伺服型张力控制系统再生电能利用装置及其方法

摘要

本发明公开伺服型张力控制系统再生电能利用装置及其方法，所述方法是收卷交流伺服驱动器控制收卷电机驱动收卷辊运行，开卷辊在收卷电机的拖动下带动开卷电机运行，张力由开卷电机产生的转矩来形成，开卷交流伺服驱动器控制开卷电机，所述收卷电机和开卷电机均为永磁同步伺服电机，所述开卷交流伺服驱动器工作于转矩控制模式，所述收卷交流伺服驱动器，工作于速度控制模式，收卷交流伺服驱动器的直流母线端接至开卷交流伺服驱动器的直流母线端，收卷电机工作于电动状态，通过收卷交流伺服驱动器将直流母线上的电能转换成为机械能，开卷电机被拖动运行，工作于发电状态，将机械能转换成电能。该方法和装置既节约了能源又不会对电网产生影响。

权利要求

1.基于伺服型张力控制系统再生电能利用装置的再生电能利用方法，所述的伺服型张力控制系统再生电能利用装置包括收卷装置和开卷装置，收卷装置包括依次相连的收卷辊和收卷电机，开卷装置包括依次相连的开卷辊和开卷电机；所述开卷辊与收卷辊相连，所述的伺服型张力控制系统再生电能利用装置还包括电源整流器、开卷交流伺服驱动器和收卷交流伺服驱动器，所述开卷交流伺服驱动器的直流母线端和收卷交流伺服驱动器的直流母线端与电源整流器直流母线端相连，电源整流器三相交流输入端接至电网；开卷交流伺服驱动器的交流输出端接至开卷电机三相输入端，收卷交流伺服驱动器的交流输出端接至收卷电机的三相输入端；

其特征在于，所述再生电能利用方法如下：收卷交流伺服驱动器控制收卷电机驱动收卷辊运行，并通过收卷辊来带料，开卷辊在收卷电机的拖动下带动开卷电机运行，张力由开卷电机产生的转矩来形成，开卷交流伺服驱动器控制开卷电机，开卷电机为永磁同步伺服电机，工作于转矩控制模式，所述收卷电机为永磁同步伺服电机，工作于速度控制模式，所述收卷交流伺服驱动器的直流母线端接至开卷交流伺服驱动器的直流母线端，收卷电机工作于电动状态，将电能转换成机械能，开卷电机工作于发电状态，将机械能转换成再生电能；

通过电源整流器将电网的电能补充至直流母线；所述的电源整流器用于调节直流母线电压，所述的电源整流器为双闭环的控制结构，外环是电压环，控制直流母线电压维持在设定的大小，内环是电流环，控制电网侧的电流，电网侧输入的交流电流是按照有功分量和无功分量分别进行控制的，通过测量电网电压的相位，完成对电网侧电流的分解，与电网电压相位相同的分量为有功分量，与其正交的为无功分量，通过对有功和无功分量的控制，实现预期的功率因数。

2.根据权利要求1所述的伺服型张力控制系统再生电能利用装置的再生电能利用方法，其特征在于：所述的电源整流器控制方法如下：

步骤1：通过测量电网交流电压，得到其相位 测量电网输入电流中的两相ia、ib，并利用三相电流的对称性，计算出第三相电流ic；以电压相位角 按照式(1)对三相电流(ia,ib,ic)进行旋转变换，可以得到其中的有功电流ip和无功电流ij；

(式1)

步骤2：直流母线电压的给定值与实际测量的反馈值相减，得到电压偏差，此偏差经过电压控制器而得到有功电流的给定值 此给定值与实际的有功电流ip相减，得到有功电流偏差，此偏差经过有功电流控制器，得到有功电压Up；在系统中，无功电流的给定值应当设定为零，此零设定值与实际的无功电流ij相减，得到无功电流偏差，再经无功电流控制器，得到无功电压Uj；有功电压Up和无功电压Uj经逆旋转变换，得到定子三相电压Ua，Ub，Uc,再经电压矢量脉冲宽度调制SVPWM环节，调制生成脉冲信号控制电源整流器。

