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造纸机张力控制变频器的过载故障处理方法

  造纸机张力变频器在纸品从400g/m2更换80 g/m2后,经常出现过载故障,并导致断纸。根据通用变频器过载的检查方式进行故障定位,均未出现任何问题,后查明是控制方式引起。通过修改变频器参数,即从直接转矩控制方式过渡到速度控制方式后,在实际运行后发现变频器故障消除、张力平稳。

  在某造纸机传动中,使用艾默生TD3000来进行张力控制(图1所示),传动电机M的张力实际值是位于它前面的张力传感器的实际值。通过张力控制,能保证纸幅紧度、定量等准确。现利用艾默生TD3000的转矩控制功能,通过检测该处的张力情况,来控制传动电机M的转矩,从而形成一个张力闭环。电机M的转矩增大,则纸幅拉紧,张力的实际值就会上升;相反,转矩降低,则纸幅松垂,张力的实际值就下降。

  在操作中发现:造纸机生产400g/m2的纸张时,变频器的张力控制稳定;但是在更换纸品至80 g/m2后,就经常出现变频器E013故障,导致断纸。

  本文将主要讨论的就是变频器过载排查的基本步骤以及采用不同控制方式来解决变频器过载故障。

  电动机能够旋转,但运行电流超过了额定值,称为过载。变频器过载的基本特征是:电流虽然超过了额定值,但超过的幅度不大,一般也不形成较大的冲击电流(否则就变成过流故障),而且过载是有一个时间的积累,当积累值达到时才报过载故障。变频器过载的工作机制如图2所示。

  1) 机械负荷过重,其主要特征是电动机发热,可从变频器显示屏上读取运行电流来发现;

  2) 三相电压不平衡,引起某相的运行电流过大,导致过载跳闸,其特点是电动机发热不均衡,从显示屏上读取运行电流时不一定能发现(因很多变频器显示屏只显示一相电流);

  3) 误动作,变频器内部的电流检测部分发生故障,检测出的电流信号偏大,导致过载跳闸。

  1) 检查电动机是否发热,如果电动机的温升不高,则首先应检查变频器的电子热保护功能预置得是否合理,如变频器尚有余量,则应放宽电子热保护功能的预置值。

  如果电动机的温升过高,而所出现的过载又属于正常过载,则说明是电动机的负荷过重。这时,应考虑能否适当加大传动比,以减轻电动机轴上的负荷。如能够加大,则加大传动比。如果传动比无法加大,则应加大电动机的容量。

  2) 检查电动机侧三相电压是否平衡,如果电动机侧的三相电压不平衡,则应再检查变频器输出端的三相电压是否平衡,如也不平衡,则问题在变频器内部。如变频器输出端的电压平衡,则问题在从变频器到电动机之间的线路上,应检查所有接线端的螺钉是否都已拧紧,如果在变频器和电动机之间有接触器或其它电器,则还应检查有关电器的接线端是否都已拧紧,以及触点的接触状况是否良好等。

  对于本次张力变频器过载可以采用图3的艾默生变频器过载故障定位方式进行排除。由于造纸工艺发生改变,但是纸张的克重从400g/m2降至80 g/m2,显然可以排除负载过大问题。

  因此,怀疑此次张力变频器过载的原因出在变频器参数上。根据设计图纸发现:张力变频器利用了直接转矩控制功能,如图4所示。

  在这里,纸幅张力的设定值为T设定,实际值为T实际,经过张力控制器(T-控制)的PID调节器后,直接进入TD3000变频器的M-控制(即转矩控制)模式。但是,变频器的转矩控制能顺利进行,必须使得变频器额定输出转矩相对比较大(如20%以上),这样相对转矩变化量就可以得到控制。

  然而当纸幅克重一下子从400g/m2下降为80 g/m2后,变频器的转矩输出也顿时下降,这样一来转矩控制的效果就大打折扣,加上TD3000的转矩控制精度只有±5%(通用变频器的转矩控制精度本身就不如速度控制精度),就会出现转矩“打噎”和“急加速或急减速”这样两极分化的显现,最终出现E013变频器过载。

  由此可以看出,本案例的故障在于控制方式的选择必须符合生产实际。因此,将“转矩控制”切换“速度控制”,如图5所示。

  新控制方式通过张力实际情况来控制传动电机M的速度,从而形成一个新的张力闭环。电机M的速度加快,则纸幅拉紧,张力的实际值就会上升;相反,速度降低,则纸幅松垂,张力的实际值就下降。经过张力控制器(T-控制)的PID调节器后,再乘以3%的偏移量,做为该传动点速度设定值的一个组成部分。

  原来传动的速度设定值(V设定)加上该组成部分,就是速度环(V-控制)的输入值,然后即可进行速度控制。在这里设置3%偏移量的目的就是通过传动速度的改变而使张力得到有效的控制。

  由于转矩控制方式是在有速度传感器矢量控制的方式下才能实现,因此只需要将转矩控制消除就可以了,其他参数基本不变,包括电机参数辨识等。

  因为原来控制模式采用F3.06=0即转矩控制条件有效,并通过多功能端子X1来切换,现在只需要将此功能取消即可。

  在图5的张力控制原理中,T-控制就是张力控制模块的实现,包括自动和手动方式两种来进行。张力控制模块投运前需先检测判定现在的张力实际值是否在可投运的范围之内,否则就不能投运,此时按手动投运按钮或自动投运信号为“1”时,即进入张力控制模块的循环中。张力PID模块的退出,它的条件为相关部位检测到断纸信号或按手动退出按钮。

  修改参数后,我们选取了其中的张力点进行测试(如图6),其中横坐标为时间,纵坐标为张力实际值的百分比。以断纸时间开始(0S),一直处于纸幅断裂状态,则张力实际值一直为“0”;从44S开始进行引纸,随着纸幅从半幅到全幅,张力实际值也逐渐快速上升并呈不规则波动;在98S时,进行变频器速度控制(此时张力控制模块进行投运),因为是PID控制,先出现明显的超调和震荡,然后超调量减少,最后张力的实际输出值慢慢接近设定值(67%)。

  当然,选取合适的参数值甚至再增加合适的回路,将会进一步减少超调量和震荡周期,使纸幅的张力值稳定在允许的范围之内。

  通过本案例最终发现:在转矩控制时,变频器的速度调节器不起任何作用,因此无法控制速度;当张力需要转矩指令大于负载转矩时,电机速度就会上升,而且指令越大,上升速度就会越快,这样就会出现急加速状态,从而导致变频器过载故障。(摘编自《电气技术》,原文标题为“造纸机张力控制变频器过载故障处理”,作者为李方园。)

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