直流驅(qū)動(dòng)器在熱軋帶鋼制品廠350型四輥軋機(jī)上的應(yīng)用

直流驅(qū)動(dòng)器在熱軋帶鋼制品廠350型四輥軋機(jī)上的應(yīng)用

1分立元件系統(tǒng)運(yùn)行難點(diǎn)在中國現(xiàn)階段，主要使用于20世紀(jì)70年代制造的四驅(qū)機(jī)槍。其電控部分主要是采用可控硅分立元件的直流調(diào)速系統(tǒng),尤其是卷取沒有采用自動(dòng)恒張力控制技術(shù)。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,為了滿足恒張力的工藝要求,只能靠人工憑借經(jīng)驗(yàn)不斷調(diào)節(jié),使產(chǎn)品質(zhì)量因人而宜,參差不齊。另外,由于分立元件系統(tǒng)故障率高、可靠性差,導(dǎo)致維護(hù)工作量大。又因整流變壓器經(jīng)常過熱,不得不采取間歇式的工作方式,從而使生產(chǎn)率低下。筆者在鞍鋼附企冷軋帶鋼制品廠1號、3號軋機(jī)的全數(shù)字化改造中,取消了整流變壓器及原分立元件的電控系統(tǒng),主軋和卷取電機(jī)均采用英國EUROTHERM590系列直流驅(qū)動(dòng)器控制,并應(yīng)用590內(nèi)部卷徑計(jì)算模塊,實(shí)現(xiàn)了間接卷取恒張力控制,收到了良好的實(shí)用效果,大大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。2生產(chǎn)力指標(biāo)要求2.1電機(jī)參數(shù)主軋和卷取電機(jī)均配有減速機(jī),其電機(jī)參數(shù)分別見表1和表2。2.2張力確定精度(1)控制系統(tǒng)采用全數(shù)字直流調(diào)速方案。(2)卷取恒張力控制,精度:≤10%,張力可調(diào)范圍:0-25kN,卷徑變化范圍:0.25-1.6m。(3)具有電流斷續(xù)補(bǔ)償功能。(4)具有過流、過壓、斷帶、超速和缺相等保護(hù)。(5)主軋機(jī)具有弱磁調(diào)速功能。3系統(tǒng)的組成和工作原則3.1卷取控制器設(shè)計(jì)圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖。主軋機(jī)和卷取機(jī)的直流驅(qū)動(dòng)器,在充分考慮廠方提出的容量儲備裕量后,分別選用EU-ROTHERM590系列不可逆的595(450A)和591(180A),最大輸出電壓均為500V。EUROTHERM590系列直流驅(qū)動(dòng)器是采用可控硅及微機(jī)數(shù)字控制技術(shù),可對電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行精確的控制及完善的各種保護(hù)。其軟件采用模塊化結(jié)構(gòu),用戶可根據(jù)具體的應(yīng)用自由組態(tài),可實(shí)現(xiàn)弱磁控制、張力控制、多級同步等功能。并且內(nèi)部具有卷徑計(jì)算、PID控制等軟件模塊,可實(shí)現(xiàn)無傳感器的卷取控制。另外,具有較寬的電源適用范圍,可在220V-500V或110V-220V的電源電壓下工作。能在無平波電抗器的情況下,保證電機(jī)的動(dòng)、靜態(tài)性能。具有高可靠性和高性能/價(jià)格比,因此,是卷取控制的理想驅(qū)動(dòng)器。圖中L1和L2是與所選型號的590系列驅(qū)動(dòng)器配套的進(jìn)線電抗器,主要用于濾波、減小電流脈動(dòng)、限制電流變化率和抑制短路電流的作用。KM1和KM2為控制卷取和主軋機(jī)的接觸器。整個(gè)系統(tǒng)的操作、指示、各種電氣連鎖及邏輯控制等由一臺日本三菱40點(diǎn)PLC(EN40)來實(shí)現(xiàn)。主軋機(jī)通過590內(nèi)部的電樞電壓和電樞電流反饋構(gòu)成轉(zhuǎn)速和電流雙環(huán)系統(tǒng)。卷取機(jī)采取恒張力控制,SF1和SF2分別為主軋和卷取電機(jī)的測速發(fā)電機(jī)。SF2為卷取角速度測量,SF1的測量值作為卷取控制所需帶鋼線速度v的間接測量信號,因此,簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。3.2電機(jī)卷取機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性控制實(shí)現(xiàn)恒張力控制通常有直接(張力直接檢測)和間接兩種方法。采用直接法系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高,且張力直接檢測難度大。在間接法中又分為恒功率、恒線速度和卷徑跟蹤等方式。本系統(tǒng)中是采用卷徑跟蹤方式的間接恒張力控制,其原理如下:電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩:MD=CMφID,其中:CM為常數(shù);Φ為磁通量;ID為電樞電流。電機(jī)與卷取機(jī)構(gòu)的力矩方程為:MD=MF+MO+MA,其中:MF為卷取力矩,且MF=F.D/2,D為卷徑(如圖1),F為張力;MO為摩擦及空載力矩;MA為加速力矩,僅在動(dòng)態(tài)過程中存在。因?yàn)槟Σ良翱蛰d力矩可以通過補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ峁?