直流传动复卷机退纸辊电机的弱磁控制

李天利

(陕西科技大学，陕西西安，710021)

双底辊下引纸复卷机是国内厂家应用较多的一种机型，示意图如图1所示。前后底辊和退纸辊的电机若为直流电机则为直流传动，若为交流电机则为交流传动，虽然交流传动技术日趋完善，但直流传动有如下优点:①调速性能好、调速范围广，易于平滑调节。②启动、制动转矩大，易于快速启动、停车。③过载能力强、能承受较频繁的冲击负荷。④线路简单、控制方便。因此，直流传动仍然是国产复卷机采用较多的一种调速方案。

图1 复卷机示意图

复卷机的任务是将纸机生产出来的纸幅纵切成若干个分开的纸幅，再把这些分开的纸幅复卷为符合加工要求的成品纸卷，同时保证质量。在复卷过程中，纸幅张力会随着纸卷卷径和复卷机加减速大范围变化，影响张力控制的稳定性。复卷时纸幅张力低会造成成品纸卷打摺;纸幅张力高会使成品纸卷的残余应力过大，造成爆卷或断纸。所以，要得到质量合格的成品纸卷，要求复卷机有良好的纸幅张力控制系统，使纸幅张力控制于设定值范围内，即恒张力控制。

恒张力控制的实现主要通过控制退纸辊电机去实现。复卷机运行时，退纸辊的转速随着成品纸卷的增大而逐渐增加，可能会突破额定转速，按照直流电机调速控制的理论，在额定转速向下调速采用改变电枢电压 (变压)的方法，在额定转速向上调速采用降低励磁电流以减弱磁通 (弱磁)的方法。电机在不同转速下长期运行，为了避免电机过热，则应使电机的电枢电流小于或等于额定电流，变压调速时由于励磁磁通不变，允许的电磁转矩不变，所以变压调速也称“恒转矩调速”，弱磁调速时，转速越高，励磁磁通越弱，允许的电磁转矩不得不减小，但转矩与转速的乘积值不变即允许功率不变，所以弱磁调速也称“恒功率调速”。在低速复卷机中，用不到弱磁调速只要变压调速即可，速度较高的复卷机退纸辊电机的转速会超过电机的额定转速，因此会同时用到变压和弱磁两种方法。

1 纸幅恒张力控制的思想

纸幅恒张力控制主要通过控制退纸辊电机的转矩以实现间接张力控制，退纸辊电机电流可以按照公式［1］(1)控制限幅。公式 (1)是以系统运动规律建立，因此具有普遍性，可适用于电机的各种运动状态，在复卷机运行过程中退纸辊电机按公式 (1)控制就可以实现纸幅的恒张力控制。4

其中:σ—纸张的密度，kg/m3

b—纸幅的宽度，m

R0—退纸辊轴芯半径，m

R2—后底辊半径，m

Km—退纸电机常数

A1—退纸辊电机减速比

A2—后底辊电机减速比

n1—退纸辊电机转速，r/min

n2—后底辊电机转速，r/min

F—纸幅张力，N/m

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J0—轴芯的转动惯量，kg·m2

2 退纸辊电机的变压调速

复卷机退纸辊电机从启动运行到稳态运行这一段时间，一般速度都低于电机的额定转速，因此这个过程的调速采用变压调速。直流电动机采用转速电流双闭环系统，原理图见图2所示，其中:TG为测速装置;TA为电流互感器;为转速给定电压;Un为转速反馈电压;为电流给定电压;Ui为电流反馈电压。张力控制采用间接张力，所以没有张力环。从引纸到运行要能平稳过渡 (维持张力恒定)，可给退纸辊电机的速度给定加上一个负方向的转速给定(可取额定转速的50%左右)，而使退纸电机产生反转趋势 (实际不可能反转)致使纸幅拉平以保持张力恒定;复卷机在稳态运行时，由于纸张张力的作用，电机速度反馈值始终小于速度给定值，速度调节器 (一般为PI调节器)一直处于饱和状态，相当于转速环开环，因此实际控制只是电流环，间接张力控制的补偿运算用公式 (1)算出作为电流环的限幅值。在复卷机的升降速过程中，转速环是不饱和的，退纸辊电机的控制是转速电流双闭环控制，为了维持张力的恒定，在退纸辊惯性转矩的作用下，退纸辊电机的状态会在第一象限和第二象限转换。

