恒张力控制冷轧卷取机的调试

哈昌频1,曹国胜2

(1.上海市安装工程有限公司,上海200080;2.陕西省设备安装工程公司,陕西西安710068)

摘　要:

在冷轧机带材轧制过程中成品质量很大程度上取决于对轧制张力的控制,文章介绍了

调试方法和经验公式。

关键词:冷轧卷取机;调试;恒张力;公式

中图分类号:TG 333.52　　　　　文献标识码:B 　　　　　文章编号:1002-3607(2004)06-0037-05

1　系统介绍

在冷轧机带材轧制过程中成品质量很大程度上取决于对轧制张力的控制,在上海铝材厂调试一套四辊铝箔冷轧机组,其设备由三机架组成,一台主轧机、一台开卷机、一台卷取机,主轧机是不可逆的四辊轧机,均采用SCR -D 直流传动系统控制。该套设备调试成功投产后,运行状态良好。在此将卷取机的运行原理和调试总结如下

。

图1　冷轧机组工作示意图

冷轧机组主要参数

(1)主轧机

最大轧制力:100t ;轧制速度:1～5m/s ;

坯料最大厚度:0.1mm ,成品最小厚度:0.028mm 。

(2)卷取机

张力范围:30～200kg ;卷筒直径:<300mm ;

带卷最大外径:<740mm ;减速箱传动比:i =3.15

电动机规格:输出功率13kW ,额定电压220V ,额定电流85A ,转速400/1200r.p.m 。

2　轧机张力控制原理

按照铝箔卷带材料的轧制工艺要求,保持恒定的轧制张力使铝带在开卷机和卷取机上张紧,才能保证轧出的成品厚度均匀,板形平整,表面光滑,卷取机(或开卷机)与轧机之间带材的张力是由卷取机(或开卷机)来建立的。见图2。

图2　卷取机建立张力示意图

T —轧制张力(kg );M —卷取机作用到卷筒上的转矩;M F —负载转矩;V —轧制线速度;D —卷筒直径;i —减速箱传动比。

根据直流传动原理,电动机发出的转矩:

M D =C M (1)卷筒上的转矩:M =M D ・i =C M (2)

2004年　12月总137期　第6期　　　　　　　　　　　安　装I NST A LLATI ON 　　　　　　　　　　　

Dec.2004

T otal №.137　№.6

由此得到张力:

T=2C M从张力公式分析,只要保持电动机电枢电流I D 恒定,并使电动机的磁场<跟随卷径D变化,且使3　电枢主回路整流及张力电流的调试卷取机整流调节系统工作原理方框图,如图3

。

图3　卷取机整流调节系统方框图

　　(1)主回路是三相全控桥式整流器接成反并

联,为了抑制静态环流,采用可控硅错位选触无环流

可逆系统,利用错开脉冲位置和选择触发的原理来

实现无环流控制。本系统与逻辑无环流系统的区别

在于:逻辑无环流可逆系统中触发脉冲的初相角定

为90°～100°。而错位无环流可逆系统的脉冲初相

角必须大于150°,从而使正反两组整流桥的脉冲在

整流区错开,实现无环流控制。

根据这一移相特性,经调试后的输入放大器输

入—输出特性及数据如图4所示。当输入信号U K

为最大限幅时,U K=8V,输入放大器的输出为最小

值约U SC=+0.5V,对应的触发脉冲移相至最小触

发控制角αmin=30°,整流桥输出最大电压。

当信号U K=0V时,输入放大器的输出为最大

值,U SC=+8V,对应的触发脉冲移相至最小逆变角

β

min

≤30°(即α≥150°)

。

图4　输入放大器特性

(2)脉冲选

触环节由电平检

测器、功率开关

组成。当有控制

信号输入时,电

平检测器取电压

调节器的输出信

号,差别信号电

压U P的极性

“+”或“-”,去

控制功率开关,分别接通“Ⅰ”,使正组整流桥工作;

或接通“Ⅱ”使反组整流桥工作。实际调试中电平检

测器输入翻转电压整定为U P=±0.2V。

由于选触环节的作用始终只有一组整流桥有触

发脉冲,另一组桥的脉冲,所以可保证没有环83安　　装　　　　　　　　　　　　　　2004年12月

流产生。

(3)主回路控制系统是三环系统,由电压环、电流环和综合调节器(速度—张力调节环)组成。电压调节器是一个具有较高放大倍数的惯性环节,其参数K P =R 2/R 1=300k/20k =15,τ=R 2・C 2

