2024年9月7日发(作者：历慕凝)

镀锌生产线张力驱动控制基础

生产线带钢的张力来源于电机的驱动，正是在电机的驱动下，各个辊子的速度不同，

前面辊子的速度大于后面辊子的速度，才使带钢绷紧，即有了张力。所以必须从电机驱

动知识入手，才能完全掌握张力控制的真谛，灵活自如的调整生产线张力，达到既保证

产品质量又保证设备正常运转的最佳状态。

1. 变频调速技术简介

以前的生产线都是采用直流驱动，那是因为当时的驱动技术只能对直流电机实现调

频调压控制，使电机的转速和输出力矩按照生产线工艺要求调整，而交流电机只能在

50Hz工频下按一定的速度运转。但直流电机体积大、结构复杂、维修费用高，给生产线

的管理和运行成本带来很大的影响。

目前，随着变频调速技术的发展，特别是矢量控制技术的成熟，使交流异步电动机

全面取代了直流电机，使用到各种连续运行的生产线中。矢量控制的交流变频电机与传

统的直流电机相比，不但结构紧凑、维修费用小，而且其机械特性、调速精度都可以与

直流电机相媲美。

1.1交流异步电机变频调速原理

交流异步电机的转速公式为：

n(1s)

式中：

f

—— 定子供电的频率，Hz；

p

——定子线圈磁极对数；

60f

p

s

——转子转速与定子旋转磁场转速之间的转差率；

n

——电机转速，

r/min

。

由上式可知，对于一台电机来说，s和p都是固定不变的，只要平滑的调节其供电

频率

f

，就可以平滑的调节其转速，这是变频调速最基本的原理。

1.2变频调速系统的特性

通过变频器以后，使变频发生了变化，电压有什么变化呢？我们再看异步电机定子

绕组的感应电动势E的关系公式：

E

1

4.44k

r1

f

1

N

1



m

式中：

E

1

——气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值， V；

f

1

——定子频率，Hz；

N

1

——定子每相绕组串联匝数；

k

r1

——与绕组有关的结构常数；



m

——每极气隙磁通量，

W

b

。

上式中，

k

r1

、

N

1

对于同一台电机而言基本是常量，而定子每相感应电动势与电机

输入电压基本相等，所以：

V

1

E

1

kf

1



m

或



m



1

V

1

•

kf

1

式中：

k

——对于同一电机而言不变的比例系数。

由于电机的电压

V

1

不能大于额定电压

V

1N

，否则会烧坏绕组。因而当改变以后的频

率大于电机的额定频率（一般为50Hz）时，即在基频以上调速情况下，最多只能使

V

1

＝

V

1N

，即随着

f

1

的上升，气隙磁通



m

减弱，最大输出扭矩也减小，输出功率基本不变。

所以在基频以上调速，属于恒功率调速。

同样，气隙磁通



m

也不能大于额定的气隙磁通，否则会产生过大的励磁电流，使

电机的功率因素、效率下降，严重时也会因励磁电流过大而烧坏电机。因而当改变以后

的频率小于电机的额定频率（一般为50Hz）时，即在基频以下调速时，最多只能使



m

＝



mN

，即随着

f

1

的上升或下降，输入电压也同步上升或下降，即

基本不变，扭矩也恒定，属于恒扭矩调速。

V

1

＝常数。这时磁通

f

1

综上所述，变频调速系统中，变频器输出的频率

f

1

和电压

V

1

和电机的转速和扭矩之

间的关系曲线如图所示。

V

1

电压V1曲线

恒扭矩调速 恒功率调速

基频 f

， n

1

图9 变频调速输出曲线

1.3变频调速系统的主电路

交流AC 整流器 直流DC 逆变器 交流AC

R

S

380V

50H

Z

～

+ +

－ －

U

V

M

恒压恒频

（CVCF）

变压变频

（VVVF）

图10 变频调速系统的主电路示意图

