张紧辊带钢张力控制过程中的变频调速系统设计.docx
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张紧辊带钢张力控制过程中的变频调速系统设计
辽宁工业大学
交流调速控制系统课程设计（论文）
题目：
张紧辊带钢张力控制过程中的变频调速系统设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
自动化101
学号：
学生姓名：
指导教师：
（签字）
起止时间：
2013.6.24-2013.7.07
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
自动化教研室
学号
学生姓名
专业班级
自动化101
课程设计（论文）题目
张紧辊带钢张力控制过程中的变频调速系统设计
课程设计（论文）任务
课题完成的功能：
在冶金行业中，利用张紧辊来控制生产线上带钢的张力。
变频调速系统是张紧辊带钢张力控制过程中的重要组成部分。
以由4个传动辊所组成的张紧辊为例，设计变频调速系统。
通过变频调速系统来实现带钢张力的控制目标。
设计任务及要求：
1、设计控制系统的结构原理图；2、选择合适的仪表、执行机构、控制系统；
3、给出变频器参数设置的步骤；4、给出控制器的算法；
5、设计出控制系统监控画面的草图；
技术参数：
1、带钢弹性模量
，带钢的横截面积
，辊子半径为0.5米
2、张力设定值在1800-2200N；
3、共有4台电动机，每台电动机的额定功率22Kw，额定电压380V，额定电流7A，额定转速1450rpm。
4、速度控制系统的精度在±2%以内。
5、张力控制系统的精度在±8%以内.
进度计划
1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2天）；2、设计系统的结构原理图（1天）；
3、仪表、控制系统等设备的选型（1天）；4、控制方案设计及实现（4天）；5、撰写课设论文（1.5天）；
6、设计结果考核（0.5天）；
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
在钢铁企业板带生产机组中，带钢张力很多是需要分段进行控制的，这不但是通板的需要，更是工艺的需求。
带钢张力控制设备的实现一般是采用张力辊组完成，即由2-4个辊子构成张紧辊组，分别用电动机传动每一个辊子，实现张紧辊组前后不同的张力控制要求。
张紧辊是由电动机传动的，控制电动机的转速是整个系统的关键。
采用西门子1LG4电动机对张紧辊进行控制，因此在带钢张力控制过程中变频调速系统是其重要的组成部分。
通过西门子MM440变频器改变电动机的转速，即改变每一根辊子的速度来实现带钢张力的控制目标，从而达到带钢张力1800N-2200N的要求。
关键词：
张紧辊；带钢张力；变频器
目录
第1章绪论1
第2章系统的设计方案2
2.1概述2
2.1.1项目开发背景2
2.1.2项目目标2
2.2系统方案选择3
2.2.1电机的选择3
2.2.2调速方法的选择3
2.2.3张紧辊的选择4
2.3系统组成的整体结构4
2.3.1系统的组成4
2.3.2系统整体结构框图4
第3章系统硬件设计6
3.1张紧辊组6
3.1.1张紧辊组的组成及结构6
3.2调速系统设计7
3.2.1变频调速技术的应用7
3.2.2变频调速的原理7
3.2.3变频调速的结构原理图8
3.2.4矢量控制工作原理9
3.2.5矢量控制的优点10
3.2.6矢量控制的原理图10
3.3变频器的设计10
3.3.1变频器的结构11
3.3.2变频器的实现设备11
3.3.3变频器的选型12
3.3.4变频器参数设置13
3.4电机的选择18
3.5张力检测仪的选择18
第4章系统的软件设计19
4.1系统的控制器19
4.2控制系统监控画面草图20
4.3软件控制的优点21
第5章总结22
参考文献23
第1章绪论
在工业生产的很多行业中，都需要进行精确的张力控制，保持张力的恒定，以提高产品的质量。
这些行业如冶金、造纸、包装、染整、线缆、纤维、橡胶等片材、线材和带材的加工和制造。
在行业发展的趋势来看，张力系统在很多应用领域中是控制产品质量和生产效率的重要因素，并得到越来越多的重视。
在冶金技术快速发展的今天，张力控制发挥着重要作用。
采用张力控制防止带钢堆拉现象的发生，同时，张力在生产工艺过程中也发挥着重要的作用，主要表现在一下几个方面：
第一，防止带钢跑偏。
在实际生产过程中，由于各种因素的影响，带钢在运行过程中容易发生跑偏，而会随着运行越来越严重。
为了防止跑偏，可以采用纠偏辊或张紧辊，但这两种方法都有一定的时滞，有一定的局限性。
