1 前言
某棉纺厂使用1999年郑纺机开发生产的ZGA-203双浆槽浆纱机,可对1600支头的低支棉到9000支头的高支棉、张力从800N到3000N的多种纱线进行浆纱,该设备属当时国产同类设备中的先进产品。
该设备原传动方案采用的是单变频+机械无级调速,即通过台达VDF-A变频器(18.5KW)调节主牵引电机(15KW)的转速,主牵引电机再通过4个机械无级调速器(可人工微调机械变比)到其他各自传动点,形成速度链,以保持各区间张力。而收卷部分则由主电机带动气动机械无级调速器,通过人工调节气压来调节卷取张力,并自动稳定收卷张力。
但该设备在使用一段时间后陆续出现不少问题,主要是收卷部分的气动机械无级调速器极易磨损,引起收卷张力不稳定,要么纱线张力过小导致卷曲,要么纱线张力过大导致断裂,同时该部分的维修费时又费力,严重影响了后续织布的产量和质量。
美国艾默生公司推出的TD3300系列张力控制专用变频器,内部具有卷径计算模块,能够自动计算卷径变化,可独立构成张力控制系统,完成开环、闭环恒张力控制;同时该系列变频器具有张力锥度控制功能,可保证收卷后各层形状均匀,极大地提高了张力控制的精度和速度,提高了生产效率。经过我公司的推荐,该棉纺厂*终决定使用艾默生TD3300张力控制专用变频器对浆纱机的收卷部分进行改造。
2 控制方案
2.1控制要求
变比:11.73
卷径范围:110mm---780mm
速度调节范围:3m/min----60m/min
张力调节范围:800N----3000N
收卷线速度保持与主线速度同步且可调,在收卷恒速、调速及启、停(收卷中途15KW主电机暂停,便于处理问题)过程中须保持收卷纱线的张力恒定。
2.2控制方案及电机选择
我们知道TD3300变频器张力控制有张力开环转矩模式、张力闭环速度模式和张力闭环转矩模式三种控制模式。张力开环转矩模式具有不需安装张力传感器,同时可以节约张力传感器成本的优势,被广泛应用于张力控制要求不高的场合。但要求电机的*小输出转矩*好控制在电机额定转矩的10%以上。
由于不同纱线产品要求控制的张力差别较大,在选择电机时我们须按*大卷径和*大张力给定值来计算电机的额定输出转矩(转矩指令公式T=F×D/2×i
T:为变频器的输出转矩指令;
F:为张力设定指令;
D:为卷筒的卷径;
I:为机械传动比)
T=(3000×0.78)/(2×11.73)=100N
另通过计算变频器运行频率在0.3HZ----67.2HZ,收卷电机*好使用变频电机,以保证电机的**使用。因此收卷电机选择22KW四极变频电机(额定转矩140N),收卷变频器选择TD3300-4T0220G。
那么电机的*小输出转矩则按*小卷径和*小张力给定值来计算:
T=(800×0.11)/(2×11.73)=3.78N
如果我们选择张力开环转矩模式,那么要求电机的*小输出转矩只有电机额定输出转矩的2.7%(3.78N/140N),远低于10%的要求,这样我们在生产小张力纱线时,要保证小卷径的收卷张力恒定是很困难的。也就是说在作张力控制时既要求张力恒定,又要求张力可调范围要大,使用张力开环转矩模式是很难达到控制要求的。
那么控制方案只能选择张力闭环模式,张力闭环模式又分张力闭环速度模式和张力闭环转矩模式。张力闭环速度模式虽对PID参数有一定的依赖性,但相对于张力闭环转矩模式而言,调试要相对简单,且完全能达到控制要求。因此本控制方案采用张力闭环速度模式,在收卷辊和压纱辊之间增加张力传感器(24VDC电源、4---20mA电流信号输出)、张力辊和角度辊(如图虚线部分),通过张力传感器的信号反馈实现张力闭环控制,从而达到收卷张力恒定的目的。
据了解,郑纺机后期的升级产品中收卷部分也使用的是张力闭环方案。
注意:我们要保证在大卷径、大张力、低速或零速时电机有足够输出转矩,以防止电机在低速和零速时转矩不够,引起的收卷辊回车,TD3300应设置为闭环矢量控制模式,提高电机低频输出转矩。这样我们也需在电机上加装旋转编码器(光洋、1024线输出)。
2.2浆纱机的张力控制原理图
3 收卷变频器的调试步骤
3.1初步检查变频器和电机参数。
电机铭牌:
额定功率:22kw,
额定电压:380V,
额定频率:50Hz,
额定电流:42.6A,
额定转速:1470rpm.
