冷轧卷取机和开卷机张力控制

冷轧开卷机、卷取机的张力系统控制冷轧厂酸轧线为四机架连轧机,其中开卷机、卷取机系统需实现张力

设定、静态张力电流、各种补偿电流的计算, 断带保护、圈数计算及显

示等功能。传动部分为：开卷机、卷取机各有两电机各自对应一套传动

控制系统,

一、开卷机、卷取机张力控制

开卷机、卷取机在启动加速和快速制动时，应避免冲击式的施加张

力或改变张力，并将张力维持在一定的限度之内。

1、开卷机和卷取机负载的机械特性

开卷机在工作过程中，卷料的外径由大变小，而开卷线在正常运行

过程中应保持带材运行速度稳定不变，因此，开卷机卷筒的转速应随之

由低变高，电机转速也由低变高，即：N=60IV/Dπ

式中：N——电机转速；D——卷料外径；

V——带材运行速度；I——开卷机的传动比。

由于开卷过程中带材的张力要保持恒定不变，随着卷料外径由大变小，

电机轴上的张力转矩也由大变小，有：M=T*D/2η

式中：M——张力转矩；T——开卷张力；η——传动系统机械效率。

因此，开卷机的转矩与转速成反比，由式上两式可得到功率为：P=M*N

由上分析说明，在转速和转矩的变化过程中，开卷机的负载功率不变，

即开卷机负载的机械特性是恒功率型。

二、开卷机、卷取机系统的张力控制

为保证轧制过程中, 开卷机、卷取机的前后张力恒定,控制系统主要

有以下环节。

1 卷取机卷取过程中张力的设定

卷取机一旦完成咬钢,带钢即要承受一定的张力,以保证带钢卷取的质量。该张力是在卷取机与冷连轧机之间形成的。在卷取机卷取的各个阶段,带钢承受的张力不同。在咬钢过程中,为使带钢从卷芯开始卷取紧实,卷取机一旦咬住带头,就要以较大的张力值进行卷取,此时的张力通常比正常轧制时的张力要大。在卷取机卷取过程中,卷径不断增大,当卷径达到一定数值Φ0 时,应当把张力降下来,以正常轧制张力进行卷取。张力降下来后,由于时间较短,卷径变化并不大,为Φ1 。从卷取的整个进程来看,这个阶段时间最长、卷径变化最大,直到卷径接近剪切时的卷径Φ2 。而在剪切(卷经为Φc) 的时候,带钢需要承受较小的张力,以利于剪切,所以此时通过剪前夹送辊建张的办法把带钢张力降低为剪切张力。图3中的各张力值都是由PLC根据工艺要求给出的。剪切后的带钢经带尾定位后,卷在卷取机上,被卸卷小车运走,这样就完成了一卷带钢的轧制与卷取的任务。

图 1 带钢张力设定

2 轧制速度给定

正常轧制时, 轧制的线速度取决于主轧机的线速度V M，而卷取机的速度设定即卷取机的线速度超前主轧机的10%～20% ,以保证当卷取机建立张力后, 速度调节器的输出有足够的饱和深度来保证张力的稳定性。处于开卷状态的开卷机系统, 为一固定的卷取方向的速度设定值,

这样其速度给定与速度反馈方向相同,使速度调节器输出处于深度饱和,而当断带时,开卷系统能提供最大的制动力矩快速停车,并以较低的速度反转,以利于带材缠紧。

3 卷径测量及计算

轧制线速度给定、张力电流、加/ 减速动态补偿电流等都与带卷卷径D 有着直接关系,卷经计算的精确程度直接影响到张力系统的控制精度。轧机系统中在导向辊及卷取电机的轴上各装一台脉冲编码器, 再不考虑打滑的情况下, 由于导向辊与卷筒之间的带材建有张力, 同一时间段内通过导向辊的带材长度和卷筒卷取的带材长度相等,因此得D = D de *n de/n* i 式中, D de、n de、n、i 分别为导向辊的直径、转速, 卷取电机的转速和减速比。

4、张力控制

卷取电机输出的力矩为一综合力矩,包括带钢静态张力矩M T、动态加/ 减速力矩M A、摩擦力矩M R等, 最终控制结果是使由M T所产生的张力T保持恒定。由于没有张力计,可采用间接张力控制实现恒张力控制。由动力学及电动机电磁转矩公式M T= TD/i2，M电机= CMΦI，M T= i ×M 电机由上式可得T= 2iCMΦI/i D可以看出, 要维持张力T恒定由两种方法, 一是I 为一恒定值, 使CMΦ/D = 常数; 二是使I 反比于CMΦ/D。第一种方法只适合于卷径变化量小的工况, 系统都工作在弱磁状态, 电动机的功率得不到充分利用。第二种方法即最大力矩法,控制系统特性有两个工作段:第一段: 恒定最大磁场, 即零速至基速的额定磁场段。此段电动机满磁工作,调电动机电枢电压调速, 电流必须与卷径成成比例变化, 电动机能输出最大力矩。第二段:弱磁,即基速至最高速段。这段是弱磁调速, 电动机的电势保持恒定, 电枢电流与带材的轧制线速度成比例。在最大

力矩法中, 电动机实际输出的电流ID 包括产生静态张力T所需静态电

流IT、克服加/ 减速动态力矩所需电流IA、克服摩擦力矩所需电流IR 等。

4.1 静态电流IT

由上面公式可得静态电流IT= TD/i2ΦCM,又因为CMΦ= ΦCe//0. 105 和CeΦ= E/n , 考虑电机的效率η得IT= 0. 105TDn/2iEη式中n 为电机转速,E为电动机的反电势。

4. 2 加/ 减速动态电流IA

在轧机加/ 减速过程中,为了保持张力T不变,卷取电机必须给出动

态补偿电流IA。在此不再给出详细的推导。见PLC03 卷取机张力控制。

4. 3 摩擦力矩电流IR

摩擦力矩的产生比较复杂,可将其分为静摩擦和动摩擦。静摩擦主要表现为卷筒由静止到转动过程的摩擦, 轧制超薄带时, 在刚启动时, 进行补偿, 启动后要去掉补偿值, 具体值可在调试中摸索。动摩擦的来源包括电机的空载摩擦,它与电机转速有关; 和在轧制线上各设备作用于

带材的摩擦,它与实际线速度由一定的关系。我们的摩擦力矩补偿主要是依据经验得出的与速度有关系的函数。