而适当调节张力值，维持张力稳定，带钢可以在一定张力作用下平稳运行，张力反映迅速，无时滞，所以是防止跑偏的重要方法。
第二、有利于控制带钢板形。
板形是衡量带钢质量的指标，板形良好指的就是带钢的平质度好，如边部起浪、中部浪皱等，这主要是由于变形不均匀，使带钢中的残余应力超出了稳定所允许的拉应力。
第三、有利于控制加热面积。
炉区的入口段是预热炉，里面没有炉辊，是一段悬空的带钢，两面喷嘴加热带钢。
利用张力可以调节带钢的悬垂度，保证在预热炉内的带钢充分加热。
此外，张力在带钢过程中可以适当的调节张力辊电机的负荷。
由此可见，张力控制在生产中起着重要的作用。
在张力控制过程中，通过改变电动机的转速来控制张紧辊轮子的转速，从而达到控制张力的目标。
因此调速系统在张力控制过程中必不可少。
在实际应用中，电动机作为把电能转化为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是能根据生产机械工艺的要求控制来调节电动机的旋转速度。
电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产效率和节省电能有着直接决定性影响，因此调速技术一直是研究的热点。
在冶金企业蓬勃发展的年代里，通过变频调速调节带钢张力的技术是一个值得关注的话题，值得我们去研究。
第2章系统的设计方案
2.1概述
本系统设计了张紧辊带钢张力控制过程中的变频调速系统，通过电动机对张力辊进行控制，使带钢生产过程中保持各段张力的恒定。
此设计运用了较为先进的矢量控制变频调速系统对电机进行调速控制，正因为采用了交流电动机对辊子进行速度控制，所以矢量控制发挥了巨大的作用。
矢量控制将三相异步电动机下的数学模型通过坐标变换和磁链定向变为等效直流电动机模型，从而提高了系统的控制精度，避免使用直流电动机代替交流电动机，减少了整条生产线的成本，产生了巨大的经济效益。
张紧辊在生产中也发挥了重要的作用，通过在合适位置设置张紧辊，提高了对带钢张力的精确调节。
2.1.1项目开发背景
近年来，张力控制过程中的变频调速系统已经广泛应用到了冶金、造纸、包装、染整、线缆、纤维、橡胶等加工领域。
其中，在冶金行业中，张力控制中的变频调速系统对带钢的质量和生产效率起着巨大作用。
然而，在一个巨大的生产线系统里，拥有较高水准的变频调速系统无疑是一个重要的环节。
最近十几年来，变频调速技术飞速发展，变频器中功率元器件、变频控制方式和计算机技术都有了明显的进步。
交流电机变频调速技术是电力技术和微电技术、计算机技术高度结合的高科技技术，该技术发展日趋成熟。
交流变频调速技术以优异的性能和强大的功能，淘汰、取代直流调速技术已是必然的技术趋势。
因此，在带钢张力控制过程中采用交流电机变频调速技术对整个控制过程起到了重要作用。
2.1.2项目目标
本系统采用了4个张力辊组成的张紧辊组，分别用电动机传动每一根辊子的生产技术。
通过张力检测器来实时监测生产过程中各段带钢的张力，利用交流电动机变频调速系统对每个辊子中的电动机进行调速，使各段带钢的张力始终保持恒定的数值，防止带钢生产过程中跑偏和堆拉现象的发生，从而保证带钢的质量和生产效率。
2.2系统方案选择
方案的合理选择对整个系统来说极其重要，好的方案不仅能提高产品的质量，还能减少不必要的投资和提高生产效率，为公司创造巨大的财富。
2.2.1电机的选择
方案一：
直流电动机。
定子磁场方向不变，若使转子连续旋转，必须通过换向器对转子回路的电流进行换向。
调速容易、转矩比较大。
但是制造昂贵，有碳刷，需定时进行维修，换向时有明显火花。
方案二：
交流电动机。
不需要换向器对转子电流进行换向，而是通过改变定子磁场方向，保证转子连续转动。
制造便宜，速度不容易控制，但随着矢量变频技术的发展，可以用变频电机模拟直流电机。
考虑到本系统对带钢张力控制的精确度要求和整个生产线的经济利益，选择方案二。
2.2.2调速方法的选择
方案一：
变频调速。
通过改变电动机的定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速的。
是无附加转差损耗的高效调速方式。
变频调速系统的关键装置时变频器。
变频调速调速效率高，启动能耗低，调速范围宽，可实现无级调速，动态响应速度快，调速精度高，操作简便，易于实现生产工艺控制自动化。
方案二：
变极调速。
通过改变定子绕组极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。
变极调速运行可靠，效率高，控制线路简单，容易维护，对电网无干扰，初始投资低。
