直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在鋁帶箔清洗機(jī)組中的應(yīng)用

趙欣

(洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南洛陽(yáng)471039)

2003年我院為新疆眾和股份有限公司設(shè)計(jì)和開發(fā)了第一套650mm2003鋁帶箔清洗機(jī)組。本清洗機(jī)組的工藝要求高:來(lái)料厚度是0.2至0.05mm的鋁帶箔卷材，主要完成0.09mm至0.05mm的箔材清洗工作;箔材的純度是高于99.999%的高純鋁，它具有比原鋁更好的導(dǎo)電性、延展性、反射性和抗腐蝕性;鋁帶箔材在清洗加工環(huán)節(jié)中容易造成表面劃傷。清洗后的箔材產(chǎn)品的主要質(zhì)量要求為:

擦劃傷最大直徑≤0.5mm;

擦劃傷最大深度≤厚度×1%。

清洗后的箔材要滿足生產(chǎn)鋁電解電容器的主要原材料——電極箔的質(zhì)量要求。

鋁帶箔在冷軋軋制過程中，因軋輥與鋁板表面摩擦和碾壓，其表面會(huì)產(chǎn)生氧化鋁粉脫落和吸附;軋制冷卻為軋制油冷卻方式，軋制油及其附帶成分在軋制過程中會(huì)殘留在鋁板的表面，對(duì)鋁帶箔的后續(xù)深加工造成不利影響。

采用清洗劑的清洗系統(tǒng)是鋁加工行業(yè)的清洗新技術(shù)，是鋁帶箔的深加工環(huán)節(jié)中的重要組成部分。新疆眾和650mm鋁帶箔清洗機(jī)組采用優(yōu)質(zhì)的鋁帶箔專用清洗油，能有效清洗并去除鋁材表面的污物，顯著提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量，滿足了后續(xù)的鋁帶箔深加工的原材料質(zhì)量要求。例如金屬材料表面的涂層處理、靜電涂漆加工、生產(chǎn)電極箔等使用鋁帶箔原材料的場(chǎng)合。

本清洗機(jī)組在運(yùn)行之前，由于可供借鑒的設(shè)備在國(guó)外，國(guó)內(nèi)還沒有找到相關(guān)的生產(chǎn)工藝，主要工藝參數(shù)要在運(yùn)行后進(jìn)一步摸索和完善。生產(chǎn)工藝對(duì)電控系統(tǒng)的要求主要是:電氣控制系統(tǒng)輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩要達(dá)到工藝要求;速度控制精度和穩(wěn)定性要達(dá)到工藝要求;開卷機(jī)及卷取機(jī)的張力控制精度和穩(wěn)定性要達(dá)到工藝要求等等。清洗機(jī)組配套的電氣控制系統(tǒng)采用ABB公司的ACS600系列全數(shù)字變頻裝置，采用了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，能滿足高精度的速度控制和力矩控制要求。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(簡(jiǎn)稱DTC)是利用空間矢量、定子磁場(chǎng)定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器(Band—Band控制)，把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來(lái)控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，即不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計(jì)算和為解耦而簡(jiǎn)化異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，沒有通常的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無(wú)超調(diào)，是一種具有高靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。與矢量控制方式比較，直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)定向所用的是定子磁鏈，它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來(lái)。而矢量控制磁場(chǎng)定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果。與矢量控制方法不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制或直接控制轉(zhuǎn)矩，既直接又簡(jiǎn)化。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)控制框圖見圖1。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)控制框圖

2 電氣控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性

2.1 清洗機(jī)組傳動(dòng)的綜合性能

清洗機(jī)組傳動(dòng)采用交流變頻電機(jī)，清洗機(jī)組中的清洗裝置、漂洗裝置、烘干裝置是清洗機(jī)組的重要組成部分，其中內(nèi)部的多個(gè)擠干輥托輥采用同步帶傳動(dòng)，傳動(dòng)電機(jī)為一臺(tái)交流變頻電機(jī)(YTSP100L2－4、3KW、1500r/min)。同步帶傳動(dòng)是第一次在我院清洗機(jī)組中采用，保證同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性是清洗機(jī)組能否生產(chǎn)正常的關(guān)鍵。

ACS600系列全數(shù)字變頻裝置是ABB公司第一個(gè)采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的全數(shù)字變頻裝置，其控制系統(tǒng)主要有兩個(gè)性能特點(diǎn):

①快速精確的力矩控制響應(yīng)