变频器的主电路分为两大部分。一部分是整流器，它是将供电网上的380V、50Hz

的恒压恒频交流电经六个二极管整流电路，变成平均电压约513V的直流电。另一部分

是逆变器，它是将整流器输出的直流电重新转换成频率和电压可以调整的交流电，以驱

动电机。经过变频器输出的仍然是交流电，但是频率和电压按照我的要求发生变化的交

流电，所以本质上发生了变化。这种将交流转换成直流，再将直流转换成交流的变频器

叫做交——直——交变频器。

当然，为了使输出的频率和电压能满足我们的要求，必须有一套复杂的运算和控制

电路来控制逆变器。

1.4变频器各部分参数的相互关系

变频器调速系统各部分物理参数如图所示：

图11 变频器调速系统各部分物理参数示意图

a. 根据能量守恒原则，忽略各部分功率损耗的情况下，变频器的输入功率，直

流回路的功率，变频器的输出功率即电动机的输入功率，电动机轴上的输出

功率都是基本相同。

b. 在基频以下调频时，频率下降，负载转矩基本不随频率的下降而变化，各部

分的功率的变化情况分析如下

电机输出功率公式：

P

M



T

M

n

M

9550

式中：

P

M

—— 电动机轴的输出功率，kw；

T

M

—— 电动机的转矩，

N•m

；

n

M

——电动机的转速，

r/min

。

从中可以看出，功率随着电机转速即频率的下降而下降。

c. 随着输出频率的下降，输入端电压不变，频率不变，电流下降。直流回路的

电压不变，电流下降。输出端的电压下降，频率下降，电流基本不变。

1.5变频器的输出电流与张力变化的关系

电动机的输入功率：

P

M1

3V

M

I

M

cos



1

式中：

P

M

——变频器的输出功率，也是电动机的输入功率，kw；

V

M

——变频器的输出电压，也是电动机的输入线电压，V；

I

M

——变频器的输出线电流，也是电动机的输入线电流，A。

而电动机的输出功率：

P

M2



T

M

n

M

T

60f



M

(1s)

95509550p

忽略电动机的功率损耗，则：

P

M1

P

M2

即：

T

M

3V

M

I

M

cos



1



V

M

＝常数，所以：

T

M

KI

M

f

955p

60(1s)f

因为：

即转矩的大小正比于电机的线电流，我们可以借助于这一规律，通过调节电机的电

流来调节扭矩。

进一步分析如下：

T

M

减

速

T

L

ΔT

图12 扭矩与张力的关系

减速机输出扭矩

T

L

：

T

L

iT

M

式中：

i

——减速箱减速比。

对张力辊或卷扬机而言，带钢获得的张力差

T

：

T

T

L

2T



L

1

D

D

2

式中：D——张力辊辊径或卷扬机卷筒直径。

这就说明，通过调节电机的电流，进而可以调节带钢张力增加或减少的数值。

1.6共同直流母排的优越性

一条生产线驱动用的电机很多，需要很多的变频器，可以使用专用直流母排的方案，

统一将网上的交流电转换成直流电后再分配到各个变频器中，如图13所示。

380V

50H

Z

～

+

整流器

逆

变

I

开

逆

变

……

逆

变

I

卷

M

M

M

开卷机电机 1#张紧辊电机 卷

图13生产线电机共同直流母排示意图

这里的变频器其实只是变频器的逆变频部分，因而这种方案使设备变得更为简单。

更重要的一点，镀锌线正常运行时部分电机处于电动状态（如卷取机），部分电机处于发

电状态（如开卷机），这样发电机就可以给电动机提供电能，减少从网上消耗的电能，形

成电能的内部循环，节省整体的电力消耗。

2. 矢量控制基本原理

2.1传动系统的机械特性

在电机驱动系统中，一般负载转矩的变化会引起电机转速的变化，负载扭矩增加，

会引起电机转速的下降，而负载扭矩的减小也会引起电机转速的上升。这种电机转速最

负载扭矩变化而变化的关系

nf(T)

