精軋機壓下直流電機勵磁控制改造

彭文明

作者通聯：太鋼集團臨汾鋼鐵公司中板廠電運作業區 山西臨汾市橋東街3# 041000

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一、存在的問題

臨鋼中板廠精軋機軋制鋼板的厚度控制采用奧鋼聯設計的TCS（集中控制系統），TCS 由APC（電動壓下自動控制）系統和AGC（液壓自動厚度控制）系統兩部分組成，TCS根據軋制規程算出軋制的目標厚度，發出命令，控制APC和AGC 系統。當軋機輥縫超過設定的液壓系統調整范圍后，TCS 發出壓下電機壓下命令，對軋機輥縫進行粗調，當輥縫達到一定值時，由AGC 系統對鋼板厚度精確控制。精軋機APC 系統粗調輥縫的功能，由西門子6RA70 整流裝置按照主、從控制方式同步拖動兩臺Z450-2A 直流電機（以下簡稱壓下電機）實現，TCS 系統通過PROFIBUS-DP 網絡控制6RA70 整流裝置驅動壓下電機運行，TCS 系統發出的電機抱閘啟動和停止命令，通過現場I/O 從站的繼電器控制壓下電機抱閘，完成打開和閉合動作。壓下電機控制原理見圖1，其中1KM1和2KM1 分別為抱閘接觸器線圈，線圈得電，抱閘動作，1P-是直流24V 電源M 端，AGC 從站輸出電源正（1P+）。

圖1 壓下電機控制原理簡圖

生產過程中，精軋機壓下電機勵磁線包頻繁燒損，僅2011年就燒損3次，造成精軋機停機17h，電機維修費用達17 萬元，嚴重影響生產。同時，由于壓下電機運行溫度高，只要空水冷卻器風機故障，必須停機更換風機，防止勵磁線包燒損。

二、精軋機壓下電機燒損原因分析

精軋機壓下電機采用空水冷卻器密閉循環的冷卻方式，空水冷卻器風機強迫電機內部空氣通過空水冷卻器的冷卻管流通，流通過程中，冷卻管中的水帶走空氣中的熱量，冬季空水冷卻器中的水溫約為23℃，夏季約為38℃。經實際測量，精軋壓下電機勵磁線包運行溫度高達126℃左右（冷卻器過濾的無紡布臟污時還達到175℃）。2012年12月，對壓下電機冷卻情況進行試驗，利用環境溫度為7℃的空氣直接冷卻電機內部2h 后，壓下電機勵磁線包溫度上升至110℃。可見使用最低溫度為23℃左右的空水冷卻器冷卻，勵磁線包溫度必然要高于110℃。對比粗軋機壓下電機，同樣工作在額定狀態，使用空水冷卻器冷卻，粗軋機壓下電機勵磁線包溫度只有40℃，據此判斷精軋機壓下電機存在嚴重質量問題。為保證精軋機安全穩定運行，可選用優質直流電機達到降低勵磁線包運行溫度的效果，但需要投資160 萬元左右，因此較經濟的方式是從控制方面入手，降低直流電機勵磁線包發熱。

三、改造方案

根據電機銘牌，精軋機壓下電機勵磁線包額定電流為24.8A，額定電壓220V，根據直流電阻發熱公式P=U×I×t，U——電壓，I——電流，t——通電時間，可從以下方面降低直流電機勵磁線包運行溫度。

（1）降低勵磁線電壓U。根據I=U/R，在一定溫度下，勵磁線包電阻為常數，電阻兩端電壓和電流成正比。因此，在溫度一定情況下，降低電流即等于降低電壓，只要確定了電流值，電壓值也隨之確定。由于直流電機勵磁線包形成磁場主要和電流有關，因此減低勵磁線包運行溫度的方法考慮從降低勵磁電流入手。

（2）降低勵磁電流I。精軋機壓下電機是他勵式直流電機，電樞回路和勵磁回路均由西門子6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列全數字緊湊型整流裝置供電。6RA70 裝置的電樞電源和勵磁電源相互獨立，勵磁電源是恒流源，電流I 設定好后就不再改變。根據歐姆定理，電壓隨著溫度變化引起的電阻值變化自動補償，不受人為控制。精軋機壓下電機負責拖動100 多噸的上輥系上下運動，為克服啟動慣量，對電機啟動轉矩要求較高，為保證電磁轉矩，精軋機壓下電機勵磁電流設定為電機額定值。因此降低勵磁電流，雖然可降低線包發熱溫度，但會造成電機輸出轉矩減小，輥系動作變慢，影響軋鋼速度。

