直接转矩控制技术在铝带箔清洗机组中的应用

赵欣

(洛阳有色金属加工设计研究院，河南洛阳471039)

2003年我院为新疆众和股份有限公司设计和开发了第一套650mm2003铝带箔清洗机组。本清洗机组的工艺要求高:来料厚度是0.2至0.05mm的铝带箔卷材，主要完成0.09mm至0.05mm的箔材清洗工作;箔材的纯度是高于99.999%的高纯铝，它具有比原铝更好的导电性、延展性、反射性和抗腐蚀性;铝带箔材在清洗加工环节中容易造成表面划伤。清洗后的箔材产品的主要质量要求为:

擦划伤最大直径≤0.5mm;

擦划伤最大深度≤厚度×1%。

清洗后的箔材要满足生产铝电解电容器的主要原材料——电极箔的质量要求。

铝带箔在冷轧轧制过程中，因轧辊与铝板表面摩擦和碾压，其表面会产生氧化铝粉脱落和吸附;轧制冷却为轧制油冷却方式，轧制油及其附带成分在轧制过程中会残留在铝板的表面，对铝带箔的后续深加工造成不利影响。

采用清洗剂的清洗系统是铝加工行业的清洗新技术，是铝带箔的深加工环节中的重要组成部分。新疆众和650mm铝带箔清洗机组采用优质的铝带箔专用清洗油，能有效清洗并去除铝材表面的污物，显著提高产品的表面质量，满足了后续的铝带箔深加工的原材料质量要求。例如金属材料表面的涂层处理、静电涂漆加工、生产电极箔等使用铝带箔原材料的场合。

本清洗机组在运行之前，由于可供借鉴的设备在国外，国内还没有找到相关的生产工艺，主要工艺参数要在运行后进一步摸索和完善。生产工艺对电控系统的要求主要是:电气控制系统输出的电机转矩要达到工艺要求;速度控制精度和稳定性要达到工艺要求;开卷机及卷取机的张力控制精度和稳定性要达到工艺要求等等。清洗机组配套的电气控制系统采用ABB公司的ACS600系列全数字变频装置，采用了直接转矩控制技术，能满足高精度的速度控制和力矩控制要求。

1 直接转矩控制技术

直接转矩控制技术(简称DTC)是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器(Band—Band控制)，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静态、动态性能的交流调速控制方式。与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。直接转矩控制技术控制框图见图1。

图1 直接转矩控制技术控制框图

2 电气控制系统的控制精度和稳定性

2.1 清洗机组传动的综合性能

清洗机组传动采用交流变频电机，清洗机组中的清洗装置、漂洗装置、烘干装置是清洗机组的重要组成部分，其中内部的多个挤干辊托辊采用同步带传动，传动电机为一台交流变频电机(YTSP100L2－4、3KW、1500r/min)。同步带传动是第一次在我院清洗机组中采用，保证同步带传动系统的控制精度和稳定性是清洗机组能否生产正常的关键。

ACS600系列全数字变频装置是ABB公司第一个采用直接转矩控制技术的全数字变频装置，其控制系统主要有两个性能特点:

①快速精确的力矩控制响应

与传统的控制方法PWM相比较，直接转矩控制的最大不同之处是转矩控制的时间水平达到了跟功率开关器件相同的时间水平(25μs)。没有单独的电压和频率控制的PWM调制器。所有开关器件的选择由电机的电磁状态决定。力矩阶跃上升时间小于5ms;可实现零速满转矩控制。

②快速精确的速度控制响应

在带速度测量编码器时的静态速度精度达±0.01%，动态速度精度达±0.1%;在不带速度测量编码器的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，静态速度精度可以达到±0.1%，动态速度精度可达到±0.4%。

在650mm铝带箔清洗机组传动设计中，为满足机组传动的控制精度和稳定性，选用了ABB公司的ACS600系列全数字变频装置。电气传动控制系统主要配置如图2。

图2 电气传动控制系统主要配置图

2.2 从低速到高速平稳运行的速度控制

图2中挤干辊电机是机组调试的重要工作之一，电机的速度整定须经过机列从低速段到高速段均能平稳运行控制后才能完成。使用转速表实际测量清洗机组中的清洗装置、漂洗装置、烘干装置在生产稳速运行时同步带传动辊子的平均速度，测量结果见表1。

表1 实际测量速度

从测试数据可知，同步带传动辊子的速度精度可以达到±0.1%至±0.3%，能够有效避免铝带箔在清洗过程中发生擦划伤。

2.3 开卷机和卷取机的恒张力控制

ACS600系列全数字变频装置有丰富的传动软件:PFC宏软件、卷取宏软件、主从宏软件、提升宏软件等，能够满足多种行业的使用要求。其中卷取宏软件能够完成开卷机和卷取机的恒张力控制，目前开卷机和卷取机采用间接张力控制方式比较多，ACS600的卷取宏软件中具有转矩开环控制的功能，即传动单元运行在没有张力调整的转矩控制模式下，实现对带材张力的控制。转矩控制性能指标见表2。

表2 转矩控制性能指标

在实际调试工作中，在做好开卷机和卷取机的卷径测量、空载补偿、动态补偿测试和整定工作后，张力控制中加上了张力梯度的控制功能，在卷取机工作过程中，随着卷径的增大，控制带材张力逐步减小，张力梯度设定过大或过小都会影响卷取带材的成卷质量。机列联动试运行后，经过一段时间不断的摸索和测试，完善了开卷机和卷取机的张力设定值、动态补偿整定值等工艺参数，使成卷质量达到了生产工艺要求。

3 结束语

采用ACS600系列全数字变频装置组成的650mm铝带箔清洗机组的电气传动控制系统，在新疆众和股份有限公司的生产中，电气控制系统的控制精度和稳定性满足了机组的生产工艺要求;控制系统配置功能实用，运行可靠性高，便于使用和维护。在调试和试车过程中，逐步掌握了清洗机组的主要工艺参数，了解了清洗机组的工艺特点，为今后设计开发新型清洗机组打下了良好的基础。本机组自2005年投入生产至今已6年多，机组运行稳定，达到了预期的设计目标，取得了良好的社会效益和经济效益。