张力设置及驱动控制浅谈 Microsoft Word 文档 (2)

连续生产线张力设置及驱动控制浅谈 一. 张力的作用及数值选择 1.  张力的作用及其影响 连续生产线的带钢必须在张力之下运行，张力的最基本作用是保证带钢的正常运行，即使带钢尽可能沿着生产线中心线运行而不致因走偏造成边部刮伤甚至断带。同时，纠偏辊也只有在张力足够的情况下才能起到纠偏的作用。 在镀锌生产线上，连续进行着各种工序，不同的工序各有其特点，张力的产生和作用也不尽相同。有了张力辊，就可以把各个区域的张力隔开，在不同的区域设置不同大小的张力。 1.1开卷张力 开卷张力主要是防止开卷时具有弹性的轧硬卷发生松动，在开卷机轴上发生横向偏移，形成喇叭状，影响带钢沿着中心线进入生产线。 1.2清洗段张力 清洗段一般需要较大的张力，因为清洗段有很多的挤干辊、刷洗辊，不管其是在动力作用之下主动运转还是无动力作用之下被动运行，它们对带钢都有一定的作用力，如果其轴线与生产线中心线不垂直，或其水平度偏差较大，都会造成给带钢的作用力与生产线运行方向不一致的现象，会有一个侧向分力，使带钢沿辊子的面向侧面滑行，严重时被箱体内的机件刮伤，造成断带事故，如图所示。生产实际表明，这种现象经常发生。防止这一事故发生的办法除严格检测挤干辊、刷洗辊的垂、水平度以外，就是适当加大清洗段的张力。 1.3活套张力 卧式活套的张力过小除易造成钢带走偏以外，还会使钢带严重下垂，活套摆壁开合时对钢带造成刮伤甚至断带，也会使钢带和卷扬机钢丝绳产生振动而引起张力的波动。一般卧式活套之后带钢便进入炉区，活套张力过大会影响到炉区张力的稳定。 1.4炉区张力 炉区张力控制是镀锌生产线的重点和难点，这是因为炉区内带钢必须被加热到再结晶温度范围以上，而生产线出现故障，速度下降或停车时，带钢的温度会更高。在700～800℃下的带钢的抗拉强度极低，塑性很高。如果张力较高，甚至由于张力波动造成的瞬时张力过高，都会使带钢拉断而造成停产事故的发生。 在生产线正常运行的情况下，张力的作用也会使炉区带钢受到拉伸而发生宽度变窄的现象。  表１　800℃时炉内带钢宽度变窄数值 带钢厚度（mm） 带钢宽度变窄数值（mm） 0.40～0.56 6 0.57~0.74 5 0.75~1.50 4 >1.50 3     而在相同张力作用之下带钢在炉内宽度变窄的数值随炉温的升高而加大。因而，在保证带钢正常运行的情况下炉内张力必须尽可能小。但正常情况下，均会造成带钢一定数值的宽度变窄，必须靠选择原材料时适当增加轧硬卷的宽度来弥补。 大部分情况下，带钢都或多或少地存在边部波浪现象。带钢通过辊子时中间接触较紧，受到的力大一些，而边部接触较松，甚至不接触，受到的力小一些，甚至没有。炉内张力过大还会造成薄板在高温下连续发生打折的现象。这是因为在辊子附近整个带钢的横截面方向上张力不均匀，而在离辊子一定距离的地方相对均匀，这样在过渡区就会产生一对由两侧向中心的侧向力，加上带钢在炉内的强度较低，极易使带钢中部鼓起，以打折状态进入炉鼻辊。如图２所示，有时板形不良时，带钢上会形成斜方向的应力流，也会产生斜状打折。这种现象一旦产生，就会使侧向力加大，形成恶性循环，很难恢复，造成大量的废品，必须立即降低板温和炉内带钢的张力才能消除。炉内张力还会影响到板形。张力过小时，带钢在重力作用之下的下垂现象加大，而边部的下垂现象更加明显，在高温之下边部浪形加重，给带钢通过气刀带来困难，也加大了以后矫直的难度。如适当提高张力可以使带钢中心部位在高温下产生少量的塑性变形，抵消部分边部浪形。 1.5工艺段的张力 在工艺段，带钢从沉没辊到冷却塔顶转向辊之间的距离很长，如果张力过小会造成带钢的振动，影响镀锌的均匀性，如果带钢有少量边部缺口，也易被气刀刮断。当然，如果张力过大，同样会使带钢产生C形弯曲，即在横截面的方向上的弯曲，影响横截面方向上的镀层均匀性，并加大边部缺口被刮断的倾向。相对而言，工艺段的张力必须比炉区张力大一些，才能达到理想状态。 1.6光整机张力 光整机对带钢的作用相当于压下量较小的轧机，必须要更高的张力，才能使带钢产生一定量的塑性变性，并消除屈服平台。光整机张力由光整机专门控制。 1.7拉矫机张力 拉矫机处张力最高，正是在极高的张力作用之下，带钢在尺寸较小的矫直辊上产生塑性变形，消除波浪、改善板形，并消除屈服平台。 1.8出口活套张力 出口活套一般是立式活套，活套张力的作用主要是防止钢带走偏。 