丹佛斯變頻器FC302在管絞機收卷轉(zhuǎn)矩控制上的應(yīng)用

Danfoss FC302 inverter applications in take-up torque control of tubular stranding machines

摘要：本文介紹了丹佛斯FC302變頻器，配合編碼器進行閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，在管式絞線機的收卷裝置上的應(yīng)用；并簡述了開發(fā)過程。

關(guān)鍵詞：丹佛斯變頻器   FC302   轉(zhuǎn)矩控制    管式絞線機

Abstract:This article introduced Danfoss FC302 inverter applications in take-up devices of tubular stranding machines with encoder to establish closed loop torque control, and its development process.

Keywords:  DanfossInverter  FC302   Torque control     Tubular  stranding machine

引言：管式絞線機絞線機（以下簡稱“管絞機”）是一種能廣泛應(yīng)用于各類軟/硬導(dǎo)體線(鋼絞線、鋁絞線及銅絞線等)及電子線（如:電源線、耳機線等）的絞合機械設(shè)備，使多根單支導(dǎo)體扭成一股，達到線材的工藝要求。扭絞后的線纜往往具有很高的強度，因此就對收卷裝置提出了較高的要求。

• 工藝介紹：

管絞機的主要機械結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其中：

1.絞籠：內(nèi)部裝有放線搖籃，將要扭絞的線盤安裝在搖籃上，絞籠轉(zhuǎn)動將這些線纜扭絞在一起，絞籠由絞線電機帶動。

2.牽引輪：在絞籠轉(zhuǎn)動的同時，牽引輪根據(jù)節(jié)距（pitch）的要求，按照一定的同步系數(shù)與絞線電機保持同步。

3.計米裝置：用于測量生產(chǎn)的線纜長度。

4.收卷裝置：將扭絞后的線纜成品纏繞在線盤上。

• 傳統(tǒng)收卷裝置存在的問題：

       傳統(tǒng)的收卷裝置由力矩電機控制器和力矩電機組成。力矩電機的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性見圖二，主要特點是在恒定電壓時，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為zui大轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速時（一般為1500RPM），輸出轉(zhuǎn)矩為0；轉(zhuǎn)速下降時，輸出轉(zhuǎn)矩逐步增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速為0，即堵轉(zhuǎn)時，輸出轉(zhuǎn)矩達到zui大值，即堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩T0；T0的大小與電機電壓有關(guān)，電壓越大轉(zhuǎn)矩越大。

當(dāng)生產(chǎn)線速度恒定時，開始收卷圈筒直徑較小，收卷轉(zhuǎn)速較快，收卷轉(zhuǎn)矩T也較小，根據(jù)線纜張力F= T / R ，由于這時R也較小，所以線纜上的張力并不是很?。划?dāng)收卷卷徑變大時，收卷轉(zhuǎn)速將變小，為使線纜上的張力保持恒定不變，理論上要求收卷電機的輸出轉(zhuǎn)矩變大，而轉(zhuǎn)速變小時輸出轉(zhuǎn)矩變大，正是力矩電機的固有特性，所以當(dāng)線速度恒定不變時，使用力矩電機可以近似地滿足收卷張力恒定的工藝要求。

力矩電機收卷的不足之處在于：

1. 轉(zhuǎn)矩控制精度較低
2. 加、減速時，由于轉(zhuǎn)速較低，輸出張力往往過大，需要操作員不斷手動調(diào)節(jié)力矩電機控制器的輸出電壓來對此進行補償，而手動調(diào)節(jié)的性能很難控制。
3. 功耗大，效率低，力矩電機發(fā)熱厲害，容易引起故障。

• FC302收卷張力控制：

1. 系統(tǒng)配置

電機：加裝編碼器反饋的異步電機

驅(qū)動器：Danfoss  FC302變頻器

       Danfoss FC302變頻器支持轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，即使驅(qū)動普通異步電機，也能實現(xiàn)5%的轉(zhuǎn)矩控制精度。PLC做收卷卷徑計算，然后算出收卷轉(zhuǎn)矩給定值，通過RS485串行通信口傳輸給變頻器。整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖三。

1. 開發(fā)過程：

1）電機選擇：

首先根據(jù)線盤和張力要求，計算所需的zui大轉(zhuǎn)矩，存在以下等式：

轉(zhuǎn)矩×機械傳輸效率×減速比 = 張力×滿卷半徑

以常用的1600收卷筒為例，線筒直徑為1.6 m，通常滿卷直徑為1.25 m，假設(shè)工藝要求張力為1900 N，減速比為45.16，機械傳輸效率為0.8，可推導(dǎo)出所需轉(zhuǎn)矩為32.86 Nm，所選電機的額度轉(zhuǎn)矩必須大于等于32.86Nm。

再根據(jù)線纜的線速度V_Line，核算電機轉(zhuǎn)速，根據(jù)公式：

V_Line = πD×n / 減速比

假設(shè)生產(chǎn)線速度V_Line為100 m/MIN，卷徑為zui大卷徑1.25m時，可以算出電機的轉(zhuǎn)速為 1150 rpm，小于電機額定轉(zhuǎn)速1460rpm，滿足電機滿轉(zhuǎn)矩出力的要求；當(dāng)卷徑為zui小值0.8m時，可以算出電機的轉(zhuǎn)速為 1797 rpm，在合理的恒功率工作區(qū)域之內(nèi)。因此選擇額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為36Nm，額度功率為5.5 kW的4極異步電機。

如果依然選用力矩電機收卷的話，則需要選用約100Nm、5的力矩電機，電機容量將比普通異步電機大3倍。

2）卷徑計算：

提高收卷質(zhì)量的關(guān)鍵在于保持收卷張力的恒定，而張力 = 轉(zhuǎn)矩 / 卷徑，卷徑可由傳感器測得，但為了降低成本往往由PLC來計算得出卷徑。收卷排線裝置的兩端各有一個行程開關(guān)，將行程開關(guān)的信號輸入到PLC，就能在每次換向時疊加收卷卷徑。理論上，每次行程開關(guān)信號觸發(fā)都代表開始繞新一層，卷徑增加兩個線纜直徑，但實際線纜為圓柱形，所以增加的卷徑往往小于線纜直徑，所以需要引入修正系數(shù)λ。

收卷當(dāng)前卷徑 = 前收卷卷徑 +線徑×2×λ

計算出卷徑后，即可得出對應(yīng)的收卷轉(zhuǎn)矩。

3）變頻器參數(shù)設(shè)置：

為了實現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩控制，首先在1-**參數(shù)中正確設(shè)置電機的各個參數(shù)，還需要再進行完整的AMA（電機自適應(yīng)）；其它需要優(yōu)化的參數(shù)還包括：轉(zhuǎn)矩和電流、zui高轉(zhuǎn)速的限制，PID控制器的參數(shù)，通信參數(shù)，發(fā)生故障后的處理方式等。

• 結(jié)束語:

現(xiàn)場實際運行過程中，收卷裝置大大減少了操作員的工作量，提升了管絞機的自動化水平。系統(tǒng)調(diào)試也十分簡單易行，得到客戶的*。

參考文獻

[1] FC300編程指南. MG.33.MD.41. Danfoss

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