的曲线称为电机的机械特性。而转速随负载扭矩变

化的程度被称之为“硬度”。

如图14所示，当负载转矩从

T

L1

增加到

T

L2

时，系统的转速由

n

1

减小为

n

2

，但减小

的幅度不大，称之为硬特性。如果在同样的负载转矩变化中，系统的转速变化很大，则

称之为软特性。

直流同步电机和机械特性很硬，所以最早用于钢铁连续生产线。而在无变频调速系

统控制时，交流电机的机械特性较软，只有通过变频调速控制，才能满足连续生产线传

动的需要。

a 较硬的机械特性 b 较软的机械特性

图14 传动系统的机械特性

2.2变频调速的PID调节

为改善交流电机在调速过程中的机械特性和调速特性，就必须采取一定的控制方式。

一般来说，镀锌线采用的都是有反馈矢量控制方式，即是带有速度反馈的闭环控制模式。

什么叫闭环控制呢？虽然我们给变频器发出了达到一定转速的指令（

n

T

），变频器

也按照这个指令去做了，但做的效果如何，即实际电机的转速是多少，不一定就是我们

发出指令的数据，总会有一个偏差值，我们采用编码器测出电机的实际转速（

n

F

），再

与我们所需要的转速相比较，得出的差值（

n

T

－

n

F

）再输入到控制系统中去，便形成

了闭合的控制回路，称之为闭环控制系统，闭环控制的目的就是使偏差值（

n

T

－

n

F

）

趋于零。

K

P

（n

T

—n

F

）

设定转速n

T

变频器 电 机

编码器

反 馈

图15闭环控制系统示意图

但如果我们直接将偏差值（

n

T

－

n

F

）输入到变频器中，由于最终（

n

T

－

n

F

）≈0，

必将使变频器的输出频率为零，电机反而停转。所以我们必须将差值放大

k

p

倍后再作为

给定信号输入，这种调节方式叫P调节。

n

G

k

p

（

n

T

－

n

F

）

式中：

n

G

——变频器的频率给定信号；

k

p

——放大倍数（又叫比例增益）；

n

T

——目标转速；

n

F

——编码器测出的实际转速。

我们把调节后稳态时的目标转速与实际转速的误差叫偏差或静差（



）。显然放大倍

数越大，静差越小，但放大倍数过大，则会引起“超调”，即调过了头，于是又反过来调

小，再次“超调”，反覆震荡后才趋于目标值。

图16

PID调节输出量随时间变化曲线

为消除控制系统的震荡，又增加了积分环节（I）调节。有了I调节以后使实际转速

n

F

逐步接近目标转速而不致超调，如图14所示。这种调节叫PI调节。但因积分时间太

长，当目标值

n

T

急剧变化时，又会出现实际转速

n

F

不能及时变化的情况。

为了克服PI调节时间太长的问题，可以增加微分环节（D）调节，提前给出较大的

调节动作，从而缩短了调节时间，这样的调节叫做PID调节。不过，一般镀锌线只要PI

调节就够了，而在炉区参数控制中会有PID调节。

2.3矢量控制系统原理

不但有数值的大小，而且有方向性的量叫矢量。在异步电动机控制中的磁通、磁通

势、电流、电压等不但有大小，而且都有方向，甚至有的方向在不断的变化，所以都是

矢量。

直流电机有两个独立的定子绕组和转子绕组，即励磁电路和电枢电路是相互独立的，

可以分开控制，所以控制其转速或扭矩很方便。而交流异步电机只有定子绕组，励磁电

流和转矩电流都包含在定子电流内，所以控制很复杂。

通过建立数学模型，可以将交流异步电机的矢量经过坐标变换，从而等效成直流电

机，即将异步电机的定子矢量转换成产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产

生转矩的电流分量（转矩电流），并模仿直流电机的控制方法分别加以控制，然后再经相

互的坐标反复换，将此信号控制变频器，就可以输出异步电动机调速所需的变频电流。

2.4双闭环控制系统

为了分别控制生产线的速度和张力，一般电机均采用双闭环控制系统。

内环电流调节环

转矩电流

转速PID

外环转速调节环

变码器

转矩

幅器限

电流PID

调节器

指令

逆变桥

电

调节器

实际转速反馈

图17 双闭环控制系统

实现了转速和电流两种负反馈控制，再系统中设置了转速PID自动调节器和电流

PID自动调节器，两者之间实现串联。即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，

再用电流调节器的输出去控制逆变桥晶闸管的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环

在里面，叫内环；转速调节环在外面，叫外环。

转速调节和电流调节在生产线上就是速度控制模式和张力控制模式。对于张力辊，

采用张力控制模式，这时人为的将转速自动调节器处于饱和状态，不起调节作用，而将

所需要产生的张力折算成额定转矩的百分比，作为转矩限幅器的限幅给定。对于速度基

准辊，采用速度控制模式，将所需要的带钢线速度折算成电机额定转速的百分比，作为

转速调节器的速度给定，并同时将所需要产生的张力折算成电机额定转矩的百分比，作

为转矩限幅器的限幅给定。

张力辊在未建张爬行时开卷机在未建张送板时，也是速度控制模式。工作在哪一种

模式由程序控制系统自动进行切换。

3. 镀锌线主要驱动控制模式

镀锌线除了张紧辊的两种主要控制模式之外，部分设备的控制还有其特点。

3.1开卷机张力控制

开卷机的转速给定为实际转速和额定转速的百分比，由带钢线速度计算出，如下：