1.9卷取张力 卷取张力影响到钢卷的松紧。张力小了易塌卷，张力大了又会使边缘过厚、气刀痕等缺陷的影响扩大化，造成卷取翘边、抽筋等缺陷，钢卷再打开时产生严重的边浪或中部波浪。 在处理质量异议时经常出现客户反映远距离运输后厚板在外圈数圈同一位置发生局部变黑的现象，这是因为卷取张力太小，板与板之间的间隙过大，在运输中受力部位发生相互摩擦造成的，因而厚板的张力必须足够大，保证板子之间紧密接触。 2.  张力数值的决定 2.1一般而言，带钢的总张力与其横截面积大体成正比关系。带钢单位面积的张力叫单位张力，单位张力的大小有一定的经验数据可以参考，表2是镀锌线各区域的单位张力参考数据，可以采用单位张力乘以截面积的方法来计算带钢的总张力。 式中：T —— 某区域的带钢张力，kg； q —— 某区域的单位张力， ； b —— 带钢宽度，mm； h —— 带钢厚度，mm。 表2  镀锌线各区域单位张力参考数据表 生产线区域 形 　式 单位张力（ ） 开 卷 正常 化学处理过的钢卷 0.8～1.5 1.3～2.2 入口活套 立式活套 水平活套 0.6～1.5 1.6～2.5 退火炉 立式炉（带有热张辊） 卧式炉（带有热张辊） 卧式炉（无热张辊） 0.6～1.2 0.5～1.2 0.8～2.0 工艺段 1.5～2.5 光整拉矫 一般老外亲自上手调试 高张力区，专门控制 出口活套 立式活套 0.5～1.2 卷 取 一般 涂油卷 1.8～3.2 2.0～4.0       表3  彩涂线各区域张力系数参考数据表（ ） 区　域 入　口 入口活套 清洗段 初涂段 精涂段 出口活套 卷取 张力系数 0.85～1.0 1.0～1.2 1.5～2.5 ～3.0 ～3.0 1.3～2.0 ～2.5                 2.2张力与厚度和宽度的关系 前面介绍了张力与厚度和宽度基本是线性关系，但对于某一生产线而言，必须保证一定数值的张力才能克服被动辊子的摩擦力，保证辊子的同步运转，同样最大张力也受到一定的限制，所以在生产的产品厚度范围内，当厚度较小的区段和厚度较大的区段，实际张力和厚度都不是线性关系变化的，斜率相对要小一些，如下图所示。  同样，在某一生产线生产的产品宽度范围内，实际张力取值也不是按绝对线性关系确定的，比如1200mm宽的板子张力一般不是1000mm宽的板子的120％，而是取110％左右。 2.3张力与钢种的关系 生产线带钢的张力与钢材的屈服强度有一定的关系，可按下面的公式进行验算。 ——张力系数，它是带钢实际张力与带钢屈服极限 的比值。 张力系数 的经验公式如下： 式中 ——系数，根据机组的类型选取；对于电解清洗机组， ；对于重卷和准备机组， ；对于纵切机组， ；对于连续退火和镀层机组， ；对于张力矫直机组， 。 在生产实际中，一般根据理论上的经验公式计算出一个不同规格不同区域的张力表进行试用，根据试用中表现出的电机电流情况，钢带运转情况，产品质量情况等一系列综合结果，结合各区域张力之间的协调关系，进行调整，再投入试用，并不断调整，最终才能得到一个比较合理的张力表。下面是某公司实际使用的张力表，供参考，其中光整机和拉矫机张力是初始设置数据，正常运行时由控制系统自动控制。 表4  镀锌线张力表举例（kg） 厚度 Mm 开卷机 入口 活套 炉区 工艺段 光整机 拉矫机 出口 活套 卷取机 0.20 260 300 190 430 2080 320 450 0.22 265 320 230 450 2100 340 500 0.25 280 340 250 470 2150 380 600 0.28 290 380 290 490 3600/4150 2200 440 680 0.32 310 420 320 550 3700/4200 2300 500 780 0.37 330 460 380 600 3800/4400 2500 580 880 0.42 360 500 420 620 3950/4600 2700 640 980 0.47 390 570 450 640 4100/4900 3000 690 1100 0.57 430 670 540 720 3300 780 1250 0.67 470 750 580 800 3500 880 1350 0.72 490 790 610 840 3600 920 1440 0.87 540 840 650 890 3700 990 1560 0.97 560 870 680 920 3800 1020 1700 1.17 600 910 700 960 3900 1040 1900                   二. 