=300k ×0.22

μF =66ms

。图5　电压调节器原理简图

利用电压环的放大倍数可以使触发脉冲从α=

150°快速移至α≤90°,进入整流工作状态,缩小整流电压死区。加入惯性环节可以利用时滞作用使正、反桥组的脉冲切换变得平稳,抑制了动态环流。调试时在小给定信号下,可整定电压环的参数K P 和τ,观察电机在低速时无振荡,正反向切换平稳即可。

电流环调试按三阶最佳整定,如图6

。

图6　电流调节器原理简图

K i =R 5/(R 1+R 2)×1/α=10k/(10k +10k )×5

=2.5,α是W 1分压系数,实际整定为α=0.2积分

时间常数,τi =R 5・C 4=10k ×2

μF =20ms 。在电动机堵转情况下,调节电流环,把阶跃给定信号加到电流调节器的输入端,用示波器观察电流上升时间约10ms ,过渡过程约为20ms ,调节电流反馈量,将堵转电流值整定在1.5倍I ed (I ed 是卷取机的额定电流)作为最大启动电流。按三阶最佳参数整定电流环,可使电枢电流具有快速跟随特性,因而可保持恒电流加减速和轧制过程中的恒张力控制,能很好的抑制张力扰动。

综合调节器具有速度调节器和张力电流调节器的功能,在卷取机卷筒未穿上铝带前按速度闭环工

作,待上带建立起张力后自动地转换为恒流调节。

按张力给定信号,并综合动态补偿信号后输出电流给定信号I g 作为电流调节器的输入,见图3。经过调整后,综合调节器的速度闭环参数如图7

。

图7　速度调节器原理简图

K n =R 5/(R 1+R 2)×1/α=56k/(10k +10k )×

1/0.3=9.3

α是W 2的分压系数实际整定为α=0.3τn =56k ×6.8

μF =380

ms 图8　速度、电流波形图

用示波器观

察到的在阶跃给定下速度,电流波形如图8所示。速度超调量约4%～6%,上升时间约350ms 。

(4)按照工艺

要求轧制张力是

根据铝箔轧材坯

料的厚度而设定,要求能在30～200kg 范围内可调节。生产中可由张力计或成品板形情况测定张力大小是否合适。为了在调试过程中较准确地设定张力,可对卷取机电枢电流与张力关系进行计算。计算方法简介如下:

卷取机铭牌:输出功率13kW ,额定电压U e =220V ;

额定电流:I e =85A ,转速:400/1200rpm ,励磁电流I f =1.5A 。

设备情况:最小卷径D =300mm ,最大D =740mm ,减速箱速比:i =3.15。

主机轧制线速度:V 线=1～5m/s 。根据电机电势平衡关系:

U e =E d +I e R d =C e 所以C e 9

3第6期　　　　　　　　　　　哈昌频等:恒张力控制冷轧卷取机的调试

现取轧制速度为5m/s时,求张力与张力电流的关系。

已知:V线=V卷筒=πD n D

其中:V线—铝箔带材的线速度;

V卷筒—卷取机卷筒的线速度;

n D—卷取机卷筒的转速。

n D=V线/πD=5/3.14×0.3=5.31n/s

折算至卷取电动机的转速:

n=n D×i×60=1000r.p.m

由此可求:C e由电动机结构参数可导出:C m<=30/π・C e<所以C m<=30/π×0.1529=1.461(N・m/A)

根据前面张力分析得到的公式:

T=2iC m I D・就有I D=T D/2iC m<

用D=300mm,i=3.15代入就得

I D=(03/2×3.15×0.1461)=0.326T

将张力控制范围30～200kg,逐点代入求出张力电流,计算列表:

轧制张力:T(kg)306090120150180200

卷取机电流:I D(A)9.819.629.339.148.958.765.2

按照表中数据只需调节张力给定电位器,调整电枢电流,便可迅速地给出轧制所需张力。对于其它轧制线速度时张力电流也可按同样的方法求出。

4　卷测量和卷径记忆

根据张力公式T=KI D卷径测量采用高保真积分器模拟量控制,将卷取机转速绝对值|n|与卷径模拟量D在乘法器中相乘,|n|・D即作为模拟的线速度,应等于测速辊的实测线速度V,卷径测量用比例运算(V-nD)的差值送入积分器,由其变化输出的信号去调整卷取机的励磁磁通<。