（3）減少通電時間t。根據軋鋼工藝，鋼板在軋制過程中壓下電機停止工作，這就給切斷勵磁電流，減少勵磁電流通電時間提供了便利條件。為此，采用將精軋機壓下電機由電流恒定控制變為間歇性控制的方法，降低線包發熱溫度。這必須解決好以下問題：①軋機壓下運行過程必須保證勵磁正常，防止壓下電機在弱磁狀態下超高速運行。②勵磁電源頻繁啟動，不能影響電源壽命。

四、精軋機壓下電機勵磁間歇性供電

1.精軋機壓下電機勵磁電流控制

6RA70 整流裝置控制勵磁電流的方式（參數P082 確定）：①P082=0（內部勵磁未使用，如使用永磁電機或外部勵磁電源）。②P082=1（勵磁回路與主回路接觸器一起合閘）。當主回路接觸器閉合/打開時，勵磁脈沖使能/禁止，主接觸器開關閉合/打開開關信號通過端子37（6RA70 整流裝置CUD1 電路板端子，作用于控制字的第0 位）輸入到6RA70 整流裝置。③P082=2（勵磁電流通過裝置運行狀態進行控制）。裝置運行時，勵磁啟動；裝置停止運行時，勵磁延時減小到停機勵磁參數P257 設定值。延時時間通過P258 參數設置。④P082=3（勵磁電流恒定接）。

精軋壓下電機勵磁控制采用勵磁回路與主接觸器一起合閘的方式，通過端子37 控制勵磁的啟動和停止，端子37 連接PLC輸出繼電器的控制信號，由勵磁控制柜上的啟動和停止按鈕控制。按下勵磁啟動按鈕后，PLC 勵磁啟動繼電器得電并自保持，端子37 連接的繼電器常開點閉合，勵磁電流啟動；按下勵磁停止按鈕后，繼電器失電，勵磁斷開。利用繼電器的觸點代替主接觸器的輔助觸點控制勵磁電源接通和斷開。

由于精軋壓下電機勵磁電源通過繼電器控制，因此只要對繼電器進行間歇性控制，就能達到間歇控制勵磁電流的目的。

2.精軋機壓下電機勵磁間歇性供電實現

（1）電氣接線改進。為在壓下電機運行前使勵磁電流達到額定值，防止壓下電機在弱磁狀態下超高速運行。勵磁控制繼電器的得電啟動勵磁需要比壓下電機啟動命令有一個提前量，即在壓下電機啟動命令發出前先發勵磁啟動命令。

分析精軋機控制過程，精軋機壓下電機抱閘啟動的時間比壓下電機運行早700ms，而且每次壓下電機運行前必須打開抱閘，壓下電機停止運行抱閘閉合。因此，利用控制抱閘打開/閉合用的繼電器控制勵磁線圈的啟動和停止，可實現上述功能。勵磁控制PLC 采集抱閘繼電器的觸點信號后，通過控制繼電器接通和斷開，控制勵磁通斷。

（2）PLC 程序改進。控制抱閘繼電器觸點代替勵磁啟動按鈕，去掉原程序中勵磁啟動按鈕的自保持功能。在程序中增加斷電延時功能。當控制抱閘的繼電器斷電后，控制勵磁啟動的繼電器延時3s 斷開，避免電機運行過程中因勵磁電流突然減小而超速運行。

五、改造效果

（1）通電時間減少，勵磁線包發熱量下降，節約電能。根據精軋機壓下電機工作過程，精軋機軋制每塊鋼板需要約1min，壓下電機動作時間共約10s，改進后勵磁電流通電時間為原來1/6，避免勵磁線包運行過熱。隨著溫度的降低，勵磁線包電阻隨之減少，6RA70 整流裝置的勵磁電源是恒流源，勵磁電流不變，勵磁電壓隨著勵磁電阻的減少而減少，根據公式P=U×I，勵磁線包的功率隨之減少，進一步減少了勵磁線包發熱量。

（2）軋機非正常停產時間減少。改造前一旦壓下空水冷卻器風機故障，必須馬上停機更換，避免勵磁線包發熱燒損。改造后即使壓下風機故障，可用臨時風機冷卻，等待軋機換輥停產時再更換風機，減少軋機停產時間。