生产线张力的产生及协调关系 1.     从拔河游戏看生产线张力的关系 生产线的张力是由开卷机、张力辊、活套卷扬机、卷取机等张力设备对钢带施加力量，而且是共同作用的结果。为了更直观地理解这一点，我们不妨把生产线看成是一个复杂一些的拔河运动，把钢带看成是拔河的绳子，而把各种张力设施看成是拔河运动员。所不同的是这条“绳子”——钢带不是在一条直线上，而是在生产线上绕来转去；除头尾的两个“运动员”——开卷机和卷取机是各自朝前拉和朝后拉的以外，中间“运动员”——张力辊不是分成两队对拉，而是穿插在中间，有的朝前拉，有的朝后拉；“绳子”——带钢也不是固定不动的，而是不断向前运动的，是一种动中的平衡。另外带有转向辊的拉力装置，我们可以把它看成是生产线的活套，不管是水平的或立式的，其作用力是一样的。 我们可以画出绳子上的张力分布图，从中可以看出从左到右，如小人往左拉，就使张力升高，如小人往右拉，就使张力下降。张力由零开始上升，经过有升有降的整个过程后又归于零，即向左拉的合力和向右拉的合力为零，处于平衡状态。活套不改变钢带的张力，但活套卷扬机必须提供带钢根数倍的力量来平衡前后的拉力。 2.     生产线实际张力的分布与平衡关系 下面以新大中3号线为例来张力的分布情况。 从图７上可以看出，张力辊设备有4种不同的情形：（1）2号S辊、3号S辊、8号S辊和卷取机是向前拉动钢带，要消耗网上的电能，将电能转换成带钢的张力。（2）开卷机、热张辊、5号S辊虽然也在向前运转，但是靠钢带拉动向前运转的，而且电机通过减速箱给带钢施加了反方向的阻力矩，或者说带钢的张力传递给了电机，电机不但不消耗电能，反而还能发电，而往上提供电能。（3）1号S辊、5号S辊和7号S辊分别是入口段、工艺段、出口段的速度辊，它们虽然也能给带钢施加张力，但其主要作用是保证生产线的速度，在保证速度的前拉下提供必要的张力。（4）入口活套和出口活套一直处于拉动钢带的状态，即使正常运行时不运转，但也提供扭矩，消耗电能。 在生产线稳定运转的状态下，如果不考虑摩擦、钢带通过辊子时弯曲消耗的能量等损耗，处于电动状态的电机提供的张力和处于发电状态的电机提供的反方向的张力是大小相等、方向相反的，电动机消耗的能量和发电机的能量也是相同的。但在事实上这种情况是不可能实现的，所以生产线还是需要消耗动力。 另外，必须引起足够重视的是张力的波动问题。从理论上讲在正常运转的情况下，整个生产线上所有的辊子都是作匀速转动，张力也是平衡的。但会有各种各样的因素影响张力的平衡。比如入口停车焊接时，平衡关系就会被打破，开卷机张力很快由一定的数值下降为零，1号S辊由向前运转立即停止向后拉动带钢，活套也由保持状态转为放套状态，靠3号S辊将活套内的带钢拉向炉内。出口停车剪切也是同样的情况。另外还有生产线速度的升速和减速、板形的变化、局部区域张力的调整、某个辊子的故障等等。这些情况不但会给电机和传动系统带来冲击，也会使生产线的张力或速度造成很大的波动。事实证明整个生产线的张力都是相互联系的，牵一发而动全身，入口发生的情况也影响到出口，出口发生的情况也会影响到入口。 这些张力波动达到一定的数值就会造成断带事故的发生。防止办法一方面就是靠操作时平缓的升速，平缓的减速、停车，另一方面必须在进行驱动设计时，设置专门机构来消除张力的波动。 有一家公司在生产薄板入口停机时经常发生1号S辊处断带事故，到了无法正常生产的程度，给公司带来的损失很大。起初都认为是原材料问题，确实生产某些公司的原材料时断带事故少些，而生产另一些公司的原材料时断带多一些。但本人经现场观察分析，断口是被瞬时较大的张力拉断的，于是判断是入口停车速度过快，开卷机巨大的拉力瞬时消失，1号S辊立即由拉动钢带向前运转改为停车并向后拉动带钢，而轧硬钢板脆性很大，瞬时张力波动便造成轧硬板被绷断。经了解操作人员，原来为了防止焊接时间不够，采取了急停的办法，导致了事故的发生。于是要求他们按正常程序操作，正常停车，改为增加活套储存量来保证焊接时间，使问题得到了根本性的解决，也给操作者提供了充足的时间。 3.     