负荷平衡控制在1200mm四辊可逆式冷轧机中的应用

负荷平衡控制在1200mm四辊可逆式冷轧机中的应用

文章介紹了负荷平衡控制在1200mm四辊可逆式冷轧机中的应用，避免了上辊和下辊之间由于负荷不平衡出现的电机过载、以至于功率组件损坏的情况，使得上辊和下辊的运行速度得到最佳匹配，对消除钛及钛合金板材在轧制过程中出现的上翘及下扣等不良板形问题取得良好效果。

标签：四辊可逆冷轧机；负荷平衡；直流调速系统；钛及钛合金板材；板形前言

我厂于上世纪六十年代中期引进的日本设备1200mm四辊可逆式冷轧机，已运行了近半个世纪，在生产过程中，经常出现上辊和下辊之间负荷分配不均、造成电机负荷剧烈波动及过载的情况，并且在钛及钛合金板材轧制过程中频频出现上翘和下扣之类的板形问题，制约了产品质量的提高，大大降低了生产效率以及成品率，也影响了该机组潜力的发挥，不能满足产品质量和精度日益提高的市场需求，直接影响了该机组的经济效益。

分析影响钛板上翘和下扣的原因，主要有两点：上下辊的传动系统动态特性和上下辊的辊径。所以，要改善和消除不良板型，大步提高生产效率及成品率，关键要从电气传动系统入手。该轧机传动系统采用的是旋转变流机组，不仅能耗大效率低，而且电气控制系统操作条件比较多，设备维护工作量比较大，系统可靠性也相对较低。运行了近半个世纪，元器件的老化造成系统故障频繁，调速性能变差，精度降低。因此对其电气控制系统进行了技术改造升级。

1 系统构成

该轧机是由两台1500kW直流电动机分别驱动上辊和下辊。在改造方案中，采用了SIEMENS数字式直流调速装置代替旋转变流机组，分别用两套独立的直流调速装置作为其原有的直流电动机的传动控制。为了改善和消除上翘和下扣之类的不良钛板板形，需保证上下辊电机出力平衡，使上下辊的速度得到最佳匹配，因此在两台驱动装置间引入了负荷平衡控制。

2 负荷平衡控制

2.1 负荷平衡的分类

两台电机组成的传动系统中的负荷平衡控制，一般有两种方法实现：一类由一套转速调节器为两套电机控制系统公用，该转速调节器的输出作为两套转矩控制环转矩的共同给定。此类负荷平衡控制系统响应快，动态平衡效果比较好，但是有可能会产生扭振，即两台电机负荷有可能会来回波动，可能会出现电流激磁震荡，甚至严重时引起系统过流跳闸。此种方法适用于两台电机之间通过“刚性”联系的情况，比如两台电机的串轴控制系统。第二类负荷平衡控制是两套电机传

动系统分别有独立的转速调节器和转矩调节器，但在两套电机传动系统之间引入一个负荷平衡调节器。两套电机传动系统的转矩实际值通过该负荷平衡调节器，进行比较运算，形成一个差值调节信号，作为其中一套电机传动系统的转速调节器的偏差值输入。当两套系统出现的负荷偏差过大时，通过调节其中一套系统的速度给定使两者负荷趋于平衡。此类负荷平衡系统响应慢，调节的动态过程中两者还会出现负荷偏差，但具有一定的抑制扭振的能力，此种方法适用于两台电机之间通过“弹性”联系的情况，通常各类工艺参数的扰动情况在轧制过程中比较稳定，变化量相对较小的场合，比如两台电机传动机构之间无机械轴，通过金属带材联系的系统。

2.2 负荷平衡控制

1200mm四辊可逆式冷轧机的电气控制系统改造时采用了上述第二类负荷平衡控制。负荷平衡控制系统框图如图1所示。此类负荷平衡控制系统的上辊和下辊分别有独立的速度控制和电流控制，均由速度外环和电流内环构成双闭环直流调速系统，都采用脉冲编码器作为速度实时反馈来保证调速系统的稳定性。1200mm四辊可逆式冷轧机的负荷平衡控制系统以下辊为主辊，通过调节上辊的速度来达到上辊和下辊之间速度的匹配。将下辊转矩实际值信号通过点对点通信的方式传递给上辊系统，在上辊系统中通过负荷平衡调节器对上辊和下辊的转矩实际值进行比较运算，形成一个差值调节信号，作为上辊电机传动系统的转速调节器的偏差值输入。当上下辊的速度不匹配，上下辊负荷偏差过大时，负荷平衡调节器调节上辊系统的速度给定以使上辊与下辊的负荷趋于平衡。该系统中负荷平衡调节器采用了PI工艺调节器。其中比例环节使系统响应迅速，达到快速的动态平衡，但是随着比例值的加大，系统响应加快，系统的超调量会增加。而积分环节的调节，能消除系统稳态误差，减小积分时间可减小被调量在调节过程中的动态偏差，但会增加调节过程的振荡。反之，增大积分时间可减小调节过程的振荡，但会增加被调量的动态偏差。这就需要在调试过程中，通过调整比例值和积分时间以使负荷平衡控制达到最佳效果。此外，也可以根据生产实际情况来对负荷平衡控制调节量和功能投入的阈值进行修改，使负荷平衡控制在调节能力上得到改善。

2.3 调试步骤

系统调试时，首先需要对上下辊电机系统分别进行优化调试。通过键参数P051来进行一系列的系统优化。键入P051=25，进行电流环优化，以及电枢和励磁的预控制，确定电流环比例积分等参数。键入P051=26，进行速度环优化，通过参数P236选择速度调节回路动态响应的程度，对于传动系统，一般用较低的动态响应值，从10%来启动优化。键入P051=27进行电机弱磁优化。

完成以上系统优化后，即可进行负荷平衡控制的调试。负荷平衡控制通过调节比例和积分时间常数达到最佳效果。根据经验，负荷平衡调节器的比例系数一般为0.2～0.6，而积分时间为3～5s，另外，调节器的输出限幅为3%～5%。同时，比例和积分时间常数的设定，需要在生产过程中，通过观察上辊和下辊电机电流的变化趋势来确定。在生产过程中，使上下辊的电机电流基本保持一致，上

下辊的速度得以完美匹配，这样负荷平衡控制就达到了最佳效果。

3 结束语

对于1200mm四辊可逆式冷轧机电气控制系统来说，其上辊和下辊分别由两台电机传动，负荷平衡控制的应用，避免了上辊和下辊之间由于负荷不平衡出现的电机过载、以至于功率组件损坏的情况，保证了上辊和下辊电机运转出力平衡，使其运行速度得到最佳匹配。在生产工艺中，负荷平衡控制的应用，消除了钛及钛合金板材轧制过程中因上辊和下辊的速度不匹配导致的板型上翘与下扣，有效的控制了轧制板形，加快了轧制节奏，提高了板材的成品率，对冷轧生产能力的扩大，产品质量的提高，提供了可靠的保障。

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