Zusammenfassung: Dieser Artikel erläutert die Anwendung und die Konstruktionsmethoden der Vektor-Frequenzumwandlungstechnologie in Wicklungsantrieben unter den aktuellen technologischen Bedingungen aus anwendungsorientierter Sicht. Er bietet sowohl praktische als auch theoretische Orientierung. Schlüsselwörter: Spannung, Frequenzumwandlung, Vektordrehmoment, Wicklungsdurchmesser. Einleitung: In vielen Industriezweigen ist eine präzise Spannungsregelung erforderlich, um eine konstante Spannung zu gewährleisten und die Produktqualität zu verbessern. Branchen wie Papierherstellung, Druck und Färberei, Verpackung, Draht- und Kabelherstellung, Glasfaserkabelherstellung, Textilindustrie, Lederverarbeitung, Metallfolienverarbeitung, Faser-, Gummi- und Metallurgie nutzen diese Technologie häufig. Vor der Entwicklung ausgereifter Frequenzumwandlungstechnologien wurde üblicherweise die Gleichstromregelung eingesetzt, um eine gute Regelungsleistung zu erzielen. Mit zunehmender Reife dieser Technologie sind leistungsstarke Frequenzumrichter wie Vektor-Frequenzumrichter und spannungsspezifische Frequenzumrichter entstanden. Ihre Regelungsleistung ist mittlerweile mit der der Gleichstromregelung vergleichbar. Da Wechselstrommotoren Gleichstrommotoren in vielerlei Hinsicht, wie z. B. hinsichtlich Struktur, Wirtschaftlichkeit, Anwendung und Wartung, überlegen sind, findet die Vektor-Frequenzumwandlungsregelung in diesen Branchen immer breitere Anwendung und zeichnet sich als potenzieller Ersatz für die Gleichstromregelung ab. Die Spannungsregelung dient der Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung von Draht oder Band. Vektorgesteuerte Frequenzumrichter erreichen dies auf zwei Arten: durch Steuerung der Motordrehzahl oder durch Steuerung des Motordrehmoments. Spannungsregelung im Drehzahlbetrieb: Die Spannungsregelung im Drehzahlbetrieb gewährleistet eine konstante Spannung durch Anpassung der Motordrehzahl. Zunächst wird die Sollfrequenz in Echtzeit aus der Band- (Draht-)geschwindigkeit und dem Trommeldurchmesser berechnet. Anschließend bilden das vom Spannungssensor zurückgemeldete Spannungssignal und der Sollwert der Spannung einen geschlossenen PID-Regler zur Anpassung der Sollfrequenz des Frequenzumrichters. Die Formel für die Sollfrequenz lautet: F = (V × p × i) / (π × D). Dabei gilt: F: Sollfrequenz des Frequenzumrichters; V: Bandgeschwindigkeit; p: Polpaarzahl des Motors (automatisch vom Frequenzumrichter anhand der Motorparameter ermittelt); i: Mechanisches Übersetzungsverhältnis; D: Trommeldurchmesser. Verschiedene Hersteller und Entwickler von Frequenzumrichtern verwenden unterschiedliche Methoden zur Bestimmung dieser Variablen, insbesondere der Materialgeschwindigkeit (V) und des Trommeldurchmessers (D). Die Berechnungsmethoden hierfür sind vielfältig und werden hier nicht aufgeführt. Dieser Regelmodus erfordert eine gute PID-Regelung des Frequenzumrichters und eine präzise Synchronisierung der Frequenzvorgabe, um die Systemstabilität zu gewährleisten. Andernfalls schwingt das System und wird instabil. Dieser Modus wird häufig beim kontinuierlichen Drahtziehen in Drahtziehmaschinen und bei der kontinuierlichen Walzantriebssteuerung in Walzwerken eingesetzt. Im Drehmomentregelungsmodus können Schwankungen der mechanischen Materialeigenschaften zu Schwierigkeiten beim Drahtziehen und zu Störungen wie einem Walzwerksstillstand führen. Spannungsregelung im Drehmomentmodus I. Offene Spannungsregelung im Drehmomentmodus In diesem Modus lässt sich ohne Spannungsrückmeldeeinrichtung eine stabilere Spannungsregelung erzielen. Der Aufbau ist einfach und die Wirkung gut. Der Frequenzumrichter muss jedoch im geschlossenen Vektorregelungsmodus arbeiten, und ein Drehzahlmesser oder Encoder muss installiert sein, um die Motordrehzahl präzise zu messen und zurückzumelden. Die Formel zur Drehmomentberechnung lautet: T = (F × D) / (2 × i). Dabei ist T das Soll-Drehmoment des Frequenzumrichters, F der Soll-Spannungsregler, i das mechanische Übersetzungsverhältnis und D der Trommeldurchmesser. Das berechnete Motordrehmoment dient zur Steuerung des Stromregelkreises des Frequenzumrichters und somit zur Regelung des Motordrehmoments. Die Drehmomentberechnung ist daher von großer Bedeutung. Diese Regelungsart wird häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen keine hohe Spannungsgenauigkeit erforderlich ist, und findet breite Anwendung bei Xinke. Beispielsweise wird dieser Regelungsmodus bei der Entfettungsanlage und der Wickelsteuerung des Luftkissenofens unseres Präzisionsbandherstellers verwendet. II. Offene Spannungsregelung im Drehmomentmodus: Die geschlossene Spannungsregelung erweitert die offene Spannungsregelung um eine geschlossene Spannungsrückkopplungsregelung. Das vom Spannungsmessgerät zurückgeführte Spannungssignal