说明书

伺服型张力控制系统再生电能利用装置及其方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种再生电能利用方法，尤其是张力控制系统中的再生电能的利用方法。

背景技术

[0002] 张力控制系统在在印刷、造纸、包装等设备中广泛使用，传统的张力控制系统一般采用磁粉制动器和磁粉离合器产生张力，主要缺点是1、功耗大，磁粉制动器产生大量的热量，需要冷却。2、制动器基本不具备动态调整的能力，不能通过控制磁粉制动器实现对张力的动态调整。

[0003] 目前这个领域里新的研究集中在伺服型张力控制器，和传统的磁粉制动型张力控制器不同，伺服型张力控制器以不同的伺服电机控制开卷机构和收卷机构，开卷伺服电机在收卷伺服电机的拖动下运行，张力是以开卷伺服电机的产生的转矩来形成的。

[0004] 伺服型张力控制是一种高效、精密、节能的先进技术，综合性能大大优于传统的磁粉制动型的张力控制。但目前并没有获得广泛采用，影响伺服型张力控制技术广泛采用的原因主要在于逆变再生能量的处理比较棘手，如果将逆变再生能量回送电网，将有可能对电网产生影响，因而需要专门的入网许可。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题：本发明为了解决现有技术中存在的缺陷，提供伺服型张力控制系统再生电能利用方法装置，该方法和装置既节约了能源又不会对电网产生影响。

[0006] 本发明的方案是：

[0007] 伺服型张力控制系统再生电能利用装置，包括收卷装置和开卷装置，收卷装置包括依次相连的收卷辊和收卷电机，开卷装置包括依次相连的开卷辊和开卷电机；所述开卷辊与收卷辊相连，其特征在于：还包括开卷交流伺服驱动器和收卷交流伺服驱动器，所述开卷电机和收卷电机分别为永磁同步伺服电机，开卷交流伺服驱动器的交流输出端接至开卷电机三相输入端，收卷交流伺服驱动器的交流输出端接至收卷电机的三相输入端，所述开卷交流伺服驱动器的直流母线端接至收卷交流伺服驱动器的直流母线端。

[0008] 还包括电源整流器，开卷交流伺服驱动器和收卷交流伺服驱动器的直流母线端与电源整流器直流母线端相连，电源整流器三相交流输入端接至电网。

[0009] 开卷电机工作于转矩控制模式，开卷电机工作于发电状态；所述收卷电机工作于速度控制模式，收卷电机工作于电动状态。

[0010] 基于本发明所解决的技术问题，本发明的另一种实施例为：基于权利要求1所述的伺服型张力控制系统再生电能利用装置的再生电能利用方法，收卷交流伺服驱动器控制收卷电机驱动收卷辊运行，并通过收卷辊来带料，开卷辊在收卷电机的拖动下带动开卷电机运行，张力由开卷电机产生的转矩来形成，开卷交流伺服驱动器控制开卷电机，开卷电机为永磁同步伺服电机，工作于转矩控制模式，其特征在于：所述收卷电机为永磁同步伺服电机，工作于速度控制模式，所述收卷交流伺服驱动器的直流母线端接至开卷交流伺服驱动器的直流母线端，收卷电机工作于电动状态，将电能转换成机械能，开卷电机工作于发电状态，将机械能转换成再生电能。

[0011] 在所述开卷交流伺服驱动器和收卷交流伺服驱动器的直流母线端还接有电源整流器，通过电源整流器将电网的电能补充至直流母线。

[0012] 所述的电源整流器用于调节直流母线电压，所述的电源整流器为双闭环的控制结构，外环是电压环，控制直流母线电压维持在设定的大小，内环是电流环，控制电网侧的电流，电网侧输入的交流电流是按照有功分量和无功分量分别进行控制的，通过测量电网电压的相位，完成对电网侧电流的分解，与电网电压相位相同的分量为有功分量，与其正交的为无功分量，通过对有功和无功分量的控制，实现预期的功率因数。