n

k



v•i

100%

D•n

e

式中：

n

k

——开卷机转速给定，％；

v

——带钢线速度，m/min；

i

——传统系统的速比；

D——钢卷直径，m；

n

e

——开卷机电机的额定转速，r/min。

开卷机的转矩给定为实际转矩和额定转矩的百分比，由带钢的张力计算出，如下：

T

R



TD

100%

2iT

e

式中：

T

R

——开卷机的转矩给定，％；

T

——带钢张力，N；

T

e

——开卷机电机的额定转矩，

N•m

。

开卷机的转矩补偿包括空载转矩和加速时的动态力矩，可由实测得到。值得特别提

出的是，上述计算中都与卷径有关，而实际运行中卷径是在不断变化的，因而必须使用

专门计算模块，一般是配置T400工艺板，PLC将初始卷径、带钢厚度、速度反馈值等

数据送入T400，它就能自动计算出某一时刻的卷径，从而实现卷径变化时张力的恒定控

制。

3.2活套张力控制系统

活套的转速给定和转矩给定可参照开卷机的公式计算，所不同的是速度给定必须除

以带钢层数，而转矩给定必须乘以带钢层数。另外，活套按卷扬机卷筒的直径计算，是

不变的。

活套的转矩补偿有两种方法，一种是实测闭环控制，一种是综合计算。由于活套内

带钢较长，且活套张力波动较大，精确的控制模式是闭环控制，即在活套层数一半的转

向辊下面安装一只张力传感器，计算出活套的实际张力，并与设定值进行比较，计算出

差值，通过PI调节器运算后作为偏差值补偿输入控制系统。综合计算法是增加一块T400

工艺板，综合计算摩擦附加转矩、带钢重量附加转矩、动态惯量附加转矩等参数。

活套大部分情况处于储量保持状态，电机不转动，但仍能准确的输出扭矩，这是一

种零频率下的扭矩输出。是在矢量控制之下才可以实现的，与无变频异步电机的堵转状

态有根本性的区别。

3.3炉内张力控制系统

炉内张力必须精确控制，因而都采取特殊的调节办法。

新大中采用的是跳跃辊和3号张力辊联动的办法。跳跃辊是恒张力控制模式，根据

工艺要求输出一定的扭矩。在炉内张力发生波动的情况下，如炉内张力大于跳动辊输出

的扭矩，则带钢拉动跳动辊向上移动，这时位置传感器给3号S辊一个信号，3号S辊

输出扭矩加大，由于炉内张力是活套张力与3号S辊的张力之差，所以炉内张力减小，

跳动辊电机驱动跳动辊向下移动恢复到正常状态。反之益然。

目前新设计的生产线大多不用跳动辊，而直接使用一只三辊张力测量装置，将测量

的结果反馈到3号S辊，调节的原理与上面一样。

这样，3号S辊的速度和张力都是不断变化的，所以既不是自身的恒速度控制，也

不是自身的恒张力控制，而是恒炉内张力控制，反映到外部表现就是炉内张力稳了，而

3号S辊的电流和频率都在不断的变化。

1

9

8

7

炉 区

6

控制系

信号传递

3

前处理

5

1

2

1—3

#

张力辊 2 3 4 —转向辊 5—跳动辊 6—齿条 7—传感器

速箱

10—变频调速电机

图18 跳动辊调节炉内张力示意图

在炉内等处带钢在自重作用下的下垂度可由以下公式计算：

h

L

2

W

8T

式中：h —— 钢带的下垂度，mm；

L —— 自由下垂段的水平距离，mm；

W —— 带钢的比重（7.85）；

T —— 带钢张力，kg。

4

8—齿轮 9—减

L

图19 带钢自由下垂量

3.4卷取张力控制

与开卷一样，卷取张力也必须采取恒张力卷取，不随卷厚的变化而变化。但为了既

防止张力小了造成塌卷的缺陷，又防止张力大了造成鸡心卷的缺陷，可采用内紧外松的

卷取方式，即在内部50～100mm厚的内芯处将张力提高到平均张力的1.5倍，然后再

采取恒张力卷取。

张力

1.5T

T T

50~100 150~200 卷

图20 带锥度的张力曲线

4. 张力的损耗及功率计算

以上的计算中都没有考虑张力的损耗，其实在计算时还必须考虑这方面的因素。

4.1张力的摩擦损耗

对于有动力的开卷机、张紧辊等张力的摩擦损耗

T

L

可以通过空载时的电流或扭矩计

算出来，而被动辊只能靠经验估算。

下面是一组经验数据：

开卷机或卷取机在无钢卷时：5kg

开卷机或卷取机有最大钢卷时：100～200kg

有驱动的转向辊：20～25kg

无驱动的转向辊：3～5kg

沉没辊＋两只稳定辊：100～200kg

4.2带钢折弯张力损耗

带钢在辊子上折弯并包住辊子会消耗一定的张力，单只辊子在180°折弯时的计算公

式如下：

弹性折弯张力损耗：

T

L



塑性折弯张力损耗：



s

t

2

b

3D

T

L



式中：

T

L

——折弯张力损耗，kg；



s

t

2

b

2D



s

——带钢的屈服强度，

kg/mm

2

；

t

——带钢的厚度，mm；

b

——带钢的宽度，mm；

D

——辊子的直径，mm。

注意：在计算某个区域点的带钢折弯张力损耗时，必须考虑所有辊子。90°折弯约为

180°折弯的1/3。

4.3 驱动功率计算

开卷机、卷取机、张力辊所需的驱动电机选择可以根据最大张力所需的扭矩以及各

种扭矩损失之和确定所需额定扭矩，也可通过最大张力和张力损耗计算出的张力总和与

生产线速度确定最大功率。

P

W

T

总

v

式中：

P

W

——所需的电机功率，kw；

T

总

——带钢获得的张力以及损耗掉的张力总和，N；

v

——带钢线速度，m/min。

2024年9月7日发(作者：历慕凝)

