安鋼爐卷軋機卷軋張力控制

馮傳兵

（安陽鋼鐵股份有限公司 第二煉軋廠，河南 安陽455004）

1 引言

安鋼爐卷生產(chǎn)線主體機械設(shè)備引進達涅利公司技術(shù)，電氣控制由TMEIC公司設(shè)計完成。軋機為單機架4輥可逆軋機，在4輥軋機的兩側(cè)布置了2個卷取爐，其主要作用為在可逆卷取軋制過程中，對軋件進行保溫。每個爐子中都有一個卷筒來卷取鋼卷，另外每個爐子還配有夾送輥、偏導(dǎo)輥、穿帶門和裙板。夾送輥被用來將軋件喂入軋機和在卷取軋制的過程中起偏導(dǎo)輥的作用。另外當(dāng)軋機進行反向軋制時夾送輥被用來夾住鋼帶的尾部，然后按照反向軋制的方向?qū)⑵湮谷胲垯C為下一個軋制道次做好準(zhǔn)備。偏導(dǎo)輥的作用就是引導(dǎo)夾送輥和卷筒之間的帶鋼以減少帶鋼自身的振動。穿帶門裙板引導(dǎo)軋件進出卷取爐。

2 卷軋工藝

軋件厚度小于25mm時，可以進行卷取軋制。軋件進軋機前，卷側(cè)卷筒槽口定位，軋件以適合穿帶的速度經(jīng)穿帶門、裙板進入卷筒槽口1m后，卷筒啟動進入同步過程，加速到比軋件速度略大的速度，同步過程消除帶鋼內(nèi)的松弛以防止帶鋼在第一圈卷入時被扯出卷筒的狹槽，并能保持穿帶長度一定。卷取一圈后，傳動系統(tǒng)由速度控制模式切換到轉(zhuǎn)矩控制模式。軋機、夾送輥、偏導(dǎo)輥和卷筒加速到正常軋制速度，張力保持恒定。放卷側(cè)卷筒上帶鋼長度小于0.5m時，放卷側(cè)卷筒傳動系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩控制模式切換到速度控制模式，板尾離軋機8m時，軋機、夾送輥、偏導(dǎo)輥和卷筒減速，下發(fā)較小的張力給定，拋鋼后卷側(cè)卷筒傳動系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩控制模式切換到速度控制模式，板尾出軋機后停在合適的位置，卷側(cè)變?yōu)榉啪韨?cè)，然后軋機和卷取爐卷筒等反轉(zhuǎn)，以同樣的節(jié)奏進行逆向道次的軋制，軋機咬鋼后放卷側(cè)卷筒傳動系統(tǒng)由速度控制模式切換到轉(zhuǎn)矩控制模式。

3 張力控制

二級RFS張力模型計算卷取爐卷筒的張力給定，機前機后卷筒有各自的張力給定。

一級控制器進行張力控制，計算施加到卷筒電機的轉(zhuǎn)矩，在帶鋼上產(chǎn)生合適的張力。二級將張力給定和鋼板彎曲應(yīng)力發(fā)送給一級控制器，一級控制器將張力給定和張力損失折算成轉(zhuǎn)矩給定發(fā)送到傳動系統(tǒng)，張力損失包括彎曲損失，加減速損失和摩擦力損失。

3.1 帶鋼張力轉(zhuǎn)矩

帶鋼張力轉(zhuǎn)矩為

式中：F為卷取張力，N；R為鋼卷半徑，m；TB為使鋼卷塑性彎曲的變形力矩，N·m；i為減速比；δs為鋼板屈服極限，MPa；b為鋼板寬度，mm；h為鋼板厚度，mm。

3.2 加減速轉(zhuǎn)矩

卷筒在啟動、制動和正常工作時，角速度發(fā)生變化，由于轉(zhuǎn)動慣量J的存在，會產(chǎn)生加減速轉(zhuǎn)矩。電機的加減速轉(zhuǎn)矩值為

式中：J 為轉(zhuǎn)動慣量，kg／mm2；ε為電機角加速度，rad／s2；g 為重力加速度。

轉(zhuǎn)動慣量J為

式中：J0為電機、卷筒和減速機折合到電機側(cè)的固定轉(zhuǎn)動慣量；J卷為鋼卷折合到電機側(cè)的轉(zhuǎn)動慣量；Ro為鋼卷外徑，m；Ri為鋼卷內(nèi)徑，m；ρ為鋼的密度，kg／m3；w 為鋼卷寬度，m；i為減速比。

使用帶鋼的線速度和卷筒電機的角速度反饋可計算出鋼卷的半徑。根據(jù)二級下發(fā)的帶鋼線速度給定和計算出的鋼卷半徑，可預(yù)估卷筒電機的角速度，對其微分得到電機的角加速度。

3.3 摩擦力補償轉(zhuǎn)矩

為了保持張力恒定應(yīng)當(dāng)考慮摩擦補償轉(zhuǎn)矩。隨著電機轉(zhuǎn)速升高，其摩擦力增加。為了保持鋼卷張力恒定，增加摩擦力補償。摩擦力補償轉(zhuǎn)矩為