[0013] 所述的电源整流器控制方法如下：

[0014] 步骤1：通过测量电网交流电压，得到其相位 测量电网输入电流中的两相ia、ib，并利用三相电流的对称性，计算出第三相电流ic；以电压相位角 按照式（1）对三相电流（ia,ib,ic）进行旋转变换，得到其中的有功电流ip和无功电流ij；

[0015]

[0016] 步骤2：将直流母线电压的给定值与实际测量的反馈值相减，得到电压偏差，此偏差经过电压控制器而得到有功电流的给定值 此给定值与步骤1得到的有功电流ip相减，得到有功电流偏差，此偏差经过有功电流控制器，得到有功电压Up；在系统中，无功电流的给定值应当设定为零，此零设定值与实际的无功电流ij相减，得到无功电流偏差，再经无功电流控制器，得到无功电压Uj；有功电压Up和无功电压Uj经逆旋转变换，得到定子三相电压Ua，Ub，Uc,再经电压矢量脉冲宽度调制SVPWM环节,调制生成脉冲信号控制电源整流器。

[0017] 本发明的有益效果如下：伺服型张力控制系统再生电能利用装置及其方法利用电力电子装置将开卷伺服电机产生的再生电能，在内部提供给收卷伺服电机使用，中间的能量损失由电网来补充，从总体上看，能量是从电网转移到张力控制系统的,因而在运行中不会对电网产生影响。“再生能量内部循环利用技术”的提出，为伺服型精密张力控制系统的应用铺平了道路，

附图说明

[0018] 图1是本发明伺服型张力控制系统再生电能利用装置的电路框图；

[0019] 图2是本发明电源整流器的控制原理图；

[0020] 图3是本发明电源整流器控制电路结构框图；

[0021] 图4是本发明电源整流器主程序控制流程图；

[0022] 图5是本发明电源整流器中断服务程序流程图。

具体实施方式

[0023] 本项目产品伺服型精密张力控制系统，如图1所示，包括收卷装置和开卷装置，收卷装置包括依次相连的收卷辊和收卷电机，开卷装置包括依次相连的开卷辊和开卷电机；所述开卷辊与收卷辊相连，还包括开卷交流伺服驱动器和收卷交流伺服驱动器，所述开卷电机和收卷电机分别为永磁同步伺服电机，开卷交流伺服驱动器的交流输出端接至开卷电机三相输入端，收卷交流伺服驱动器的交流输出端接至收卷电机的三相输入端，所述开卷交流伺服驱动器的直流母线端接至收卷交流伺服驱动器的直流母线端。还包括电源整流器，开卷交流伺服驱动器和收卷交流伺服驱动器的直流母线端与电源整流器直流母线端相连，电源整流器三相交流输入端接至电网。收卷交流伺服驱动器控制收卷电机驱动收卷辊运行，并通过收卷辊来带料，开卷辊在收卷电机的拖动下带动开卷电机运行，张力由开卷电机产生的转矩来形成，开卷交流伺服驱动器控制开卷电机，工作于转矩控制模式，通过控制开卷电机的的输出转矩可调节带料的张力。用于提供负载转矩从而形成张力；收卷电机工作于速度控制模式，通过控制收卷电机的转速可调节带料运行的线速度。开卷交流伺服驱动器、收卷交流伺服驱动器、电源整流器的直流母线端被连接在一起。系统的主要特征见图
1，开卷交流伺服驱动器和收卷交流伺服驱动器均为通用型全数字交流伺服驱动器，控制开卷电机的开卷交流伺服驱动器工作于转矩模式，控制收卷电机的收卷交流伺服驱动器工作于速度模式。通过控制开卷电机的输出转矩来调节带料的张力，通过控制收卷电机的转速来调节带料运行的线速度。在张力控制系统运行的过程中，收卷电机工作于电动状态，通过收卷交流伺服驱动器将直流母线上的电能转换成为机械能；开卷电机被拖动运行，工作于发电状态，将机械能转换成再生电能，通过开卷交流伺服驱动器，将再生电能回送到直流母线；在此运行过程中的能量损耗，通过电源整流器将电网的电能补充至直流母线端。即从电网补充。这样的特殊结构，为再生电能在张力控制器内部的循环转移提供了保证。