张紧辊的张力放大作用 从前面的图上可以看出，正是由于有了张紧辊的作用，才使带钢的张力在基原础上相对增加或减小，从而满足不同区域的工艺要求。 张紧辊对带钢的作用是通过辊面与带钢之间的摩擦力形成后，由于摩擦力与正压力成正比，即只有在辊子上的带钢被拉紧，给辊子表面施加正压力时，才能产生摩擦力，才能增加或减小带钢的张力。如果带钢没有原始张力，处于松弛状态，则张紧辊使不上劲就改变不了钢带的张力。而且正压力越大静摩擦力越大，能使带钢增加或减小的最大张力越大。从这个意义上讲，张紧辊并不是在带钢上加上或减去张力，而是放大或缩小张力。 图8 张紧辊对带钢的作用 如图8所示，根据欧拉公式，张力辊入口与出口的张力的关系为： 或 式中：  —— 张紧辊入口端带钢的张力，N； —— 张紧辊出口端带钢的张力，N； —— 辊子与带钢的摩擦系数，对于钢辊退火炉前 ＝0.1，退火炉后 ＝0.13～0.15，对于表面包胶的辊子，在退火炉前 ＝0.15，退火炉后 ＝0.18～2.0； —— 带钢在辊子上的包角，rad； —— 自然对数，e＝2.718。 式中 又叫放大倍数，即通过张紧辊后张力放大或缩小的倍数。 下面分几种情况来讨论： a.       当 > 时，辊子转动方向与力矩方向一致，张紧辊主动的拉动带钢，使张力增加，处于电动状态，从由网上消耗能量转为带钢的张力。 b.      当 < 时，力矩方向与辊子转动方向相反，张紧辊被动的被带钢拉动，使张力减小，处于发电状态，将带钢的张力转为电能向电网上供电。 c.       对于１号张紧辊和８号张紧辊，当入口停车焊接或出口停车剪切时，辊子的入口端或出口端的张力为零，这时为了张力辊能发挥作用，必须在无张力的一端压下缓冲辊，将带钢压住绷紧。在生产线卸去张力爬行时，带钢基本上处于松弛状态，也必须合上缓冲辊使带钢拉紧才能前行。 d.      一般一组张紧辊有两只辊子， 和 相同，则： 即： 式中：  —— 总包角。 说明使用２个辊子的效果是使总包角增加了２倍，而张力放大倍数则提高了２次方倍。如果工艺要求张紧辊对张力增加或减小的数值高于放大倍数后的数值，则说明２辊的包角已经不够了，必须采用3辊、或4辊来增加包角，提高放大倍数。 4.     生产线各区域张力的产生和关系 4.1开卷张力 开卷机至1号S辊之间的张力是由于生产线运行时开卷处于发电状态，给带钢施加一个反方向的力矩形成的，大小即为开卷机产生的张力值，可以用调整开卷机的电流大小来调整。 4.2活套张力 生产线建张运行时，活套电机处于电动状态，产生一个将活套小车拉向前的力矩。但大部分情况下活套处于保持一定储存量的状态，即活套电机的速度为零。活套电机通过减速机提供的力矩平分到各层带钢上，便使带钢拉紧形成了活套的张力，其大小通过调整活套电机的电流来实现。 4.3脱脂张力 为了使脱脂段的张力高于活套的张力，设置了2号张紧辊，在活套卷扬机提供了一个向前拉力的基础上，再由2号张紧辊给带钢施加一个向前的拉力，所以脱脂段张力为活套张力和2号张紧辊张力之和。由于活套张力必须根据活套内带钢运行的需要来给定，所以脱脂段的张力大小采用调整2号张紧辊的张力，即2号张紧辊电机的电流来实现。 4.4　1号张紧辊辊的作用 1号张紧辊是入口的速度基准辊，它是速度控制模式，即不管张力多大，都保持按给定的速度运转。所以可以调整其速度而不可以调整其电流，它的电流是为了保证一定速度自动调节得到的所必须的电流。事实上，由于板形的原因和张力的波动，其电流也相对会有一定的波动。 如果考虑带钢在张力作用下的伸长，则在1号张紧辊前的卷取机上带钢的线速度低于1号张紧辊上的带钢的线速度，而在1号张紧辊后面的2号张紧辊上带钢的线速度大于1号张紧辊的线速度。而且，除了速度基准辊外的张力辊和开卷机上带钢的线速度也是有一定的波动的，它们的作用是把带钢绷紧，达到一定的张力，这一点与速度基准辊是有本质上的区别的。 入口段的张力是平衡的，入口活套和2号张紧辊向前的拉力，与开卷机向后的拉力两者之间差的部分即是由1号张紧辊来平衡的。入口速度辊就是在保持速度不变的情况下，补偿张力的偏差，产生向前或向后的张力。 4.5炉区张力 活套张力较大，而炉区带钢不能施加过大的张力，因而设计了一个3号张紧辊向前拉动带钢，抵消了一部分活套卷扬机向后的拉力，即炉区张力是活套张力和3号张紧辊张力之差。与脱脂段一样，炉区张力大小靠调整3号张紧辊张力，即3号张紧辊的电流来实现。 