图2 转速电流反馈的退纸辊直流电机控制原理图

3 退纸辊电机的弱磁调速

3.1 退纸辊电机的电枢电压与弱磁的配合控制

复卷机稳态运行时，由于退纸辊直径越来越小，退纸辊电机的转速会越来越高，可能会超过电机的额定转速，这时会转入减弱磁通调速。退纸辊电机电枢电压与励磁配合控制的特性图［2］如图3所示，其中，Ф为电机励磁磁通，Фnom为电机额定励磁磁通;U为电机电枢电压，Unom为电机额定电枢电压;P为电机功率;Te为电机额定转矩;nnom为电机转速额定值(基速，也是弱磁点转速)。从图3可以看出，启动时不宜采用弱磁，应在额定磁通下升压启动，才能得到大的起动转矩。当电枢电压升到额定值以后，才可减弱磁通继续升速。

图3 电枢电压与励磁配合控制特性图

3.2 退纸辊电机的弱磁控制

弱磁调速的原理图如图4所示，其中:为转速给定电压;Un为转速反馈电压;为电流给定电压;Ui为电流反馈电压;*为基速给定电动势电压，Ue为实际电动势电压;为励磁电流给定电压;Uif为实际励磁电流电压;TAF为励磁电流互感器。从图4可以看出，电枢电压继续采用转速电流双闭环，励磁调节也是双环控制:电动势环和励磁电流环，励磁电流和电动势调节器都采用PI调节器。实际电动势Ue与基速给定电动势比较后经电动势调节器得励磁给定信号，再经励磁电流环控制励磁电流。

退纸辊电机若在基速 (图3中nnom，也是电动机的额定转速)以下时，实际电动势Ue小于基速给定电动势后使电动势调节器处于饱和状态，相当于电动势环开环，电动势调节器的输出一直保持在限幅值上，通过励磁电

流调节器作用，保证额定的励磁电流不变。这样在基速以下就是电流转双闭环控制退纸辊电机的转速。

3.3 反电动势的获得

电动势运算器AE按照公式 (2)来计算［3］:

图4 励磁闭环的退纸辊直流电机弱磁控制原理图

式中，E为感应电动势;Ra为电枢回路电阻;Ud为电枢电压;Id为电枢电流;L为电枢回路电感。在实际应用中，退纸辊电机的驱动器都采用直流装置，比如ABBDCS800、西门子6RA70等，这些装置都可通过现场总线读取电动势的实际值。参数Ra、L可以通过直流装置的参数自整定方法获得。

基速电动势的给定值U*e是根据电机的额定转速获得。

3.4 直流装置弱磁点的设置［4］

弱磁点，即图3中nnom，对恒张力的控制有较大影响，根据文献［4］的分析可知:弱磁点nnom应该与退纸辊电机的额定转速ne相同即:nnom=ne，才能保证恒张力控制的实现。

4 结论

直流电机拖动的复卷机启动时，电机一定要在额定磁通下启动以获得较大的起动转矩，进入弱磁调速阶段以后一定要获得电机电动势的实际值和弱磁点时的电动势的值，通过它们控制退纸辊电机的励磁电流以实现弱磁调速。这种方法虽以退纸辊给出，但是对前后底辊同样适用。

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［3］SUN Biao，WANG Chang-yi.The Method and Realization of DC Unwind Motor Field Weakening Control［J］.Transactions of China Pulp and Paper.2010，25(1):75.

孙 标，王长义.复卷机放纸辊直流传动弱磁控制方法及其实现［J］.中国造纸学报，2010，25(1):75.

［4］MENG Yan-jing，QIN Bao-guo，GAO Cheng-yong.Influence of the Setting of DC Equipment Weakening Magnetic Point on Constant Tension Control System［J］.China Pulp ＆ Paper，2004，23(9):41.

孟彦京，秦报国，高承雍.直流装置弱磁点的设置对恒张力控制系统的影响［J］.中国造纸，2004，23(9):41. CPP