镀锌生产线张力驱动控制基础

生产线带钢的张力来源于电机的驱动，正是在电机的驱动下，各个辊子的速度不同，

前面辊子的速度大于后面辊子的速度，才使带钢绷紧，即有了张力。所以必须从电机驱

动知识入手，才能完全掌握张力控制的真谛，灵活自如的调整生产线张力，达到既保证

产品质量又保证设备正常运转的最佳状态。

1. 变频调速技术简介

以前的生产线都是采用直流驱动，那是因为当时的驱动技术只能对直流电机实现调

频调压控制，使电机的转速和输出力矩按照生产线工艺要求调整，而交流电机只能在

50Hz工频下按一定的速度运转。但直流电机体积大、结构复杂、维修费用高，给生产线

的管理和运行成本带来很大的影响。

目前，随着变频调速技术的发展，特别是矢量控制技术的成熟，使交流异步电动机

全面取代了直流电机，使用到各种连续运行的生产线中。矢量控制的交流变频电机与传

统的直流电机相比，不但结构紧凑、维修费用小，而且其机械特性、调速精度都可以与

直流电机相媲美。

1.1交流异步电机变频调速原理

交流异步电机的转速公式为：

n(1s)

式中：

f

—— 定子供电的频率，Hz；

p

——定子线圈磁极对数；

60f

p

s

——转子转速与定子旋转磁场转速之间的转差率；

n

——电机转速，

r/min

。

由上式可知，对于一台电机来说，s和p都是固定不变的，只要平滑的调节其供电

频率

f

，就可以平滑的调节其转速，这是变频调速最基本的原理。

1.2变频调速系统的特性

通过变频器以后，使变频发生了变化，电压有什么变化呢？我们再看异步电机定子

绕组的感应电动势E的关系公式：

E

1

4.44k

r1

f

1

N

1



m

式中：

E

1

——气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值， V；

f

1

——定子频率，Hz；

N

1

——定子每相绕组串联匝数；

k

r1

——与绕组有关的结构常数；



m

——每极气隙磁通量，

W

b

。

上式中，

k

r1

、

N

1

对于同一台电机而言基本是常量，而定子每相感应电动势与电机

输入电压基本相等，所以：

V

1

E

1

kf

1



m

或



m



1

V

1

•

kf

1

式中：

k

——对于同一电机而言不变的比例系数。

由于电机的电压

V

1

不能大于额定电压

V

1N

，否则会烧坏绕组。因而当改变以后的频

率大于电机的额定频率（一般为50Hz）时，即在基频以上调速情况下，最多只能使

V

1

＝

V

1N

，即随着

f

1

的上升，气隙磁通



m

减弱，最大输出扭矩也减小，输出功率基本不变。

所以在基频以上调速，属于恒功率调速。

同样，气隙磁通



m

也不能大于额定的气隙磁通，否则会产生过大的励磁电流，使

电机的功率因素、效率下降，严重时也会因励磁电流过大而烧坏电机。因而当改变以后

的频率小于电机的额定频率（一般为50Hz）时，即在基频以下调速时，最多只能使



m

＝



mN

，即随着

f

1

的上升或下降，输入电压也同步上升或下降，即

基本不变，扭矩也恒定，属于恒扭矩调速。

V

1

＝常数。这时磁通

f

1

综上所述，变频调速系统中，变频器输出的频率

f

1

和电压

V

1

和电机的转速和扭矩之

间的关系曲线如图所示。

V

1

电压V1曲线

恒扭矩调速 恒功率调速

基频 f

， n

1

图9 变频调速输出曲线

1.3变频调速系统的主电路

交流AC 整流器 直流DC 逆变器 交流AC

R

S

380V

50H

Z

～

+ +

－ －

U

V

M

恒压恒频

（CVCF）

变压变频

（VVVF）

图10 变频调速系统的主电路示意图

变频器的主电路分为两大部分。一部分是整流器，它是将供电网上的380V、50Hz

