基于转矩控制的纸机传动负荷分配的原理分析

基于转矩控制的纸机传动负荷分配的原理分析

赵彬彬

（山东太阳纸业股份有限公司  山东兖州  272100）

摘 要：简要介绍纸机传动基于转矩控制负荷分配的原理，探讨了传动电机负载率与逆变器控制中负荷分配比例系数之间的关系；

关键词：传动控制；负荷分配；转矩控制

中图分类号：TS7     文献标识码：A

在纸机传动控制中，存在由两台、三台甚至多台电机同时拖动同一负载的情况。例如纸机网部传动同时拖动底网运行，此控制不仅仅要求速度的同步，更要求电机负载率的平衡；而在纸机传动控制中，基于转矩控制的负荷分配也越来越多。

1基于转矩控制负荷分配原理

所谓基于转矩控制的负荷分配，以两个传动点或者多个传动点以恒定类钢性或柔性连接负载，选取其中一个传动点作为主传动点，其他传动点为从传动点的负荷分配方式，主传动点采用速度控制方式进行控制，来衔接前后传动控制的速度链，以满足生产的需求，而从传动采用速度加转矩的控制方式，即保证速度的相匹配，也保证了负载分配的合理，避免负载差异过大，从而使从传动的转矩跟随主传动的负载变化而变化。那么主传动与从传动之间的转矩关系为主传动的转矩乘以从传动的负荷分配的比例系数即为传动的转矩给定，公式如下：

                                                 （1）

  式中， 为从传动转矩，为主传动转矩，为从传动在纸机设计车速的转矩占从传动额定转矩的比值，为主传动在纸机设计车速下的转矩占主传动的额定转矩的比值，即为从传动的负荷分配的比例系数。

  关于基于转矩控制负荷分配中的电机负载率，即从用户角度出发，即单个传动电机占整个联动装置总功率的比值，一般以百分比的形式体现到客户端，客户可以根据工艺需求或负荷调整每个传动点的负荷比例，然后计算出对应从传动负荷分配的比例系数，进而进行转矩的优化，使控制更加精准，响应速度更快，更加方便快捷，更加直观，更加便于操作人员的理解，提高生产效率；

2电机负载率与比例系数之间的关系

2.1 两传动点之间的负荷分配

两传动点的负荷分配，主要建立于两个传动点之间，例如施胶机顶辊与底辊之间负荷分配，如果两辊之间的速度负荷控制异常，可能会导致断纸，影响生产效率，亦可能会导致施胶异常，造成施胶不均，影响质量,所以为保证生产稳定运行，需要两传动点之间建立稳定的关系。

2.2 辊子速度与电机转速之间的关系

首先，电机的传动往往以转速的形式来体现，而辊子的速度往往以辊子的线速度来标定，为实现精准控制就需要明确转速与线速度的关系。

根据角速度公式：

（2）

式中为角速度，rad/min；v为线速度，m/min；r为半径，m。

根据转速公式：

n=                                                           （3）

   式中n为转速，r/min；为角速度，rad/min。

由式2与式3 得出

n=                                                     （4）

式中D为辊子直径，m。

由于电机与辊子之间存在减速机，由此计算处电机的转速与辊子之间的关系：

                                                 （5）

式中为电机的经过减速机后的转速，r/min；为减速比。

   由此，式5便是电机转速与辊子线速度之间的关系式,当v为纸机设计车速时，电机的转速即为在此设备上的最大转速，用表示。

2.3两传动点电机负载率与从传动负荷分配的比例系数关系的建立

   首先电机的负载率是建立在从传动之上的，在确认主从传动的负载以后，那么主传动的负载率为1减去从传动的电机负载率，公式如下：

=1-（6）

式中为从传动的电机负载率，即为人机交互画面设定值，为主传动的电机负载。

   已知转矩与功率之间的关系为：

T=9550*                                             （7）

式中，T为转矩，P为功率，n为电机转速。

式3转化后公式为：

P=                                               （8）

以某造纸厂纸机施胶机为例，其中施胶机底辊为主传动，顶辊为从传动，电机经过减速机，分别拖动施胶机顶辊与底辊，减速机的损耗忽略不计；

由此施胶机底辊在纸机设计车速时的功率计算方式为：

                                               （9）

式中为纸机达到设计车速时底辊电机输出功率，为底辊电机额定转矩，为纸机达到设计车速时底辊电机的转速，为主传动在纸机设计车速下的转矩占主传动的额定转矩的比值，为在纸机设计车速底辊实际转矩值；