需要特别注意的是活套内张力波动较大，这是因为一方面活套内带钢和卷扬机的钢丝绳有一定的下垂震荡的倾向，另一方面活套必须经常充套放套，即需要加速减速。而炉内带钢的强度很低，不能承受张力的波动，极易造成很麻烦的断带事故。因而在靠张力辊调节炉内张力的基础上，还必须进行特别的闭环微调处理，即不断的调节3号张紧辊的张力来保证炉内张力的波动尽可能的小。 4.6工艺段张力 炉区带钢张力较小，而工艺段需要稍大的张力，在炉内的热张辊发挥了作用，它向后拉动带钢，使工艺段的带钢张力大于炉内的张力，即工艺段的张力是炉区张力和热张辊张力之和。工艺段张力大小靠调整热张辊的电流来实现。 4.7光整机张力 光整机前面是整个生产线张力最高的拉矫机，后面是张力处于中等范围的工艺段，而光整机张力介于两者之间，因而设计了一个4号张紧辊，将带钢往后拉，使光整机张力在工艺段的基础上有所提高，即光整机张力是工艺段张力和4号张紧辊张力之和，其大小通过调整4号张紧辊的电流来实现。光整机大部分情况下使用压力模式，这时4号张紧辊是张力模式。也有时使用延伸率模式，这时4号张紧辊就转为延伸率模式。其原理参见拉矫机。 这样，4号张紧辊也能帮助5号张紧辊辊将带钢往后拉，减小了其负荷，为带钢进入高张力的拉矫区做好了准备。 4.8拉矫机张力 5号张紧辊是工艺段的速度基准辊，也是整个生产线的速度基准辊，我们所说的生产线速度就是5号张紧辊的速度，而所谓的入口、出口速度与工艺段同步也就是指入口或出口的速度基准辊与5号张紧辊同步。 5号张紧辊与6号张紧辊之间的控制也是速度控制模式，即不管张力多大都要保证其速度，６号张紧辊快于5号张紧辊，这个速度差与5号张紧辊速度的比值即拉矫机的延伸率，即： 式中： —— 拉矫机延伸率，％； —— 5号张紧辊的线速度， ； —— 6号张紧辊的线速度， 。 延伸率的产生在本生产线是靠同一驱动的主电机带动差动齿轮减速箱来实现的。即有一只副电机使6号张紧辊的减速箱输出速度比５号张紧辊的减速箱快一些。这种结构机械部分比较复杂，目前，随着变频调整技术的发展，大多采用4只变频调整电机来驱动。 拉矫机保证的是延伸率，而其实际张力与带钢的塑性有很大的关系。即塑性好时，带钢易伸长，张力较小，电机输出的转矩可以小些；而塑性差时，带钢需要很大的拉力才发生变形，电机不得不输出很大的转矩。因而如果退火效果不好，则拉矫机的张力辊电流很高，而且经过矫直后的带钢浪形消除效果也不好，甚至会出现原来带钢没有浪，通过拉矫机后反而产生了边浪的怪现象。 4.9　７号张紧辊 ７号张紧辊辅助６号张紧辊，将带钢往前拉，适当降低后处理区的张力，这也是出口活套的张力。 4.10出口活套的张力 出口活套虽然是立式活套，但其张力与卧式活套一样，由卷扬机拉动活套小车产生张力，其大小由卷扬机输出的扭矩决定。 4.11　８号张紧辊 ８号张紧辊是出口速度辊，其作用与入口1号张紧辊一样。 4.12卷取张力 卷取机一直处于电动状态，将带钢往前拉紧产生张力，大小为卷取机输出的张力，由其电机电流来调整。 三. 生产线驱动控制基础  生产线带钢的张力来源于电机的驱动，正是在电机的驱动下，各个辊子的速度不同，前面辊子的速度大于后面辊子的速度，才使带钢绷紧，即有了张力。所以必须从电机驱动知识入手，才能完全掌握张力控制的真谛，灵活自如的调整生产线张力，达到既保证产品质量又保证设备正常运转的最佳状态。 1.     变频调速技术简介 以前的生产线都是采用直流驱动，那是因为当时的驱动技术只能对直流电机实现调频调压控制，使电机的转速和输出力矩按照生产线工艺要求调整，而交流电机只能在50Hz工频下按一定的速度运转。但直流电机体积大、结构复杂、维修费用高，给生产线的管理和运行成本带来很大的影响。 目前，随着变频调速技术的发展，特别是矢量控制技术的成熟，使交流异步电动机全面取代了直流电机，使用到各种连续运行的生产线中。矢量控制的交流变频电机与传统的直流电机相比，不但结构紧凑、维修费用小，而且其机械特性、调速精度都可以与直流电机相媲美。 1.1交流异步电机变频调速原理 交流异步电机的转速公式为： 式中： —— 定子供电的频率，Hz； ——定子线圈磁极对数； ——转子转速与定子旋转磁场转速之间的转差率； ——电机转速， 。 由上式可知，对于一台电机来说，s和p都是固定不变的，只要平滑的调节其供电频率 ，就可以平滑的调节其转速，这是变频调速最基本的原理。 1.2变频调速系统的特性 通过变频器以后，使变频发生了变化，电压有什么变化呢？