的恒压恒频交流电经六个二极管整流电路，变成平均电压约513V的直流电。另一部分

是逆变器，它是将整流器输出的直流电重新转换成频率和电压可以调整的交流电，以驱

动电机。经过变频器输出的仍然是交流电，但是频率和电压按照我的要求发生变化的交

流电，所以本质上发生了变化。这种将交流转换成直流，再将直流转换成交流的变频器

叫做交——直——交变频器。

当然，为了使输出的频率和电压能满足我们的要求，必须有一套复杂的运算和控制

电路来控制逆变器。

1.4变频器各部分参数的相互关系

变频器调速系统各部分物理参数如图所示：

图11 变频器调速系统各部分物理参数示意图

a. 根据能量守恒原则，忽略各部分功率损耗的情况下，变频器的输入功率，直

流回路的功率，变频器的输出功率即电动机的输入功率，电动机轴上的输出

功率都是基本相同。

b. 在基频以下调频时，频率下降，负载转矩基本不随频率的下降而变化，各部

分的功率的变化情况分析如下

电机输出功率公式：

P

M



T

M

n

M

9550

式中：

P

M

—— 电动机轴的输出功率，kw；

T

M

—— 电动机的转矩，

N•m

；

n

M

——电动机的转速，

r/min

。

从中可以看出，功率随着电机转速即频率的下降而下降。

c. 随着输出频率的下降，输入端电压不变，频率不变，电流下降。直流回路的

电压不变，电流下降。输出端的电压下降，频率下降，电流基本不变。

1.5变频器的输出电流与张力变化的关系

电动机的输入功率：

P

M1

3V

M

I

M

cos



1

式中：

P

M

——变频器的输出功率，也是电动机的输入功率，kw；

V

M

——变频器的输出电压，也是电动机的输入线电压，V；

I

M

——变频器的输出线电流，也是电动机的输入线电流，A。

而电动机的输出功率：

P

M2



T

M

n

M

T

60f



M

(1s)

95509550p

忽略电动机的功率损耗，则：

P

M1

P

M2

即：

T

M

3V

M

I

M

cos



1



V

M

＝常数，所以：

T

M

KI

M

f

955p

60(1s)f

因为：

即转矩的大小正比于电机的线电流，我们可以借助于这一规律，通过调节电机的电

流来调节扭矩。

进一步分析如下：

T

M

减

速

T

L

ΔT

图12 扭矩与张力的关系

减速机输出扭矩

T

L

：

T

L

iT

M

式中：

i

——减速箱减速比。

对张力辊或卷扬机而言，带钢获得的张力差

T

：

T

T

L

2T



L

1

D

D

2

式中：D——张力辊辊径或卷扬机卷筒直径。

这就说明，通过调节电机的电流，进而可以调节带钢张力增加或减少的数值。

1.6共同直流母排的优越性

一条生产线驱动用的电机很多，需要很多的变频器，可以使用专用直流母排的方案，

统一将网上的交流电转换成直流电后再分配到各个变频器中，如图13所示。

380V

50H

Z

～

+

整流器

逆

变

I

开

逆

变

……

逆

变

I

卷

M

M

M

开卷机电机 1#张紧辊电机 卷

图13生产线电机共同直流母排示意图

这里的变频器其实只是变频器的逆变频部分，因而这种方案使设备变得更为简单。

更重要的一点，镀锌线正常运行时部分电机处于电动状态（如卷取机），部分电机处于发

电状态（如开卷机），这样发电机就可以给电动机提供电能，减少从网上消耗的电能，形

成电能的内部循环，节省整体的电力消耗。

2. 矢量控制基本原理

2.1传动系统的机械特性

在电机驱动系统中，一般负载转矩的变化会引起电机转速的变化，负载扭矩增加，

会引起电机转速的下降，而负载扭矩的减小也会引起电机转速的上升。这种电机转速最

负载扭矩变化而变化的关系

nf(T)