积分器在设定状态下由初始卷径设定电位器根据实际的卷径大小设定,本系统的卷径变化范围是300～740mm。所以为能相互对应,调试时,将电位器的电压调节范围定为3～7.4V。积分器输出D 即为卷径模拟值,也作为磁通调节环的给定信号。对于系统运行时应保持V=nD。当主轧机以某一个恒定线速度V轧制时,卷取机初始卷径设定为D0,转速为n0,随着卷径增大,在同一线速度下卷取机的转速会逐渐变小。从卷取机测速反馈来的信号n i0。此差值送入高保真积分器积分使输出增加,由D0升为D1,从而使V-n i D i=0。

积分器输入信号代数和为零,输出平衡在D1上。这样随着卷径不断增大,卷取机n逐渐下降,使积分输出D不断上升,并始终保持V=nD。积分器输出信号D即作为磁通给定信号,D增加,磁通<也增加,使图9　卷径测量环节原理简图

V—

带材实际轧制线速度;n—卷取机的瞬时转速;

D—对应瞬时转速时的卷径。

调试中最初将测速辊的线速度信号V定为1～5V,对应于轧制线速度为1～5m/s,为提高卷径测量的精度,将其扩大1倍,改为2～10V。由此将乘法器的输出最大值也应定为10V。

图10　乘法器示意图

乘法器参数整

定:见图10。

输出:U sc=

U x U y/k

k—调节系数,

可由单元板上的W6调整。

取k=2.25

根据卷径与速度的关系:

卷径D=U x=-3～-7.4V;

速度反馈:n=U y=7.4～3V;

取初卷时:D=-3V;n=7.5V;

则:U sc=U x U y/k=-3×7.5/2.25=-10V。

04安　　装　　　　　　　　　　　　　　2004年12月

5　磁场调节回路调试

磁场调节回路中,若反馈单I -<变换和磁通调节板上反馈滤波时间常数未调好时,会产生电流振荡,用示波器观察到的触发板锯齿波如图11。有畸变,磁通调节单元输出纹波大

。

图

11　磁场调节系统未调好的波形

对此可通过改善磁通调节器的反馈滤波,将C 2

由0.47μF 改为1μF ,调整微分C 3R 6,锯齿波畸变消除,输出电流稳定,电流动态响应满足需要。

图12　磁通调节器原理简图

在可控硅弱磁控制系统中I -<变换单元的输

出曲线用来模拟电动机磁化曲线,将线性变化的磁场电流信号变换为曲线变化的磁通<输出信号,做为磁场电流调节器的反馈信号。电路是由运算放大器和电阻反馈网络组成的比例调节器,K P =R 4/R 2・1/α,调节

W 5就改变了K P 即为输出0～折点1的线段斜率。调整W 3、W 4就形成折点1和折点2,线段Ⅱ和Ⅲ的斜率可用W 1、W 2调整。

在调试中曾发现在接近最低弱磁点,整流输出

电压在40V 左右时系统有振荡,振幅最大值为30V ,因此在I -<变换单元中加入小惯性环节进行校正,消除了振荡。校正后的参数如图13。

图13　I -<变换单元原理简图及输入-输出特性

6　结束语

从上可看到,由于卷取机的初始卷径设定是为最小卷径D 0,因此在起动上带和最初的轧制运行时电动机都处于弱磁运行状态,这就使电动机的力矩不能充分利用,功率因数较差。

可控硅整流调速系统有其节能、低噪声、系统响应速度快、控制精确的优点。随着科技的发展和计算机控制的应用,可控硅整流设备在技术上也会更加先进。收稿日期:2004-03-16(上接第11页)

区域被烤得呈微暗红色后,持续一段时间即可。

4　结论

(1)在工程实际中,2Cr13不锈钢阀杆如发生破

裂,采用以上焊接工艺,能保证焊接质量和使用。

(2)不锈钢阀杆在补焊前要进行正确的预处理,保证有效联结。

(3)不锈钢阀杆要进行焊前预热,防止冷裂纹。

(4)不锈钢阀杆要进行焊后热处理,减小残余应力,防止焊接缺陷。

参考文献:〔1〕钟如.金属的焊接与气割〔M 〕.北京:中国建筑工业出版社,1999.〔2〕中国机械工程学会焊接学会.焊接手册〔Z 〕.北京:机械工业出版社,1992.收稿日期:2004-02-05

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