負荷平衡控制在1200mm四輥可逆式冷軋機中的應用

李會妮+魯蓓

摘 要：文章介紹了負荷平衡控制在1200mm四輥可逆式冷軋機中的應用，避免了上輥和下輥之間由于負荷不平衡出現的電機過載、以至于功率組件損壞的情況，使得上輥和下輥的運行速度得到最佳匹配，對消除鈦及鈦合金板材在軋制過程中出現的上翹及下扣等不良板形問題取得良好效果。

關鍵詞：四輥可逆冷軋機；負荷平衡；直流調速系統；鈦及鈦合金板材；板形

中圖分類號：TM3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0154-02

前言

我廠于上世紀六十年代中期引進的日本設備1200mm四輥可逆式冷軋機，已運行了近半個世紀，在生產過程中，經常出現上輥和下輥之間負荷分配不均、造成電機負荷劇烈波動及過載的情況，并且在鈦及鈦合金板材軋制過程中頻頻出現上翹和下扣之類的板形問題，制約了產品質量的提高，大大降低了生產效率以及成品率，也影響了該機組潛力的發揮，不能滿足產品質量和精度日益提高的市場需求，直接影響了該機組的經濟效益。

分析影響鈦板上翹和下扣的原因，主要有兩點：上下輥的傳動系統動態特性和上下輥的輥徑。所以，要改善和消除不良板型，大步提高生產效率及成品率，關鍵要從電氣傳動系統入手。該軋機傳動系統采用的是旋轉變流機組，不僅能耗大效率低，而且電氣控制系統操作條件比較多，設備維護工作量比較大，系統可靠性也相對較低。運行了近半個世紀，元器件的老化造成系統故障頻繁，調速性能變差，精度降低。因此對其電氣控制系統進行了技術改造升級。

1 系統構成

該軋機是由兩臺1500kW直流電動機分別驅動上輥和下輥。在改造方案中，采用了SIEMENS數字式直流調速裝置代替旋轉變流機組，分別用兩套獨立的直流調速裝置作為其原有的直流電動機的傳動控制。為了改善和消除上翹和下扣之類的不良鈦板板形，需保證上下輥電機出力平衡，使上下輥的速度得到最佳匹配，因此在兩臺驅動裝置間引入了負荷平衡控制。

2 負荷平衡控制

2.1 負荷平衡的分類

兩臺電機組成的傳動系統中的負荷平衡控制，一般有兩種方法實現：一類由一套轉速調節器為兩套電機控制系統公用，該轉速調節器的輸出作為兩套轉矩控制環轉矩的共同給定。此類負荷平衡控制系統響應快，動態平衡效果比較好，但是有可能會產生扭振，即兩臺電機負荷有可能會來回波動，可能會出現電流激磁震蕩，甚至嚴重時引起系統過流跳閘。此種方法適用于兩臺電機之間通過“剛性”聯系的情況，比如兩臺電機的串軸控制系統。第二類負荷平衡控制是兩套電機傳動系統分別有獨立的轉速調節器和轉矩調節器，但在兩套電機傳動系統之間引入一個負荷平衡調節器。兩套電機傳動系統的轉矩實際值通過該負荷平衡調節器，進行比較運算，形成一個差值調節信號，作為其中一套電機傳動系統的轉速調節器的偏差值輸入。當兩套系統出現的負荷偏差過大時，通過調節其中一套系統的速度給定使兩者負荷趨于平衡。此類負荷平衡系統響應慢，調節的動態過程中兩者還會出現負荷偏差，但具有一定的抑制扭振的能力，此種方法適用于兩臺電機之間通過“彈性”聯系的情況，通常各類工藝參數的擾動情況在軋制過程中比較穩定，變化量相對較小的場合，比如兩臺電機傳動機構之間無機械軸，通過金屬帶材聯系的系統。

2.2 負荷平衡控制

1200mm四輥可逆式冷軋機的電氣控制系統改造時采用了上述第二類負荷平衡控制。負荷平衡控制系統框圖如圖1所示。此類負荷平衡控制系統的上輥和下輥分別有獨立的速度控制和電流控制，均由速度外環和電流內環構成雙閉環直流調速系統，都采用脈沖編碼器作為速度實時反饋來保證調速系統的穩定性。1200mm四輥可逆式冷軋機的負荷平衡控制系統以下輥為主輥，通過調節上輥的速度來達到上輥和下輥之間速度的匹配。將下輥轉矩實際值信號通過點對點通信的方式傳遞給上輥系統，在上輥系統中通過負荷平衡調節器對上輥和下輥的轉矩實際值進行比較運算，形成一個差值調節信號，作為上輥電機傳動系統的轉速調節器的偏差值輸入。當上下輥的速度不匹配，上下輥負荷偏差過大時，負荷平衡調節器調節上輥系統的速度給定以使上輥與下輥的負荷趨于平衡。該系統中負荷平衡調節器采用了PI工藝調節器。其中比例環節使系統響應迅速，達到快速的動態平衡，但是隨著比例值的加大，系統響應加快，系統的超調量會增加。而積分環節的調節，能消除系統穩態誤差，減小積分時間可減小被調量在調節過程中的動態偏差，但會增加調節過程的振蕩。反之，增大積分時間可減小調節過程的振蕩，但會增加被調量的動態偏差。這就需要在調試過程中，通過調整比例值和積分時間以使負荷平衡控制達到最佳效果。此外，也可以根據生產實際情況來對負荷平衡控制調節量和功能投入的閾值進行修改，使負荷平衡控制在調節能力上得到改善。

2.3 調試步驟

系統調試時，首先需要對上下輥電機系統分別進行優化調試。通過鍵參數P051來進行一系列的系統優化。鍵入P051=25，進行電流環優化，以及電樞和勵磁的預控制，確定電流環比例積分等參數。鍵入P051=26，進行速度環優化，通過參數P236選擇速度調節回路動態響應的程度，對于傳動系統，一般用較低的動態響應值，從10%來啟動優化。鍵入P051=27進行電機弱磁優化。

完成以上系統優化后，即可進行負荷平衡控制的調試。負荷平衡控制通過調節比例和積分時間常數達到最佳效果。根據經驗，負荷平衡調節器的比例系數一般為0.2～0.6，而積分時間為3～5s，另外，調節器的輸出限幅為3%～5%。同時，比例和積分時間常數的設定，需要在生產過程中，通過觀察上輥和下輥電機電流的變化趨勢來確定。在生產過程中，使上下輥的電機電流基本保持一致，上下輥的速度得以完美匹配，這樣負荷平衡控制就達到了最佳效果。

3 結束語

對于1200mm四輥可逆式冷軋機電氣控制系統來說，其上輥和下輥分別由兩臺電機傳動，負荷平衡控制的應用，避免了上輥和下輥之間由于負荷不平衡出現的電機過載、以至于功率組件損壞的情況，保證了上輥和下輥電機運轉出力平衡，使其運行速度得到最佳匹配。在生產工藝中，負荷平衡控制的應用，消除了鈦及鈦合金板材軋制過程中因上輥和下輥的速度不匹配導致的板型上翹與下扣，有效的控制了軋制板形，加快了軋制節奏，提高了板材的成品率，對冷軋生產能力的擴大，產品質量的提高，提供了可靠的保障。

參考文獻：

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]黃俊，王兆安.電力電子變流技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]西門子電氣傳動公司.6RA70系列全數字直流調速裝置使用說明書[Z].2006.

[4]李彬彬，李娜.冷軋機工作輥的粘鋁現象分析與處理[J].科技創新與應用，2014（04）：100.endprint