und der Spannungssollwert bilden einen PID-Regler, der das Soll-Drehmoment des Umrichters anpasst und so eine höhere Genauigkeit der Spannungsregelung ermöglicht. Die Spannungsberechnung erfolgt analog zur offenen Regelung. Unabhängig davon, ob der Spannungsregelungsmodus offen oder geschlossen ist, wird zusätzliches Drehmoment benötigt, um die Rotationsmasse des Gesamtsystems beim Beschleunigen und Bremsen zu überwinden. Ohne Kompensation ist die Spannung beim Beschleunigen zu niedrig und beim Bremsen zu hoch, und umgekehrt. Dieser Regelungsmodus wird häufig in Anwendungen wie der Papier- und Textilindustrie eingesetzt, wo eine Mikrospannungsregelung beim Wickeln erforderlich ist. Unser Unternehmen benötigt diese Art der Regelung derzeit nicht. Trommeldurchmesserberechnung Der Trommeldurchmesser ist in allen Betriebsmodi erforderlich. Bekanntermaßen verringert sich während der Produktion der Durchmesser des Abwicklers kontinuierlich, während der Durchmesser des Aufwicklers kontinuierlich zunimmt. Dies bedeutet, dass sich das Drehmoment mit dem Trommeldurchmesser ändern muss, um eine stabile Spannungsregelung zu gewährleisten. Daher ist die Berechnung des Trommeldurchmessers entscheidend. Es gibt zwei Methoden zur Berechnung des Trommeldurchmessers: Zum einen kann der berechnete Durchmesser direkt von einer externen Quelle, typischerweise einer SPS, an den Frequenzumrichter übertragen werden. Zum anderen kann der Frequenzumrichter ihn selbst berechnen. Vektorgesteuerte Frequenzumrichter verfügen über integrierte Funktionen zur Durchmesserberechnung, und in den meisten Anwendungen erfolgt dies automatisch. Dies reduziert die Komplexität und den Debugging-Aufwand des SPS-Programms und senkt somit die Kosten. Es gibt drei Methoden zur Berechnung des Trommeldurchmessers mittels Frequenzumrichter: 1. Drehzahlberechnung: Der Trommeldurchmesser wird anhand der aktuellen Umfangsgeschwindigkeit des Systems und der Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters berechnet. Die Formel lautet: D = (i × V) / (π × n), wobei D der berechnete Walzendurchmesser, I das mechanische Übersetzungsverhältnis, n die Motordrehzahl und V die Umfangsgeschwindigkeit ist. Bei niedriger Betriebsdrehzahl des Systems sind sowohl die Umfangsgeschwindigkeit des Materials als auch die Ausgangsfrequenz des Umrichters gering. Selbst kleine Messfehler können zu großen Fehlern bei der Berechnung des Walzendurchmessers führen. Daher muss eine Mindestumfangsgeschwindigkeit festgelegt werden. Unterschreitet die Umfangsgeschwindigkeit dieses Wertes diesen Wert, wird die Berechnung des Walzendurchmessers gestoppt und der aktuelle Walzendurchmesser bleibt unverändert. Dieser Wert sollte unterhalb der normalen Betriebsumfangsgeschwindigkeit liegen. Die meisten Umrichter in verschiedenen Anwendungen verwenden diese Methode zur Berechnung des Walzendurchmessers. 2. Gradintegrationsverfahren: Der Walzendurchmesser wird basierend auf der Materialdicke und der Anzahl der Trommelumdrehungen addiert oder subtrahiert. Bei Draht muss auch die Anzahl der Umdrehungen pro Lage eingestellt werden. Diese Methode erfordert die Eingabe der Materialstärke. Ist die Stärke fest, kann sie im Frequenzumrichter eingestellt werden. Diese Methode wird häufig in der Einzelproduktfertigung eingesetzt. Ändert sich die Stärke häufig, muss das Stärkesignal über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) oder ein intelligentes Messgerät an die SPS übertragen werden. Die SPS oder das Messgerät führt dann die Berechnung durch und übermittelt das Ergebnis an den Frequenzumrichter. Mit dieser Berechnungsmethode lässt sich ein genauerer Rollendurchmesser erzielen. Diese Methode wird in der allgemeinen inländischen Ausrüstung selten verwendet. Unser Unternehmen nutzt sie jedoch zur Wickel- und Abwickelsteuerung unserer importierten Luftkissenöfen. 3. Analogeingang: Bei Verwendung eines externen Wickeldurchmessersensors wird das Wickeldurchmessersignal über den Analogeingang an den Frequenzumrichter angelegt. Aufgrund der Leistung, des Preises und der Einsatzbedingungen von Wickeldurchmessersensoren werden diese im Inland selten verwendet. Fazit: Die Vektorfrequenzumwandlungstechnologie bietet verschiedene Methoden für Wickelanwendungen. Unter den aktuellen technologischen Bedingungen ist die oben beschriebene Methode die repräsentativste. Ob bei der Entwicklung oder Wartung von Anlagen – das Verständnis ihrer Betriebsart und Steuerungseigenschaften ist unerlässlich. Die Frequenzumwandlungstechnologie entwickelt sich rasant weiter, neue Theorien und Steuerungstechnologien entstehen ständig, und die Steuerungsarten entwickeln sich kontinuierlich weiter. Wir freuen uns auf die ständige Entwicklung fortschrittlicherer und praktischerer Technologien, die unser Leben verändern werden.