我们再看异步电机定子绕组的感应电动势E的关系公式： 式中： ——气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值， V； ——定子频率，Hz； ——定子每相绕组串联匝数； ——与绕组有关的结构常数； ——每极气隙磁通量， 。 上式中， 、 对于同一台电机而言基本是常量，而定子每相感应电动势与电机输入电压基本相等，所以： 或                            式中： ——对于同一电机而言不变的比例系数。 由于电机的电压 不能大于额定电压 ，否则会烧坏绕组。因而当改变以后的频率大于电机的额定频率（一般为50Hz）时，即在基频以上调速情况下，最多只能使 ＝ ，即随着 的上升，气隙磁通 减弱，最大输出扭矩也减小，输出功率基本不变。所以在基频以上调速，属于恒功率调速。 同样，气隙磁通 也不能大于额定的气隙磁通，否则会产生过大的励磁电流，使电机的功率因素、效率下降，严重时也会因励磁电流过大而烧坏电机。因而当改变以后的频率小于电机的额定频率（一般为50Hz）时，即在基频以下调速时，最多只能使 ＝ ，即随着 的上升或下降，输入电压也同步上升或下降，即 ＝常数。这时磁通基本不变，扭矩也恒定，属于恒扭矩调速。 综上所述，变频调速系统中，变频器输出的频率 和电压 和电机的转速和扭矩之间的关系曲线如图所示。 变频器的主电路分为两大部分。一部分是整流器，它是将供电网上的380V、50Hz的恒压恒频交流电经六个二极管整流电路，变成平均电压约513V的直流电。另一部分是逆变器，它是将整流器输出的直流电重新转换成频率和电压可以调整的交流电，以驱动电机。经过变频器输出的仍然是交流电，但是频率和电压按照我的要求发生变化的交流电，所以本质上发生了变化。这种将交流转换成直流，再将直流转换成交流的变频器叫做交——直——交变频器。 当然，为了使输出的频率和电压能满足我们的要求，必须有一套复杂的运算和控制电路来控制逆变器。 1.4变频器各部分参数的相互关系 变频器调速系统各部分物理参数如图所示： a.       根据能量守恒原则，忽略各部分功率损耗的情况下，变频器的输入功率，直流回路的功率，变频器的输出功率即电动机的输入功率，电动机轴上的输出功率都是基本相同。 b.      在基频以下调频时，频率下降，负载转矩基本不随频率的下降而变化，各部分的功率的变化情况分析如下 电机输出功率公式： 式中： —— 电动机轴的输出功率，kw； —— 电动机的转矩， ； ——电动机的转速， 。 从中可以看出，功率随着电机转速即频率的下降而下降。 c.       随着输出频率的下降，输入端电压不变，频率不变，电流下降。直流回路的电压不变，电流下降。输出端的电压下降，频率下降，电流基本不变。 1.5变频器的输出电流与张力变化的关系 电动机的输入功率： 式中： ——变频器的输出功率，也是电动机的输入功率，kw； ——变频器的输出电压，也是电动机的输入线电压，V； ——变频器的输出线电流，也是电动机的输入线电流，A。 而电动机的输出功率： 忽略电动机的功率损耗，则： 即：  因为： ＝常数，所以： 即转矩的大小正比于电机的线电流，我们可以借助于这一规律，通过调节电机的电流来调节扭矩。 进一步分析如下： 减速机输出扭矩 ： 式中： ——减速箱减速比。 对张力辊或卷扬机而言，带钢获得的张力差 ： 式中：D——张力辊辊径或卷扬机卷筒直径。 这就说明，通过调节电机的电流，进而可以调节带钢张力增加或减少的数值。 1.6共同直流母排的优越性 一条生产线驱动用的电机很多，需要很多的变频器，可以使用专用直流母排的，统一将网上的交流电转换成直流电后再分配到各个变频器中，如图13所示。 这里的变频器其实只是变频器的逆变频部分，因而这种方案使设备变得更为简单。更重要的一点，镀锌线正常运行时部分电机处于电动状态（如卷取机），部分电机处于发电状态（如开卷机），这样发电机就可以给电动机提供电能，减少从网上消耗的电能，形成电能的内部循环，节省整体的电力消耗。 2.     矢量控制基本原理 2.1传动系统的机械特性 在电机驱动系统中，一般负载转矩的变化会引起电机转速的变化，负载扭矩增加，会引起电机转速的下降，而负载扭矩的减小也会引起电机转速的上升。这种电机转速最负载扭矩变化而变化的关系 的曲线称为电机的机械特性。而转速随负载扭矩变化的程度被称之为“硬度”。 