式中：T0為靜摩擦轉(zhuǎn)矩（T0不變），N·m；n為電機角速度，r／min；k為補償轉(zhuǎn)矩常數(shù)，N·m；n0為電機最大角速度，r／min。

3.4 抑制隆起造成的振動

帶鋼進入卷筒槽內(nèi)，卷筒開始轉(zhuǎn)動時，由于帶鋼不能平滑地貼在卷筒上，會形成一個隆起，在軋機高速轉(zhuǎn)動時，這個隆起會引起軋機的振動，必須將振動控制在容許范圍內(nèi)。每次隆起與卷入的帶鋼接觸時，隆起處鋼卷直徑變大，電機減速然后回到正常速度，利用速度偏差的變化，在轉(zhuǎn)矩給定上加轉(zhuǎn)矩補償Tf來抑制振動。故電機的轉(zhuǎn)矩給定T為

如果傳動已切換到張力控制模式，在規(guī)定的時間內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩未達到給定值，一級控制器將會產(chǎn)生一個建立張力失敗的信號，觸發(fā)快停信號停止卷軋。

4 傳動張力控制

卷筒主傳動采用TMEIC公司TM70系列IEGT三電平變頻器，公用整流器連接機前、機后卷筒逆變器。卷筒電機為交流異步電動機，技術(shù)參數(shù)為：額定功率2 250kW，極數(shù)12極，額定電流783 A，額定電壓2 300V，轉(zhuǎn)速300／600（r／min），頻率30／60Hz。

4.1 IEGT變頻器

變頻器系統(tǒng)由控制柜、整流柜、逆變柜和水冷單元等組成。IEGT（注入增強柵晶體管）是一種新型低電壓觸發(fā)、高速可控通斷的電壓型元件，額定電壓4 500V，額定電流4 000A，功率單元模塊化設(shè)計，采用純水冷卻裝置，設(shè)備體積小，占用面積小，采用了功率電子控制專用的高性能微處理器（PP7），實現(xiàn)了快速響應(yīng)功能，三電平固定脈沖方式PWM控制技術(shù)的應(yīng)用，得到了更近似于正弦波的電壓輸出，減小了電源的高次諧波。

三電平IEGT整流器具有全逆變能力，功率因數(shù)可控制到1，使高次諧波電流最小，可以不予考慮高次諧波濾波和SVCS措施。三電平IEGT逆變器輸出電壓最大可達3.4kV，輸出電壓更近似于正弦波，減小了轉(zhuǎn)矩波動，可選用resolver等不同的速度傳感器，支持 TOSLINE－S20，Profibus，DeviceNet等傳輸方式，對同步電機和異步電機均可實現(xiàn)高精度矢量控制，速度控制精度為0.01%，速度控制響應(yīng)最大為ωc＝60rad／s，轉(zhuǎn)矩控制范圍為0～100%，控制精度無R2補償時為±10%，有R2補償時為±3%。

4.2 異步電機的矢量控制

逆變器采用了轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制，控制框圖見圖1。

圖1 控制框圖Fig.1 Control block diagram

逆變器接受一級控制器的命令完成卷筒的爬行、定位、速度和張力控制。一級控制器下發(fā)速度給定經(jīng)斜坡和限幅處理輸出到速度給定模型，該模型的輸出作為速度調(diào)節(jié)器的輸入。

4.2.1 速度控制

圖2 速度控制框圖Fig.2 Speed control block diagram

4.2.2 轉(zhuǎn)矩控制

圖3 傳動張力控制框圖Fig.3 Drive tension control block diagram

4.2.3 電流控制

電流控制包括有功轉(zhuǎn)矩電流iq和激磁電流id的控制。轉(zhuǎn)矩給定T＊r除以磁通得到有功轉(zhuǎn)矩電流給定i＊q，它與iq的反饋的偏差經(jīng)比例積分運算后加上感應(yīng)電壓補償、電感補償?shù)玫絨軸電壓給定E＊q。由速度給定可知磁通給定，根據(jù)磁通給定可知激磁電流給定I＊d，它與id的反饋的偏差經(jīng)比例積分運算后加上電感補償?shù)玫絛軸電壓給定E＊d。

4.2.4 電壓給定

由滑差頻率和resolver檢測的速度得到磁通角，E＊q和E＊d經(jīng)2／3坐標(biāo)變換，得到三相的電壓給定，PWM控制部分生成門級脈沖信號放大觸發(fā)IEGT。

5 結(jié)論

安鋼爐卷線自投產(chǎn)以來，卷筒傳動控制系統(tǒng)具有良好的快速性和穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)矩跟隨性能良好，卷軋張力穩(wěn)定在±10%以內(nèi)，有效避免了松卷、過緊等現(xiàn)象的發(fā)生，保證帶鋼的卷形良好。

［1］任禮維.林瑞光.電機與拖動基礎(chǔ)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，1994.