同理,施胶机顶辊在纸机设计车速时的功率计算方式为：

                                              （10）

式中为纸机达到设计车速时顶辊电机输出功率，为顶辊电机额定转矩，为纸机达到设计车速时顶辊电机的转速，为从传动在纸机设计车速下的转矩占从传动的额定转矩的比值，为在纸机设计车速时顶辊实际转矩值；

    =+                                                 （11）

式中，为纸机达到设计车速时，两辊所需总功率。

由式6与式11得

=（1-）*                                                 （12）

=*                                                    （13）

式中为从传动的电机负载率，为主传动的电机负载率。

主传动与从传动达到设计车速时功率的比值，由式9、10、12、13得：

=                                          （14）

由式14化简后得

=                                             （15）

由式15即可得出两传动电机电机负载率与逆变器控制中比例系数之间的关系。

2.3 三传动点电机负载率与从传动负荷分配的比例系数关系的建立

传动电机的负荷分配多数为两传动电机之间的负荷分配，但也存在三传动点之间的负荷分配，例如某纸机的网部的传动，网部分为底网与顶网，其中底网有两个传动点，顶网有一个传动点，选取底网中的一个传动点为主传动，底网另一个传动点为从传动点，顶网的传动点亦为从传动点。

以某纸机网部传动为例，底网传动点分别为D11、D12、D13，其中底辊的传动为D11、D12，其中，D12为主传动点，D13为顶网传动点，

由式9可得

                                           （16）

式中为纸机达到设计车速时底辊电机输出功率，为底辊电机额定转矩，为纸机达到设计车速时底辊电机的转速，为主传动在纸机设计车速下的转矩占主传动的额定转矩的比值，为在纸机设计车速底辊实际转矩值；  

由式10可得

                                           （17）

式中为纸机达到设计车速时底辊电机输出功率，为底辊电机额定转矩，为纸机达到设计车速时底辊电机的转速，为主传动在纸机设计车速下的转矩占主传动的额定转矩的比值，为在纸机设计车速底辊实际转矩值；

                                           （18）

式中为纸机达到设计车速时底辊电机输出功率，为底辊电机额定转矩，为纸机达到设计车速时底辊电机的转速，为主传动在纸机设计车速下的转矩占主传动的额定转矩的比值，为在纸机设计车速底辊实际转矩值；

  由式12、13得

                                 （19）           

                                               （20） 

=*                                                   （21）

式中为从传动的电机负载率，即为人机交互画面设定值，为主传动的电机负载率，为纸机达到设计车速时，三辊所需总功率。

主传动D12与从传动D11达到设计车速时功率的比值得：

=                                 （22）

化简即可得出

      =                              （23） 

同理 ，主传动D12与从传动D13达到设计车速时功率的比值得：

      =                              （24）

    由此，三传动点电机之间的负荷分配关系建立。

2.4 多传动点电机负载率与从传动负荷分配的比例系数关系的建立

基于双传动与三传动点之间的关系，不难推出多传动电机电机负载率与从传动负荷分配的比例系数之间关系，最终目的是在不同电机功率的基础上建立从传动与主传动之间的负荷分配关系。

3结论

         建立电机负载与负荷分配比例系数的关系，来保证从传动点的转矩时刻跟随主传动点的转矩的变化而变化，这种控制方法精度高、动态响应快、控制更加流畅，生产的产品质量更加稳定。

参 考 文 献

[1]孟宪坤 李明辉 李虎. 纸机负荷分配控制系统的设计与实现 自动化仪表 2012.1