矢量變頻器是以磁場監控、智能控制等現代控制理論為基礎直接控制力矩的，其內藏電流矢量控制功能可以實現高力矩控制、高精度速度性能。由于在變頻器設計中采用了最新的磁場監控、智能控制、抗干擾控制，使控制性能大幅度提高。變頻矢量控制通過對電機磁通電流和轉矩電流的解耦控制，實現了轉矩的快速響應和準確控制，可以以很高的控制精度進行寬范圍的調速運行，并適用很多直流傳動的場合，如造紙、冶金、紡織等。 本文介紹的是矢量變頻器在冶金工業中的一個應用，即電池鋅板生產線的變頻控制系統。該生產線主要用于電池鋅筒、鋅餅的生產，是將熔融的鋅液經過連續鑄造，并通過軋機一次壓制成成品，然后送后道工序沖裁成鋅餅，最后沖裁成鋅筒。其主要規格按照成品鋅板寬度來決定傳動功率的配置，主要由鑄造機、托輥、軋機、電控系統等組成。 變頻控制系統 由于目前矢量變頻器低頻或零頻都具有滿載啟動功能，因此可以替代直流傳動應用在需要卡死再啟動的軋機上，或者是卷徑變化大導致轉速變化也大的中心收卷上以及低速高轉矩的鑄造機上。 變頻控制系統的構成 在電池鋅板生產線中，從鑄造機中出來的熱鋅板，經過軋制后，再進行收卷，其中收卷工位為2個， 以保證連續生產。在通常情況下，軋機的主速度是跟隨鑄造的速度信號而變化，且可以同時進行比例微調，收卷為1臺矢量變頻器控制2臺不同工位但電機參數一致的異步變頻電機（由于卷徑變化大必須采用變頻專用電機）。如圖1所示，包括鑄造機變頻器VF1、軋機變頻器VF2、中心收卷變頻器VF3、可編程控制器PLC系統組成。由于VF3變頻器涉及到2臺異步電機的切換，不能采用帶PG閉環方式，而采用無傳感器矢量控制方式。在該系統中，PLC根據工藝需要來輸出都是由所有的速度給定，并同時從各個變頻器中讀取速度、電流、轉矩等信號，以做控制或顯示用。PLC程序的主要任務是：處理起停連鎖、故障報警、速度控制以及顯示等。 矢量變頻器在軋機上的應用 圖2所示為3個變頻傳動的雙閉環（速度環V-控制和電流環I-控制）原理，其中鑄造機的速度為主機速度，從PLC設定V主機獲得，并同時將反饋的實際速度V鑄造作為軋機傳動的一個跟隨信號，然后結合在PLC系統設定的比例微調信號V速差作為軋機傳動的速度給定。 收卷變頻及其控制 目前成熟的收卷主要以被動收卷或是以直流調速器控制的中心收卷，而交流變頻器在中心收卷中的應用并沒有普及，究其原因在于收卷的控制難度和復雜性。經典的收卷都是采用張力閉環，它是通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力的設定值構成PID閉環，然后調整變頻器的輸出頻率命令（速度模式）或輸出轉矩指令（轉矩模式）。此方案可適用于高精度的張力收卷場合，但對于要求不嚴格、又要求性價比高的收卷來說，這里可以比較實用的矢量變頻器限轉矩方法，可以省去張力傳感器、PID控制器，而只需要簡單的變頻器加PLC控制即可。在變頻器的矢量控制中，頻率指令和實際速度的比較值通過一個速度調節器ASR后再進行轉矩限定，最后來控制變頻器的輸出轉矩，限轉矩的作用就是用來限定速度調節器輸出的轉矩電流，將直接限制變頻器的輸出頻率。對于收卷而言，隨著卷徑的逐漸增大，速度將慢慢減小而轉矩值也隨之增大，這時主要控制限轉矩的值就可以基本上保證轉矩的值的精度。在圖2中，我們輸出Rp信號就是限轉矩的值。至于Rp的值可以由多種方式獲得，包括卷徑估算、經驗值曲線法等。 變頻控制的調試 電池鋅版生產線的變頻控制系統是一個較復雜的傳動系統，必須分步進行調試，包括變頻器調試、PLC調試、生產試運行三個步驟。 變頻器調試 變頻器的調試主要是電機參數自辨識，重點檢查變頻器辨識出的電機的空載電流，如檢測出的電機空載電流應在電機額定電流的30%～50%范圍內，這對矢量控制的變頻器尤其重要。由于矢量控制是著眼于轉子磁通來控制電機的定子電流，因此在其內部的算法中大量涉及到電機參數。從圖3的異步電動機的T型等效電路中可以看出，電機除了常規的參數如電機極數、額定功率、額定電流外，還有R1（定子電阻）、X11（定子漏感抗）、R2（轉子電阻）、X21（轉子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空載電流）。關于參數辨識，分電機靜止辨識和旋轉辨識2種。靜止辨識時，變頻器能自動測量并計算定子和轉子電阻以及相對于基本頻率的漏感抗，并同時將測量的參數寫入；旋轉辨識時，變頻器自動測量電機的互感抗和空載電流。在參數辨識中，必須注意：①若旋轉辨識時出現過流或過壓故障，可適當改變加減速時間；②旋轉辨識只能在空載中進行；③辨識前必須正確輸入電機銘牌上的參數。當然，變頻器的基本調試還包括其他應該設置的參數和初步帶載試運行。在模擬量設定轉矩限值時，需要注意模擬量輸入端子的信號電平、增益和偏置。 PLC程序調試 PLC程序主要負責：①鑄造傳動的速度給定，并讀取該傳動的速度、電流、轉矩信號；②根據鑄造速度來決定軋機傳動的速度給定，并讀取該傳動的速度、電流、轉矩信號；③處理收卷傳動的切換，即從工位1到工位2之間互換時速度給定和轉矩限幅的給定。 生產試運行 在生產試運行中，必須控制好整個鑄造的工藝流程，包括溫度的控制（熔煉爐爐溫控制在470～510℃、鑄造溫度為435～470℃）、速度的控制和轉矩的限值等。在帶載試生產中，須根據生產的實際情況修正各類系數，以確保鑄造與軋機的速度協調、軋機的軋制效果和收卷過程的張力平穩，直至達到要求。在用戶現場測試，將鑄造鋅板厚度D=13mm軋制到D=2.9～7.3mm時，軋機的控制相當平穩，且軋制的表面光潔、無氣孔、無渣，收卷緊松適當、無散卷現象、張力恒定。