[0024] 在图1中，开卷交流伺服驱动器和收卷交流伺服驱动器均采用通用产品，使其分别工作于转矩控制状态和速度控制状态，但开卷交流伺服驱动器和收卷交流伺服驱动器均不直接连接交流电网，而是通过电源整流器与电网连接。

[0025] 图2是电源整流器的控制原理图，电源整流器用于调节直流母线电压。控制结构中包含电压、电流双闭环，外环是电压环，控制直流母线电压维持在设定的大小，内环是电流环，控制电网侧的电流，电网侧输入的交流电流是按照有功分量和无功分量分别进行控制的，通过测量电网电压的相位，完成对电网侧电流的分解，与电网电压相位相同的分量为有功分量，与其正交的为无功分量，通过对有功和无功分量的控制，实现预期的功率因数。

[0026] 在图2中，ip为有功电流分量，ij无功电流分量。通过测量电网交流电压，得到其相位 测量电网输入电流中的两相ia、ib，并利用三相电流的对称性，计算出第三相电流ic；以电压相位角 按照式（1）对三相电流（ia,ib,ic）进行旋转变换，可以得到其中的有功电流ip和无功电流ij。

[0027] 母线电压给定值与实际测量的反馈值相减，得到电压偏差，此偏差经过电压控制器而得到有功电流的给定值 此给定值与步骤1得到的有功电流ip相减，得到有功电流偏差，此偏差经过有功电流控制器（P轴电流控制器），得到有功电压Up。在系统中，无功电流的给定值应当设定为零，此零设定值与实际的无功电流ij相减，得到无功电流偏差，再经无功电流控制器（j轴电流控制器），得到无功电压Uj。（Up，Uj）经逆旋转变换，得到定子三相电压（Ua，Ub，Uc）,再经电压矢量脉冲宽度调制SVPWM环节,调制生成脉冲信号控制电源整流器。

[0028] 电源整流器由智能功率模块IPM构成（型号：PS21867），采用数字信号处理器DSP(型号：TMS320F28035)实现对其控制。附图2给出了电源整流器的控制原理，附图3是电路结构框图。

[0029] 电网输入电流ia、ib，电网电压Ua、Ub，直流母线电压Ud等，均通过相应的电流、电压传感器检测，经由TMS320F28035的A/D转换接口转换成数字量，图2中的“电压控制器”、“有功电流控制器”、“无功电流控制器”、“旋转变换”、“逆旋转变换”、“相位计算”等环节均由TMS320F28035内部的软件实现，SVPWM环节由TMS320F28035内部的硬件实现，主程序控制流程见图4，中断服务程序流程见图5。

[0030] 如图4和图5所示，分别为电源整流器控制软件主流程图和电源整流器软件中断服务程序流程图。所述的电源整流器控制软件主流程如下：1）初始化系统时钟、中断向量表、IO端口，2）初始化控制参数表，3）初始化A/D转换电路、PWM输出，4）启动控制周期定时器，5）等待控制周期定时器中断，6）计算交流线电压Ua和Ub的相位角 7）根据电流ia、ib、ic的当前值，计算ip和ij，8）完成电压控制器的运算，得到有功电流给定 9）完成有功电流和无功电流控制运算，得到UP、Uj，10）对UP、Uj逆变换，得到三相电子电压的参考值Ua、Ub和Uc，刷新SVPWM环节，控制逆变器。电源整流器系统软件中断服务程序如下：1）响应定时中断，2）启动A/D转换器，3）读取A相电流采样值，4）读取B相电流采样值，5）计算C相电流值，6）读取交流输入线电压采样值，7）读取直流母线电压采样值，8）中断返回。