與傳統(tǒng)的控制方法PWM相比較，直接轉(zhuǎn)矩控制的最大不同之處是轉(zhuǎn)矩控制的時(shí)間水平達(dá)到了跟功率開關(guān)器件相同的時(shí)間水平(25μs)。沒有單獨(dú)的電壓和頻率控制的PWM調(diào)制器。所有開關(guān)器件的選擇由電機(jī)的電磁狀態(tài)決定。力矩階躍上升時(shí)間小于5ms;可實(shí)現(xiàn)零速滿轉(zhuǎn)矩控制。

②快速精確的速度控制響應(yīng)

在帶速度測(cè)量編碼器時(shí)的靜態(tài)速度精度達(dá)±0.01%，動(dòng)態(tài)速度精度達(dá)±0.1%;在不帶速度測(cè)量編碼器的情況下即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響，靜態(tài)速度精度可以達(dá)到±0.1%，動(dòng)態(tài)速度精度可達(dá)到±0.4%。

在650mm鋁帶箔清洗機(jī)組傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，為滿足機(jī)組傳動(dòng)的控制精度和穩(wěn)定性，選用了ABB公司的ACS600系列全數(shù)字變頻裝置。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)主要配置如圖2。

圖2 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)主要配置圖

2.2 從低速到高速平穩(wěn)運(yùn)行的速度控制

圖2中擠干輥電機(jī)是機(jī)組調(diào)試的重要工作之一，電機(jī)的速度整定須經(jīng)過機(jī)列從低速段到高速段均能平穩(wěn)運(yùn)行控制后才能完成。使用轉(zhuǎn)速表實(shí)際測(cè)量清洗機(jī)組中的清洗裝置、漂洗裝置、烘干裝置在生產(chǎn)穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)同步帶傳動(dòng)輥?zhàn)拥钠骄俣龋瑴y(cè)量結(jié)果見表1。

表1 實(shí)際測(cè)量速度

從測(cè)試數(shù)據(jù)可知，同步帶傳動(dòng)輥?zhàn)拥乃俣染瓤梢赃_(dá)到±0.1%至±0.3%，能夠有效避免鋁帶箔在清洗過程中發(fā)生擦劃傷。

2.3 開卷機(jī)和卷取機(jī)的恒張力控制

ACS600系列全數(shù)字變頻裝置有豐富的傳動(dòng)軟件:PFC宏軟件、卷取宏軟件、主從宏軟件、提升宏軟件等，能夠滿足多種行業(yè)的使用要求。其中卷取宏軟件能夠完成開卷機(jī)和卷取機(jī)的恒張力控制，目前開卷機(jī)和卷取機(jī)采用間接張力控制方式比較多，ACS600的卷取宏軟件中具有轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制的功能，即傳動(dòng)單元運(yùn)行在沒有張力調(diào)整的轉(zhuǎn)矩控制模式下，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶材張力的控制。轉(zhuǎn)矩控制性能指標(biāo)見表2。

表2 轉(zhuǎn)矩控制性能指標(biāo)

在實(shí)際調(diào)試工作中，在做好開卷機(jī)和卷取機(jī)的卷徑測(cè)量、空載補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)試和整定工作后，張力控制中加上了張力梯度的控制功能，在卷取機(jī)工作過程中，隨著卷徑的增大，控制帶材張力逐步減小，張力梯度設(shè)定過大或過小都會(huì)影響卷取帶材的成卷質(zhì)量。機(jī)列聯(lián)動(dòng)試運(yùn)行后，經(jīng)過一段時(shí)間不斷的摸索和測(cè)試，完善了開卷機(jī)和卷取機(jī)的張力設(shè)定值、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償整定值等工藝參數(shù)，使成卷質(zhì)量達(dá)到了生產(chǎn)工藝要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用ACS600系列全數(shù)字變頻裝置組成的650mm鋁帶箔清洗機(jī)組的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，在新疆眾和股份有限公司的生產(chǎn)中，電氣控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性滿足了機(jī)組的生產(chǎn)工藝要求;控制系統(tǒng)配置功能實(shí)用，運(yùn)行可靠性高，便于使用和維護(hù)。在調(diào)試和試車過程中，逐步掌握了清洗機(jī)組的主要工藝參數(shù)，了解了清洗機(jī)組的工藝特點(diǎn)，為今后設(shè)計(jì)開發(fā)新型清洗機(jī)組打下了良好的基礎(chǔ)。本機(jī)組自2005年投入生產(chǎn)至今已6年多，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。