的曲线称为电机的机械特性。而转速随负载扭矩变

化的程度被称之为“硬度”。

如图14所示，当负载转矩从

T

L1

增加到

T

L2

时，系统的转速由

n

1

减小为

n

2

，但减小

的幅度不大，称之为硬特性。如果在同样的负载转矩变化中，系统的转速变化很大，则

称之为软特性。

直流同步电机和机械特性很硬，所以最早用于钢铁连续生产线。而在无变频调速系

统控制时，交流电机的机械特性较软，只有通过变频调速控制，才能满足连续生产线传

动的需要。

a 较硬的机械特性 b 较软的机械特性

图14 传动系统的机械特性

2.2变频调速的PID调节

为改善交流电机在调速过程中的机械特性和调速特性，就必须采取一定的控制方式。

一般来说，镀锌线采用的都是有反馈矢量控制方式，即是带有速度反馈的闭环控制模式。

什么叫闭环控制呢？虽然我们给变频器发出了达到一定转速的指令（

n

T

），变频器

也按照这个指令去做了，但做的效果如何，即实际电机的转速是多少，不一定就是我们

发出指令的数据，总会有一个偏差值，我们采用编码器测出电机的实际转速（

n

F

），再

与我们所需要的转速相比较，得出的差值（

n

T

－

n

F

）再输入到控制系统中去，便形成

了闭合的控制回路，称之为闭环控制系统，闭环控制的目的就是使偏差值（

n

T

－

n

F

）

趋于零。

K

P

（n

T

—n

F

）

设定转速n

T

变频器 电 机

编码器

反 馈

图15闭环控制系统示意图

但如果我们直接将偏差值（

n

T

－

n

F

）输入到变频器中，由于最终（

n

T

－

n

F

）≈0，

必将使变频器的输出频率为零，电机反而停转。所以我们必须将差值放大

k

p

倍后再作为

给定信号输入，这种调节方式叫P调节。

n

G

k

p

（

n

T

－

n

F

）

式中：

n

G

——变频器的频率给定信号；

k

p

——放大倍数（又叫比例增益）；

n

T

——目标转速；

n

F

——编码器测出的实际转速。

我们把调节后稳态时的目标转速与实际转速的误差叫偏差或静差（



）。显然放大倍

数越大，静差越小，但放大倍数过大，则会引起“超调”，即调过了头，于是又反过来调

小，再次“超调”，反覆震荡后才趋于目标值。

图16

PID调节输出量随时间变化曲线

为消除控制系统的震荡，又增加了积分环节（I）调节。有了I调节以后使实际转速

n

F

逐步接近目标转速而不致超调，如图14所示。这种调节叫PI调节。但因积分时间太

长，当目标值

n

T

急剧变化时，又会出现实际转速

n

F

不能及时变化的情况。

为了克服PI调节时间太长的问题，可以增加微分环节（D）调节，提前给出较大的

调节动作，从而缩短了调节时间，这样的调节叫做PID调节。不过，一般镀锌线只要PI

调节就够了，而在炉区参数控制中会有PID调节。

2.3矢量控制系统原理

不但有数值的大小，而且有方向性的量叫矢量。在异步电动机控制中的磁通、磁通

势、电流、电压等不但有大小，而且都有方向，甚至有的方向在不断的变化，所以都是

矢量。

直流电机有两个独立的定子绕组和转子绕组，即励磁电路和电枢电路是相互独立的，

可以分开控制，所以控制其转速或扭矩很方便。而交流异步电机只有定子绕组，励磁电

流和转矩电流都包含在定子电流内，所以控制很复杂。

通过建立数学模型，可以将交流异步电机的矢量经过坐标变换，从而等效成直流电

机，即将异步电机的定子矢量转换成产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产

生转矩的电流分量（转矩电流），并模仿直流电机的控制方法分别加以控制，然后再经相

互的坐标反复换，将此信号控制变频器，就可以输出异步电动机调速所需的变频电流。

2.4双闭环控制系统

为了分别控制生产线的速度和张力，一般电机均采用双闭环控制系统。

内环电流调节环

转矩电流

转速PID

外环转速调节环

变码器

转矩

幅器限

电流PID

调节器

指令

逆变桥

电

调节器

实际转速反馈

图17 双闭环控制系统

实现了转速和电流两种负反馈控制，再系统中设置了转速PID自动调节器和电流

PID自动调节器，两者之间实现串联。即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，

再用电流调节器的输出去控制逆变桥晶闸管的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环

在里面，叫内环；转速调节环在外面，叫外环。

转速调节和电流调节在生产线上就是速度控制模式和张力控制模式。对于张力辊，

采用张力控制模式，这时人为的将转速自动调节器处于饱和状态，不起调节作用，而将

所需要产生的张力折算成额定转矩的百分比，作为转矩限幅器的限幅给定。对于速度基

准辊，采用速度控制模式，将所需要的带钢线速度折算成电机额定转速的百分比，作为

转速调节器的速度给定，并同时将所需要产生的张力折算成电机额定转矩的百分比，作

为转矩限幅器的限幅给定。

张力辊在未建张爬行时开卷机在未建张送板时，也是速度控制模式。工作在哪一种

模式由程序控制系统自动进行切换。

3. 镀锌线主要驱动控制模式

镀锌线除了张紧辊的两种主要控制模式之外，部分设备的控制还有其特点。

3.1开卷机张力控制