因此,穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)的負(fù)載力矩近似等于卷取力矩,即張力矩。所以有F≈KFΦID/D,其中:KF為常數(shù)。因此,實(shí)現(xiàn)卷徑跟蹤恒張力控制,就是在保持磁通Φ不變(通過保持勵(lì)磁電流恒定)的條件下,電機(jī)電樞電流ID隨著卷徑的增加而等比例增大。可見,實(shí)現(xiàn)卷徑跟蹤恒張力控制的關(guān)鍵是卷徑的檢測,實(shí)用中是通過檢測卷筒速度n2(角速度)和帶鋼線速度v計(jì)算出卷徑Dj(見圖1、2)間接實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)镾F1的測量值近似等于K1v(其中:Kl為常數(shù)),所以SF1的測量值可間接地作為帶鋼線速度v的信號。因此,將檢測到的SF1和SF2信號接入591的A6(模擬量輸入)和B2(模擬測速儀輸入)口,并通過591內(nèi)部的卷徑計(jì)算模塊,可間接獲得卷徑值。即采用軟測量技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)恒張力控制。3.3卷取恒張力控制主軋機(jī)在基速以下為電樞電壓調(diào)速,采用速度(用電樞電壓反饋近似)和電樞電流雙閉環(huán)方案?；僖陨蠟槿醮耪{(diào)速,采用速度(用電樞電壓反饋近似)、電樞電流雙閉環(huán)和勵(lì)磁電流、電勢雙閉環(huán)控制方案?？刂扑惴ň捎肞I(應(yīng)用590內(nèi)部PID軟件模塊,令微分D=0)控制規(guī)律?？刂平M態(tài)圖略。冷軋帶鋼的工藝過程包括:穿鋼(或引鋼)、張力建立、恒張力軋制和拋鋼(結(jié)束)等四個(gè)階段。卷取機(jī)在軋制過程中保持帶鋼張力恒定,軋鋼速度由主軋機(jī)控制,卷取機(jī)通過恒張力跟隨主軋機(jī),其控制組態(tài)圖如圖2所示。圖中A2、A4、A5、A6為590模擬量輸入端子,B2為模擬測速儀輸入端子。590的模擬量輸入/輸出端子具有設(shè)定輸入/輸出量百分比的功能,應(yīng)用非常方便。C7為數(shù)字量輸入端子。除速度(僅在穿鋼和拋鋼階段時(shí),由卷取速度給定控制)、張力和初始卷徑由外部給定外,在圖2中,錐度控制模塊,目的是為了保證在軋完的一卷帶鋼中,內(nèi)外層的張力均勻。錐度的實(shí)際設(shè)定,要根據(jù)軋鋼的工藝要求及生產(chǎn)品種來確定。一般<15%。本系統(tǒng)中實(shí)際設(shè)定的錐度是6%。卷徑計(jì)算模塊中的斜率設(shè)定是對計(jì)算的卷徑值進(jìn)行校準(zhǔn),在現(xiàn)場調(diào)試中具體設(shè)定。張力修正在本系統(tǒng)中,取為0。靜態(tài)摩擦是由于卷取主軸承、電機(jī)齒輪箱中的機(jī)械摩擦而引起的,這種摩擦吸收電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,所以要補(bǔ)償。但靜摩擦只在零速左右起作用,因此,該系統(tǒng)中取為零。動(dòng)態(tài)摩擦是與主軸速度和卷筒重量有關(guān),是齒輪箱中沾性油所造成的摩擦損耗、和電機(jī)風(fēng)扇的空氣阻力損耗。由于難以預(yù)計(jì)動(dòng)態(tài)摩擦與速度的關(guān)系特性,但可以假設(shè)動(dòng)態(tài)摩擦隨卷取主軸的速度線性上升,進(jìn)行補(bǔ)償。在590系列直流驅(qū)動(dòng)器中,有專用的動(dòng)、靜態(tài)補(bǔ)償模塊,實(shí)際上是卷筒速度乘上一個(gè)比例項(xiàng)(即動(dòng)態(tài)摩擦補(bǔ)償設(shè)定),作為動(dòng)態(tài)摩擦補(bǔ)償。本系統(tǒng)中實(shí)際動(dòng)態(tài)摩擦補(bǔ)償設(shè)定為1%。由圖2可知,當(dāng)卷筒的卷徑D增加即:D↑→-a*|X|/|Y|↑→Dj↑→Iz=Dj×(K2Kz+動(dòng)態(tài)補(bǔ)償+張力修正)↑→nz↑→nz↑→Ig↑→a↑→ud電樞電壓)↑→Id(電樞電流)↑。由于Id的增大,使得n2f和If也都增加,從而PID模塊1、PID模塊2和PID模塊3的輸出達(dá)到了一個(gè)相對的穩(wěn)定。因此實(shí)現(xiàn)了卷取恒張力控制。軋機(jī)工作操作程序是:在穿鋼階段,卷取機(jī)的張力給定為零,此時(shí)主軋機(jī)低速運(yùn)行,這時(shí),由手動(dòng)控制卷取機(jī)速度來完成穿鋼。穿鋼結(jié)束后,張力給定逐漸增大到規(guī)定值,速度給定回零,即完成建張階段。然后,主軋機(jī)速度給定增大到全速工作,卷取機(jī)通過恒張力跟隨主軋機(jī),即為恒張力軋制階段。當(dāng)一卷帶鋼即將軋完時(shí),主軋機(jī)手控為低速運(yùn)行,卷取機(jī)張力給定減小至零后,由手動(dòng)控制卷取機(jī)轉(zhuǎn)速,直至完成拋鋼階段。590本身具有過流、過壓和電源缺相等保護(hù)。實(shí)用中通過設(shè)定速度和速度變化率(斷帶時(shí),因張力的突然減小,卷取機(jī)的速度將急劇增大)的上限來實(shí)現(xiàn)超速和斷帶保護(hù),以保證操作人員的安全。各種操作、顯示及故障自動(dòng)停車等,均由EN40實(shí)現(xiàn)的各種連鎖和邏輯控制等來完成。4