但调速不连续，抑制了调速范围。
方案三：
串级调速。
串级调速是在绕线型感应电动机的转子回路中串入一个与转子电动势相反的附加电动势，用以减少转子电流，降低转子转矩，从而达到调速的目的，属于转子电磁功率控制的调速。
串级调速调速效率高，可实现无级调速，初始投资不大，对电网干扰大，调速范围窄，功率因数低。
考虑到本系统对调速的精度要求较高，能耗低，响应速度快，操作简便，易于实现自动化的特点，综合考虑选择方案一。
2.2.3张紧辊的选择
方案一：
两个辊子的张紧辊组。
设备简单，投资较低，但对生产过程中张力控制的精度较低。
方案二：
四个辊子的张紧辊组。
设备相对简单，投资不高，能较精确的对带钢生产过程中的张力进行调节控制，控制范围比较广。
考虑到带钢生产过程的连续性，并根据机组工艺的需求和控制的需要将整个机组分成若干段，每个段都可以单独进行张力的设定和控制的要求。
综合考虑选择方案二。
2.3系统组成的整体结构
本系统采用了4个张力辊组成的张紧辊组。
通过张力检测器来实时监测生产
过程中各段带钢的张力，利用交流电动机变频调速系统对每个辊子中的电动机进行调速，使各段带钢的张力始终保持恒定的数值，来控制整个生产过程中带钢的生产要求。
2.3.1系统的组成
本系统主要由张紧辊组、交流电动机、速度检测装置、张力检测装置、变频器等部分组成。
2.3.2系统整体结构框图
系统的整体框图如下图2.1所示。
图2.1系统整体结构框图
第3章系统硬件设计
本系统主要通过张力测量仪检测带钢生产过程中各段带钢的张力情况，利用变频调速系统改变交流电动机的转速，从而适当调整张紧辊组中各个张力辊的转速，使带钢始终保持着生产的需要，进而提高生产过程中带钢的质量和生产效率。
3.1张紧辊组
带钢处理线必须在张力之下完成，张力最基本作用是保持带钢正常运行。
在生产线上，连续进行着各种工序，不同的工序各有其特点，张力的生产和作用也不尽相同。
有了张力辊，就可以把各个区域张力分开，在不同区域设置不同大小的张力。
机组各段张力值得建立是依靠机组各段合适的位置设置张力辊和夹送辊来实现的。
带钢包绕在张力辊上，在包围接触处产生摩擦力，张力按照张力辊的布置和包绕角的不同而变化，由此可以对整个生产线中张力进行控制，所以张力辊是一个重要的设备。
3.1.1张紧辊组的组成及结构
对于带钢的连续运行机组，一般来说，会根据机组工艺的要求和控制的需要将整个机组分成若干个段，每个段可以单独地进行张力的设定与控制。
各段之间的张力设定值可以不同，也可以相同，这就需要张紧辊组将不同的张力段隔开。
张紧辊的组成一般有两辊式、三辊式、四辊式等，由于张紧辊组前后的张力不同，其中的张力差就需要在组成张紧辊组的各个辊子之间进行分配。
本系统以四辊式为例进行设计。
四辊张紧辊组结构图如图3.1所示：
图3.1张紧辊组结构图
3.2调速系统设计
调速系统在带钢生产中起着重要的作用，通过调速系统改变各辊子中的电动机的转速，更好地控制各段中的带钢张力。
在带钢生产过程中，采用了较为先进矢量控制的变频调速系统对电机进行调速，将三相交流异步电动机的数学模型通过矢量变化和转子磁链定向变为等效直流电动机数学模型，对交流电动机的转矩进行控制，从而控制交流电动机的转速。
3.2.1变频调速技术的应用
变频调速技术已深入我们生活的每个角落，变频调速系统的控制方式包括V/F、矢量控制（VC）、直接转矩控制（DTC）等。
V/F控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合;而矢量控制的引入，则开始了变频调速系统在高性能场合的应用。
近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合，乃至变频空调、冰箱、洗衣机等家用电器。
交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。
3.2.2变频调速的原理
异步电动机是依靠旋转磁场的作用而转动的，根据旋转磁场理论，有下列关系：
（3-1）
式中
-定子旋转磁场转速，也叫异步电动机同步转速（r/min）；
f-电源频率（Hz）；
p-电动机的磁极对数。
异步电动机的同步转速与实际转速n之差与同步转速之比，叫异步电动机的转差率，以s表示
（3-2）
（3-3）
（3-4）
（3-5）
由电机学理论可知，电动机的转速为
，
式中：
f-电源频率；p-磁极对数；当p为定值时，n与f成正比。
如果连续的改变供电电源的频率就可以调节电动机的转速，这就是变频调速的工作原理。
而变频调速的关键设备就是变频器，它决定整个调速系统的性能。
