逐步崛起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場(chǎng)。</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(chǔ)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(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。</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(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)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(jiǎn)單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，麗且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)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(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)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(dòng)機(jī)具有對(duì)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(shí)還加有電流反饋，對(duì)頻率和電流進(jìn)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(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)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(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)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(shí)定子電阻

12、的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)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(cè)</p><p>　　變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)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(shì)：驅(qū)動(dòng)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(jià)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(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)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(duì)電機(jī)的影響；二要看對(duì)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(shì)

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(jìn)一步降低。</p><p>　　變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面。變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)低壓小容量的裝置常采用6脈沖變流器，而對(duì)中壓大容量的裝置采用多重化12脈沖以上的變流器。負(fù)載側(cè)變流器對(duì)低壓小容量裝置常采用兩電平的橋式逆變器，而對(duì)中壓大容量的裝置采用多電平逆變器。對(duì)于四象限運(yùn)行的轉(zhuǎn)動(dòng)，為實(shí)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(shí)出現(xiàn)了功率可雙向流動(dòng)的雙PWM變頻器，對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器加以適當(dāng)控制可使輸入電流接近正弦波，減少對(duì)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(dòng)機(jī)變頻調(diào)整控制方法的進(jìn)展主要體現(xiàn)在由標(biāo)量控制向高動(dòng)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(jìn)步使數(shù)字控制成為現(xiàn)

16、代控制器的發(fā)展方向。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是快速系統(tǒng)，特別是交流電動(dòng)機(jī)高性能的控制需要存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)和快速實(shí)時(shí)處理大量信息。近幾年來，國(guó)外各大公司紛紛推出以DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)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(jī)控制器，價(jià)</p><p>　　4、卷繞機(jī)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(jī)的經(jīng)軸卷繞,傳統(tǒng)的機(jī)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(huì)更大,也限制了整經(jīng)機(jī)向高速發(fā)展,所以新型的高速整經(jīng)機(jī)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(jī)構(gòu),可以發(fā)揮交流電動(dòng)機(jī)本身固有的優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,堅(jiān)固耐用,經(jīng)濟(jì)可靠,經(jīng)過多年的實(shí)踐證明,變頻調(diào)速技術(shù)可以滿足中心卷繞的要求,國(guó)內(nèi)外的整經(jīng)機(jī)、漿紗機(jī)、卷染機(jī)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(chǎng)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(dāng)卷繞直徑從小直徑向大直徑變化時(shí)(漿紗機(jī)織軸最小卷徑為100 mm ,最大卷徑為1 000 mm;卷染機(jī)卷布輥?zhàn)钚【韽綖?00 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(bǔ)償,隨著卷徑的增大,則紗或布的張力會(huì)逐漸減少,所以必須通過卷徑計(jì)算,進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償,以保證卷繞過程中的張力恒定。</p><p><b>　　6、卷徑計(jì)算的方式</b></p><p>　　由誰來承擔(dān)卷徑計(jì)算,一般有2 種方式。第1 種方式:由PLC 計(jì)算卷徑。檢測(cè)出卷繞電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入PLC ,由PLC 進(jìn)

20、行卷徑計(jì)算后,輸出控制信號(hào)給變頻器,達(dá)到控制卷繞軸或輥的運(yùn)行第2 種方式:變頻器具有計(jì)算卷徑功能,變頻器生產(chǎn)廠商設(shè)計(jì)專用于卷繞的變頻器,卷徑計(jì)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(shí)現(xiàn)) ,變頻器根據(jù)內(nèi)部計(jì)算出的卷徑對(duì)卷繞張力進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種方式簡(jiǎn)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(guó)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(guó)匯川公司等產(chǎn)品并已批量應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)紡機(jī)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(jī)械上采用卷繞專用變頻器進(jìn)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(duì)于張力控制精度要求高的場(chǎng)合,通過張力傳感器檢測(cè)實(shí)際張力,其信號(hào)反饋到卷繞專用變頻

22、器或交流伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)器內(nèi)部計(jì)算出卷徑,根據(jù)卷徑計(jì)算出所需的轉(zhuǎn)矩,從而達(dá)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(guó)內(nèi)設(shè)備上都有采用,企業(yè)根據(jù)自身設(shè)備的特點(diǎn)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(diǎn)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(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)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(diǎn)，如節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實(shí)現(xiàn)放卷、收卷方向的正反轉(zhuǎn)

24、切換，在不停機(jī)換軸時(shí)減少由于張力波動(dòng)產(chǎn)生的廢料，等等。在采用了變頻器的交流拖動(dòng)系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制是通過改變變頻器的輸出頻率實(shí)現(xiàn)的。因此，在進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，可以通過控制變頻器的輸出頻率使電動(dòng)機(jī)工作在轉(zhuǎn)差率較小的范圍，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍較寬，并可以達(dá)到提高運(yùn)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(dá)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(dá)到1：1000。此外，當(dāng)采用矢量控制方式的變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行

25、調(diào)速控制時(shí)，還可直接控制電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的組合在控制性能方面可以達(dá)到和超過高精度直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制性能。</p><p>　　同時(shí)。隨著微處理器、計(jì)算機(jī)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(jiǎn)稱PLC)已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。PLC不僅能實(shí)現(xiàn)繼電器控制所具有的邏輯判斷、計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等順序控制

26、，同時(shí)還具有執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、對(duì)模擬量進(jìn)行控制等功能，隨著PLC軟硬件功能的進(jìn)一步增強(qiáng)，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(bào)表、調(diào)度產(chǎn)出、可診斷自身故障及機(jī)器故障。這些改進(jìn)使PLC符合今天對(duì)高質(zhì)量產(chǎn)出的要求。它具有編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大而性價(jià)比高、可靠性高使用壽命長(zhǎng)、接線簡(jiǎn)單維修工作量小等突出優(yōu)點(diǎn)，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(jì)算機(jī)或者智能設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，組成基

27、于各種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的分布式I／0控制系統(tǒng)，進(jìn)一步滿足復(fù)雜生產(chǎn)工藝的需要。另外，與單片機(jī)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)比較，PLC具有兼容性、擴(kuò)展性、抗干擾性強(qiáng)、負(fù)載能力大的特點(diǎn)，適用于各種復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境”。由PLC和變頻器及其電機(jī)組成的卷繞機(jī)控制系統(tǒng)，通過控制卷繞主電機(jī)以及放卷、入料牽引、出料牽引、收卷各個(gè)電機(jī)的線速度同步來達(dá)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(dòng)態(tài)響應(yīng)等的控制性能得到了進(jìn)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(xiàng)技術(shù)在紙張生產(chǎn)中推廣應(yīng)用,提高了卷繞機(jī)的技術(shù)水平。經(jīng)過實(shí)踐證明,各種中心卷繞的技術(shù)方案都各有其特點(diǎn),并取得良好的效果,期望在今后的生產(chǎn)實(shí)踐中創(chuàng)造出更多的經(jīng)驗(yàn),以求推動(dòng)紙張卷繞機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。</p><p>&

29、lt;b>　　四、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[ 1 ] 夏新順. 拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M ]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1988. [ 2 ] 丁斗章. 變頻調(diào)速技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用[M ]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005. [ 3 ] 

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