如图14所示，当负载转矩从 增加到 时，系统的转速由 减小为 ，但减小的幅度不大，称之为硬特性。如果在同样的负载转矩变化中，系统的转速变化很大，则称之为软特性。 直流同步电机和机械特性很硬，所以最早用于钢铁连续生产线。而在无变频调速系统控制时，交流电机的机械特性较软，只有通过变频调速控制，才能满足连续生产线传动的需要。 2.2变频调速的PID调节 为改善交流电机在调速过程中的机械特性和调速特性，就必须采取一定的控制方式。一般来说，镀锌线采用的都是有反馈矢量控制方式，即是带有速度反馈的闭环控制模式。 什么叫闭环控制呢？虽然我们给变频器发出了达到一定转速的指令（ ），变频器也按照这个指令去做了，但做的效果如何，即实际电机的转速是多少，不一定就是我们发出指令的数据，总会有一个偏差值，我们采用编码器测出电机的实际转速（ ），再与我们所需要的转速相比较，得出的差值（ － ）再输入到控制系统中去，便形成了闭合的控制回路，称之为闭环控制系统，闭环控制的目的就是使偏差值（ － ）趋于零。 但如果我们直接将偏差值（ － ）输入到变频器中，由于最终（ － ）≈0，必将使变频器的输出频率为零，电机反而停转。所以我们必须将差值放大 倍后再作为给定信号输入，这种调节方式叫P调节。 （ － ） 式中： ——变频器的频率给定信号； ——放大倍数（又叫比例增益）； ——目标转速； ——编码器测出的实际转速。 我们把调节后稳态时的目标转速与实际转速的误差叫偏差或静差（ ）。显然放大倍数越大，静差越小，但放大倍数过大，则会引起“超调”，即调过了头，于是又反过来调小，再次“超调”，反覆震荡后才趋于目标值。  为消除控制系统的震荡，又增加了积分环节（I）调节。有了I调节以后使实际转速 逐步接近目标转速而不致超调，如图14所示。这种调节叫PI调节。但因积分时间太长，当目标值 急剧变化时，又会出现实际转速 不能及时变化的情况。 为了克服PI调节时间太长的问题，可以增加微分环节（D）调节，提前给出较大的调节动作，从而缩短了调节时间，这样的调节叫做PID调节。不过，一般镀锌线只要PI调节就够了，而在炉区参数控制中会有PID调节。 2.3矢量控制系统原理 不但有数值的大小，而且有方向性的量叫矢量。在异步电动机控制中的磁通、磁通势、电流、电压等不但有大小，而且都有方向，甚至有的方向在不断的变化，所以都是矢量。 直流电机有两个独立的定子绕组和转子绕组，即励磁电路和电枢电路是相互独立的，可以分开控制，所以控制其转速或扭矩很方便。而交流异步电机只有定子绕组，励磁电流和转矩电流都包含在定子电流内，所以控制很复杂。 通过建立数学模型，可以将交流异步电机的矢量经过坐标变换，从而等效成直流电机，即将异步电机的定子矢量转换成产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并模仿直流电机的控制方法分别加以控制，然后再经相互的坐标反复换，将此信号控制变频器，就可以输出异步电动机调速所需的变频电流。 2.4双闭环控制系统 为了分别控制生产线的速度和张力，一般电机均采用双闭环控制系统。 实现了转速和电流两种负反馈控制，再系统中设置了转速PID自动调节器和电流PID自动调节器，两者之间实现串联。即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制逆变桥晶闸管的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外面，叫外环。 转速调节和电流调节在生产线上就是速度控制模式和张力控制模式。对于张力辊，采用张力控制模式，这时人为的将转速自动调节器处于饱和状态，不起调节作用，而将所需要产生的张力折算成额定转矩的百分比，作为转矩限幅器的限幅给定。对于速度基准辊，采用速度控制模式，将所需要的带钢线速度折算成电机额定转速的百分比，作为转速调节器的速度给定，并同时将所需要产生的张力折算成电机额定转矩的百分比，作为转矩限幅器的限幅给定。 张力辊在未建张爬行时开卷机在未建张送板时，也是速度控制模式。工作在哪一种模式由程序控制系统自动进行切换。 3.      镀锌线主要驱动控制模式 镀锌线除了张紧辊的两种主要控制模式之外，部分设备的控制还有其特点。 