但是，为了保持在调速时电动机的最大转矩不变，必须维持电动机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。
变频器就是在调整频率的同时还要调整电压，故简称VVVF（装置）。
通过电工理论分析可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。
目前使用较多的是“交-直-交”变频器，将50Hz的交流电整流为直流电Ud，再由三相逆变器将直流逆变为频率可调的三相交流电供给鼠笼型异步电动机来实现变频调速。
3.2.3变频调速的结构原理图
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入成正比的关系：
n=60f（1-S）/P，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电
机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
其结构原理图如图3.3所示。
图3.3变频调速结构原理图
3.2.4矢量控制工作原理
矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。
具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。
采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。
它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转子磁链，其中气息磁链是连接定子和转子的。
一般的感应电机转子电流不易测量，所以通过气息来中转，把它变成定子电流。
然后，有一些坐标变换，首先通过3/2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度。
最后再经过2/3变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能。
3.2.5矢量控制的优点
矢量控制是基于电动机的动态模型，具有良好的静态和动态指标，并且是基于幅值和相位的控制。
矢量控制的电机调速范围宽，速度稳定性能高，在断续负载下，电机的转速波动小，加减速时间短，过载能力强，噪音低、震动小、使用寿命长等优点。
3.2.6矢量控制的原理图
矢量控制基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。
首先通过3/2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度。
最后再经过2/3变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能。
矢量控制原理图如图3.4所示。
图3.4矢量控制原理图
3.3变频器的设计
变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
3.3.1变频器的结构
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
通用变频器有主电路和控制电路组成。
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，主电路包括整流器，中间直流环节和逆变器等。
控制电路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路构成。
（1）整流器：
电网侧的变流器为整流器，它的作用是把工频电源变换成直流电源。
三相交流电源一般需经过压敏电阻网络引入到整流桥的输入端。
压敏电阻网络的作用是吸收交流电网浪涌过电压，从而避免浪涌侵入，导致过电压而损坏变频器。
整流电路按其控制方式可以是直流电压源，也可是直流电流源。
电压型变频器的整流电路属于不可控整流桥直流电压源，当电源线电压为380V时，整流器件的最大反向电压一般为1000V，最大整流电流为变频器额定电流的2倍。
（2）逆变器：
负载侧的变流器为逆变器。
与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变为所需求频率的交流功率。
逆变器最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。
通过有规律的控制主开关的导通和关断，可以得到任意频率的三相交流输出波形。
3.3.2变频器的实现设备
变频器的使用需按下图3.5连接。