开卷机的转速给定为实际转速和额定转速的百分比，由带钢线速度计算出，如下：

n

k



v•i

100%

D•n

e

式中：

n

k

——开卷机转速给定，％；

v

——带钢线速度，m/min；

i

——传统系统的速比；

D——钢卷直径，m；

n

e

——开卷机电机的额定转速，r/min。

开卷机的转矩给定为实际转矩和额定转矩的百分比，由带钢的张力计算出，如下：

T

R



TD

100%

2iT

e

式中：

T

R

——开卷机的转矩给定，％；

T

——带钢张力，N；

T

e

——开卷机电机的额定转矩，

N•m

。

开卷机的转矩补偿包括空载转矩和加速时的动态力矩，可由实测得到。值得特别提

出的是，上述计算中都与卷径有关，而实际运行中卷径是在不断变化的，因而必须使用

专门计算模块，一般是配置T400工艺板，PLC将初始卷径、带钢厚度、速度反馈值等

数据送入T400，它就能自动计算出某一时刻的卷径，从而实现卷径变化时张力的恒定控

制。

3.2活套张力控制系统

活套的转速给定和转矩给定可参照开卷机的公式计算，所不同的是速度给定必须除

以带钢层数，而转矩给定必须乘以带钢层数。另外，活套按卷扬机卷筒的直径计算，是

不变的。

活套的转矩补偿有两种方法，一种是实测闭环控制，一种是综合计算。由于活套内

带钢较长，且活套张力波动较大，精确的控制模式是闭环控制，即在活套层数一半的转

向辊下面安装一只张力传感器，计算出活套的实际张力，并与设定值进行比较，计算出

差值，通过PI调节器运算后作为偏差值补偿输入控制系统。综合计算法是增加一块T400

工艺板，综合计算摩擦附加转矩、带钢重量附加转矩、动态惯量附加转矩等参数。

活套大部分情况处于储量保持状态，电机不转动，但仍能准确的输出扭矩，这是一

种零频率下的扭矩输出。是在矢量控制之下才可以实现的，与无变频异步电机的堵转状

态有根本性的区别。

3.3炉内张力控制系统

炉内张力必须精确控制，因而都采取特殊的调节办法。

新大中采用的是跳跃辊和3号张力辊联动的办法。跳跃辊是恒张力控制模式，根据

工艺要求输出一定的扭矩。在炉内张力发生波动的情况下，如炉内张力大于跳动辊输出

的扭矩，则带钢拉动跳动辊向上移动，这时位置传感器给3号S辊一个信号，3号S辊

输出扭矩加大，由于炉内张力是活套张力与3号S辊的张力之差，所以炉内张力减小，

跳动辊电机驱动跳动辊向下移动恢复到正常状态。反之益然。

目前新设计的生产线大多不用跳动辊，而直接使用一只三辊张力测量装置，将测量

的结果反馈到3号S辊，调节的原理与上面一样。

这样，3号S辊的速度和张力都是不断变化的，所以既不是自身的恒速度控制，也

不是自身的恒张力控制，而是恒炉内张力控制，反映到外部表现就是炉内张力稳了，而

3号S辊的电流和频率都在不断的变化。

1

9

8

7

炉 区

6

控制系

信号传递

3

前处理

5

1

2

1—3

#

张力辊 2 3 4 —转向辊 5—跳动辊 6—齿条 7—传感器

速箱

10—变频调速电机

图18 跳动辊调节炉内张力示意图

在炉内等处带钢在自重作用下的下垂度可由以下公式计算：

h

L

2

W

8T

式中：h —— 钢带的下垂度，mm；

L —— 自由下垂段的水平距离，mm；

W —— 带钢的比重（7.85）；

T —— 带钢张力，kg。

4

8—齿轮 9—减

L

图19 带钢自由下垂量

3.4卷取张力控制

与开卷一样，卷取张力也必须采取恒张力卷取，不随卷厚的变化而变化。但为了既

防止张力小了造成塌卷的缺陷，又防止张力大了造成鸡心卷的缺陷，可采用内紧外松的

卷取方式，即在内部50～100mm厚的内芯处将张力提高到平均张力的1.5倍，然后再

采取恒张力卷取。

张力

1.5T

T T

50~100 150~200 卷

图20 带锥度的张力曲线

4. 张力的损耗及功率计算

以上的计算中都没有考虑张力的损耗，其实在计算时还必须考虑这方面的因素。

4.1张力的摩擦损耗

对于有动力的开卷机、张紧辊等张力的摩擦损耗

T

L

可以通过空载时的电流或扭矩计

算出来，而被动辊只能靠经验估算。

下面是一组经验数据：

开卷机或卷取机在无钢卷时：5kg

开卷机或卷取机有最大钢卷时：100～200kg

有驱动的转向辊：20～25kg

无驱动的转向辊：3～5kg

沉没辊＋两只稳定辊：100～200kg

4.2带钢折弯张力损耗

带钢在辊子上折弯并包住辊子会消耗一定的张力，单只辊子在180°折弯时的计算公

式如下：

弹性折弯张力损耗：

T

L



塑性折弯张力损耗：



s

t

2

b

3D

T

L



式中：

T

L

——折弯张力损耗，kg；



s

t

2

b

2D



s

——带钢的屈服强度，

kg/mm

2

；

t

——带钢的厚度，mm；

b

——带钢的宽度，mm；

D

——辊子的直径，mm。

注意：在计算某个区域点的带钢折弯张力损耗时，必须考虑所有辊子。90°折弯约为

180°折弯的1/3。

4.3 驱动功率计算

开卷机、卷取机、张力辊所需的驱动电机选择可以根据最大张力所需的扭矩以及各

种扭矩损失之和确定所需额定扭矩，也可通过最大张力和张力损耗计算出的张力总和与

生产线速度确定最大功率。

P

W

T

总

v

式中：

P

W

——所需的电机功率，kw；

T

总

——带钢获得的张力以及损耗掉的张力总和，N；

v

——带钢线速度，m/min。