3.1开卷机张力控制 开卷机的转速给定为实际转速和额定转速的百分比，由带钢线速度计算出，如下： 式中： ——开卷机转速给定，％； ——带钢线速度，m/min； ——传统系统的速比； D——钢卷直径，m； ——开卷机电机的额定转速，r/min。 开卷机的转矩给定为实际转矩和额定转矩的百分比，由带钢的张力计算出，如下： 式中： ——开卷机的转矩给定，％； ——带钢张力，N； ——开卷机电机的额定转矩， 。 开卷机的转矩补偿包括空载转矩和加速时的动态力矩，可由实测得到。值得特别提出的是，上述计算中都与卷径有关，而实际运行中卷径是在不断变化的，因而必须使用专门计算模块，一般是配置T400工艺板，PLC将初始卷径、带钢厚度、速度反馈值等数据送入T400，它就能自动计算出某一时刻的卷径，从而实现卷径变化时张力的恒定控制。 3.2活套张力控制系统                       活套的转速给定和转矩给定可参照开卷机的公式计算，所不同的是速度给定必须除以带钢层数，而转矩给定必须乘以带钢层数。另外，活套按卷扬机卷筒的直径计算，是不变的。 活套的转矩补偿有两种方法，一种是实测闭环控制，一种是综合计算。由于活套内带钢较长，且活套张力波动较大，精确的控制模式是闭环控制，即在活套层数一半的转向辊下面安装一只张力传感器，计算出活套的实际张力，并与设定值进行比较，计算出差值，通过PI调节器运算后作为偏差值补偿输入控制系统。综合计算法是增加一块T400工艺板，综合计算摩擦附加转矩、带钢重量附加转矩、动态惯量附加转矩等参数。 活套大部分情况处于储量保持状态，电机不转动，但仍能准确的输出扭矩，这是一种零频率下的扭矩输出。是在矢量控制之下才可以实现的，与无变频异步电机的堵转状态有根本性的区别。 3.3炉内张力控制系统 炉内张力必须精确控制，因而都采取特殊的调节办法。 新大中采用的是跳跃辊和3号张力辊联动的办法。跳跃辊是恒张力控制模式，根据工艺要求输出一定的扭矩。在炉内张力发生波动的情况下，如炉内张力大于跳动辊输出的扭矩，则带钢拉动跳动辊向上移动，这时位置传感器给3号S辊一个信号，3号S辊输出扭矩加大，由于炉内张力是活套张力与3号S辊的张力之差，所以炉内张力减小，跳动辊电机驱动跳动辊向下移动恢复到正常状态。反之益然。 目前新设计的生产线大多不用跳动辊，而直接使用一只三辊张力测量装置，将测量的结果反馈到3号S辊，调节的原理与上面一样。 这样，3号S辊的速度和张力都是不断变化的，所以既不是自身的恒速度控制，也不是自身的恒张力控制，而是恒炉内张力控制，反映到外部表现就是炉内张力稳了，而3号S辊的电流和频率都在不断的变化。 在炉内等处带钢在自重作用下的下垂度可由以下公式计算： 式中：h —— 钢带的下垂度，mm； L —— 自由下垂段的水平距离，mm； W —— 带钢的比重（7.85）； T —— 带钢张力，kg。   T   3.4卷取张力控制 与开卷一样，卷取张力也必须采取恒张力卷取，不随卷厚的变化而变化。但为了既防止张力小了造成塌卷的缺陷，又防止张力大了造成鸡心卷的缺陷，可采用内紧外松的卷取方式，即在内部50～100mm厚的内芯处将张力提高到平均张力的1.5倍，然后再采取恒张力卷取。 4.      张力的损耗及功率计算 以上的计算中都没有考虑张力的损耗，其实在计算时还必须考虑这方面的因素。 4.1张力的摩擦损耗 对于有动力的开卷机、张紧辊等张力的摩擦损耗 可以通过空载时的电流或扭矩计算出来，而被动辊只能靠经验估算。 下面是一组经验数据： 开卷机或卷取机在无钢卷时：5kg 开卷机或卷取机有最大钢卷时：100～200kg 有驱动的转向辊：20～25kg 无驱动的转向辊：3～5kg 沉没辊＋两只稳定辊：100～200kg 4.2带钢折弯张力损耗 带钢在辊子上折弯并包住辊子会消耗一定的张力，单只辊子在180°折弯时的如下： 弹性折弯张力损耗： 塑性折弯张力损耗： 式中： ——折弯张力损耗，kg； ——带钢的屈服强度， ； ——带钢的厚度，mm； ——带钢的宽度，mm； ——辊子的直径，mm。 注意：在计算某个区域点的带钢折弯张力损耗时，必须考虑所有辊子。90°折弯约为180°折弯的1/3。 4.3 驱动功率计算 开卷机、卷取机、张力辊所需的驱动电机选择可以根据最大张力所需的扭矩以及各种扭矩损失之和确定所需额定扭矩，也可通过最大张力和张力损耗计算出的张力总和与生产线速度确定最大功率。 式中： ——所需的电机功率，kw； ——带钢获得的张力以及损耗掉的张力总和，N； ——带钢线速度，m/min。