选择正确的外部设备，正确的连接以确保正确的操作，不正确的系统配置和连接会导致变频器不能正常工作，显著地降低变频器的寿命，甚至会损坏变频器。
图3.5变频器实现原理图
3.3.3变频器的选型
变频器的选择包括变频器类型的选择和容量的选择。
带钢张力的控制需要运用矢量控制，因此所选的变频器需要带矢量控制的功能。
本系统要求电机的额定功率为22Kw，额定电压380V，额定电流7A，额定转速1450r/min。
西门子MM440变频器能满足上述要求，选此变频器为本系统的变频器。
3.3.4变频器参数设置
以西门子MM440变频器为例：
变频器快速调试
电机的额定功率P0307=22Kw
电机的额定电压P0304=380V
电机的额定电流P0305=7A
电机的额定频率P0310=1450r/min
通过模拟输入1输入设定值P1000=2
感应电动机P0300=1
电机冷却方式为自冷P0335=0
电动机的过载系数P0640=150%
最小频率P1080=0Hz
最大频率P1082=50Hz
斜坡上升时间P1120=10s
斜坡下降时间P1121=10s
线性的V/F特性P1300=0
变频器快速调试流程图
图3.6变频器快速调速流程图
变频器各个按键的作用如下表1所示。
表1：
MM440变频器按键功能及作用
按键
功能
作用
启动电机
按此键启动变频器
停止电机
按此键电动机停车
改变电动机的旋转方向
按此键改变电动旋转方向
电动机点动
在“准备合闸”下按下此键
参数设置
按此键访问参数
功能
用于显示附加信息（输出电压、输出电流、输出频率）
增加数值
按此键增加数值
减少数值
按此键较少数值
以频率参数设置为50Hz例：
参数设置步骤如下图3.7所示。
控制器与变频器的连接图
变频器除了和控制器、交流电动机相连之外，为了避免电源受到污染，有时候会在变频器输入端接入进线电抗器。
ASR接在PLC中，PLC输出的频率作为给定信号与变频器的模拟信号输入端相连。
变频器的模拟电压、电流输出端AM，与变频器的模拟输入端相连。
控制器与变频器的连接图如图3.8所示。
图3.8控制器与变频器连接图
3.4电机的选择
西门子1LG4电动机是一款新型的进口鼠笼电机，适用于水泵、包装机械、轧钢、橡胶机械等领域，具有优良的性能。
工作额定电压0.18-315Kw，额定电压380V，额定电流82A，额定转速为885-3580r/min。
能满足系统电动机的额定功率22Kw，额定电压380V，额定电流7A，额定转速1450r/min的要求。
电机的接线图如图3.9所示。
图3.9电机接线图
3.5张力检测仪的选择
RMGZ800张力检测仪是一款高可靠性，测量精度为0.5%，额定量程为100-8000N的张力检测器。
满足张力设定值在1800-2200N的要求。
第4章系统的软件设计
系统要想得到精确地控制必须有软件来完成，通过软件编程对设备进行控制。
软件在一条生产线中是必不可少的，它起着极其重要的作用，就犹如人的大脑一样控制身体各个部位工作。
4.1系统的控制器
此系统的控制器算法采用了传统的PID控制。
PID是一个闭环控制算法，其中的P是比例，I是积分，D是微分。
PID控制系统的结构框图如图4.1所示。
图4.1PID控制系统的结构框图
PID控制算法的流程图，如图4.2所示。
图4.2PID控制算法流程图
4.2控制系统监控画面草图
图4.3控制系统监控画面草图
4.3软件控制的优点
软件设计采用模块化编程的方法，每一个模块对应一个头文件和一个C文件，各模块之间耦合度较小，程序修改、维护方便，程序的可移植性好。
第5章总结
经过了大约一周的课程设计，终于完成了张紧辊带钢张力控制过程中的变频调速系统，虽然系统还有许多不足，但我从中学到了许多东西，我知道了如何根据所给的电机参数选择变频器，选择电机的型号。
此次课程设计涉及到了许多框图和流程图的设计，我通过学习Visio这个绘图软件很好的完成了图纸的设计。
此次课程设计我通过查阅大量的资料，经过分析思考将有用的部分应用到了论文之中，刚开始对张紧辊的概念完全不知道是怎么回事，通过查阅资料已经有了整体上的了解。
虽然在今年的交流调速控制系统这门课中学习了变频调速，但我对此的了解并不深入，这次我已经掌握了大多部分。
最重要的是学到了论文的格式如何写，论文的Word排版如何做，这是平时所练习不到的。
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关变频器方面的知识，学会了如何设置变频器参数，如何给变频器接线，以及变频器的
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