3.2完成变频器电机参数自辨识
在键盘控制模式下输入电机铭牌参数;
设定F1.09=1,允许自动调谐;
然后设定F1.10=1,启动电机调谐,进行调谐,得到电机参数(祥见《TD3000高性能矢量控制变频器用户手册》);
调谐完成后,重点检查变频器辨识出的电机的空载电流,电机空载电流正常应在电机额定电流的30%~50%范围内。
F1.16为18.6A,在正常范围内。
3.3初步测试变频器对电机的驱动能力和旋转编码器的接线
旋转编码器:光洋1024线输出,供电电压24VDC,推挽输出。
TD3300变频器应在(FB编码器功能项)设置编码器的参数(FB.00=1024),在键盘控制模式测试变频器对电机的驱动能力,重点观测变频器的输出频率的稳定性和输出电流的大小,注意监视TD3300变频器此时的输出电流,若在空载的情况下,输出电流偏大并且报过流故障,应该是旋转编码器的接线有误,更换接线或更改变频器内PG接线的方向设定(功能码FB.01)。
3.4完成TD3300的信号连接
连接VDF-A变频器模拟输出口AFM、ACM(设模拟输出量对应变频器的输出频率)到TD3300变频器模拟输入端AI3、GND,完成相关参数(F6.02=0,F6.05=1.0)设置,作为TD3300的速度同步控制信号。
连接VDF-A变频器继电器输出端子RA、RC到TD3300变频器的FWD、COM端子,作为TD3300的运行控制信号。
连接张力传感器(外接24V电源)的输出信号到TD3300变频器接口板AI2,并置V/I端口的跳线在I侧,完成相关参数(F6.01=4,F6.04=1.0)设置。
3.5设置TD3300变频器的相关运行参数,初步带载试运行。
F0.02=1,闭环矢量,如果设为开环矢量,有回车现象;
F0.05=1,端子控制;
F0.07=110,*大频率;
F0.08=110,上限频率;
F0.10=0.01,加速时间;
F0.11=0.01,减速时间;
F1.00=11.73,设备厂家提供的收卷电机与收卷卷轴的转速比;
F3.06=1,闭环张力控制模式1;
F5.00(控制模式)=2,三线模式;
F5.03(多功能端子X1)=12,卷径复位1指令;
F5.03(多功能端子X2)=1,预驱动,在人工换卷伸头时切换X2到ON,保持收卷线速度与主速度同步,防止意外;
F5.03(多功能端子X3)=16,三线运行控制,接原控制系统离合器松按钮常闭;
F6.02=4,4---20ma张力传感器反馈电流;
F7.02=1,反馈选择AI2;
F7.03=7.5,比例增益P1,多次调试后的*终值;
F7.04=6.8,积分时间Ti1,多次调试后的*终值;
F7.05=0.65,微分时间Td1,多次调试后的*终值;
F7.06=11.0,比例增益P2,多次调试后的*终值;
F7.07=99.99,积分时间Ti2,多次调试后的*终值;
F7.08=0.25,微分时间Td2,多次调试后的*终值;
PID参数调试是一个细致认真的过程,须多次反复调试才能满足要求。(注意:如未加卷径计算功能,调试时需人工设定F8.16相对应的当前卷径)
两套PID参数的*终值差异较大,主要是因为PID1用于提高低速时的快速跟踪和响应,PID2用于保持高速时的运行平稳。
F7.10=2,PID参数调整依据,线速度;
*终把PID参数调整依据F7.10设为2,是因为线速度变化的范围(3---60m/min,30倍)相对于卷径变化的范围(110---780mm,7倍)要大得多,且收卷张力受速度变化的影响也要大些。
F8.01=1,AI1设定;
F8.03=5000,根据现场调试情况修改,满足张力设定电位器的调整要求;
F8.06=1,张力锥度系数;
F8.07=10,根据现场调试情况修改;
F8.08=0,初步设定卷径不计算,保证初步测试时张力的稳定;
F8.09=780,设备厂家提供,建议比厂家提供的数值稍大一些;
F8.10=110,设备厂家提供,空芯卷轴的直径;
F8.12=110,卷径复位用,与F5.01(多功能端子X1)=12,卷径复位1指令配合使用;
3.6加卷径计算功能,带载运行
F8.08=1,设定卷径来源选择线速度计算法,启动卷径计算模块;
FC.00=3,AI3设定,来自主牵引变频器VDF-A的AFM(运行频率)口的输出。
FC.03=60m/min,设备厂家提供,
FC.00*FC.03=当前线速度V,变频器根据公式:D=(i*V)/(л*n)自动计算当前卷径;
FC.04=3m/min,防止TD3300变频器在速度较低时卷径计算不准导致变频器输出力矩的波动;当TD3300变频器运行的线速度低于FC.04设定值时,卷径计算功能停止,保持当前卷径值;当TD3300变频器运行的线速度大于FC.04设定值时,卷径计算功能重新使能。
带载测试,微调PID参数,收卷过程张力平稳,达到控制要求。
4 总结:
在作张力控制时,如果既要求张力恒定,又要求张力可调范围要大,*好采用张力闭环模式。
本设备采用TD3300的变频改造后,现场配置简洁,工作稳定,调试方便。实际的收卷效果也很理想,用户已使用较长时间,对改造结果相当满意。
参考文献
1、《TD3300张力控制专用变频器用户手册》艾默生网络能源有限公司
2、《TD3000高性能矢量控制变频器用户手册》艾默生网络能源有限公司(完)
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