提高安鋼3500 mm爐卷軋機(jī)主傳動(dòng)設(shè)備能力的實(shí)踐

胡偉平 劉威 郝軍強(qiáng) 張新慶 李艷芳

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

0 前言

安鋼3500 mm爐卷軋機(jī)自投產(chǎn)以來，不斷進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)，現(xiàn)已開發(fā)到X80管線鋼，鋼板的硬度和強(qiáng)度也在不斷增加，主傳動(dòng)和主電機(jī)的設(shè)備能力已達(dá)到使用極限。日常軋制過程中的粗軋道次，主電機(jī)電流基本上都在150%以上，甚至高達(dá)最大限幅電流225%，從而導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)有發(fā)生。而且在軋機(jī)咬鋼期間，主電機(jī)電流在瞬間變化到額定電流的200%左右，電流的變化率極快，使主傳動(dòng)設(shè)備功率元件處于過流和沖擊狀態(tài)，對(duì)功率元件的損壞很大，嚴(yán)重影響主傳動(dòng)設(shè)備功率元件的使用壽命。同時(shí)，咬鋼的大負(fù)荷沖擊也嚴(yán)重影響主電機(jī)使用壽命，危及著電機(jī)的安全。另外軋機(jī)奇偶道次轉(zhuǎn)矩不同，也嚴(yán)重制約了生產(chǎn)順行，管線鋼軋制碰到了技術(shù)難題。

1 存在問題

以當(dāng)前產(chǎn)品的生產(chǎn)現(xiàn)狀和要求，生產(chǎn)高強(qiáng)板時(shí)出現(xiàn)傳動(dòng)和電機(jī)等電氣設(shè)備處于頻繁過流和過載的實(shí)際使用情況，對(duì)電氣設(shè)備的使用壽命很不利，存在下列問題：

1)目前，爐卷軋機(jī)軋制高強(qiáng)板(Q460以上級(jí)別)特別是管線厚規(guī)格20 mm以上時(shí)，粗軋道次過流、過載頻繁，電機(jī)轉(zhuǎn)距經(jīng)常達(dá)到200%以上。該情況已經(jīng)影響到高強(qiáng)板的正常生產(chǎn)工藝，無法滿足高強(qiáng)板低溫加熱工藝要求，造成被迫提高加熱溫度去滿足軋機(jī)能力;二是無法保證正常除鱗要求，容易出現(xiàn)表面麻點(diǎn);三是因粗軋負(fù)荷過流，造成精軋壓下量過大，影響高強(qiáng)板的板形和軋成率。

2)在軋制高強(qiáng)板時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)咬鋼瞬間傳動(dòng)過流跳閘故障。

3)軋制奇偶道次轉(zhuǎn)距不均衡問題比較突出，特別是奇數(shù)道次超限問題嚴(yán)重。在此之前曾出現(xiàn)偶道次負(fù)荷超限頻繁，是由于大批量極限規(guī)格的管線鋼的軋制，使軋機(jī)主電機(jī)鐵芯磁場(chǎng)發(fā)生變化。經(jīng)過傳動(dòng)調(diào)試參數(shù)補(bǔ)償后，頻繁出現(xiàn)奇數(shù)道次過載現(xiàn)象。

分析看出，導(dǎo)致以上三種問題原因?yàn)闋t卷軋機(jī)主傳動(dòng)總是工作在超負(fù)荷狀態(tài)，長(zhǎng)期過流保護(hù)導(dǎo)致元件性能惡化，且在出現(xiàn)一起IEGT燒損事故后，由于該元件是國(guó)外備件，存在明顯的準(zhǔn)備周期長(zhǎng)和價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。所以對(duì)該現(xiàn)象的解決和改造刻不容緩。

2 問題分析

安鋼爐卷主傳動(dòng)采用大功率IEGT變頻器是東芝公司自行研制的3 kV 3 kA級(jí)別的高通斷能力的功率元件。系統(tǒng)頻繁導(dǎo)致過載的原因，除了存在的磁場(chǎng)變化引起的外，還有就是功率元件的先天不足，由于只能耐受4500 A的電流，雖然功率上能夠滿足軋機(jī)的要求，但是整個(gè)裝置的過流能力，無法滿足均方根熱效應(yīng)，也就是說該裝置，耐受長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的能力較差，而目前生產(chǎn)的鋼種恰恰要求工作在極限區(qū)域，經(jīng)常出現(xiàn)過轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著元件的運(yùn)行壽命。

通過采集數(shù)據(jù)，先后對(duì)爐卷軋機(jī)主電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)備在硬件和軟件上進(jìn)行跟蹤。分別從主電機(jī)的雪橇控制功能、沖擊功能、負(fù)荷平衡功能以及生產(chǎn)中出現(xiàn)的主電機(jī)編碼器連接導(dǎo)線易受干擾系統(tǒng)等方面判斷問題產(chǎn)生的原因。

通過跟蹤和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)主電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在過載狀態(tài)下，電機(jī)的參數(shù)和特性有所變化，電氣的磁通曲線和轉(zhuǎn)子的矢量控制電氣角度發(fā)生了改變。在軋制過程中，出現(xiàn)了無功電流增大導(dǎo)致定子電流超限，單向道次轉(zhuǎn)矩超限，勵(lì)磁過載。在軋制的前幾道次，一般過載120% ～225%電流左右。與西門子傳動(dòng)不同，西門子傳動(dòng)上電后，控制柜會(huì)自動(dòng)檢測(cè)轉(zhuǎn)子角度，根據(jù)電流、電壓的反饋計(jì)算出磁通，而TMEIC傳動(dòng)中轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)要通過初期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試得到，然后寫入?yún)?shù)，控制柜不會(huì)自動(dòng)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。所以主電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在過載狀態(tài)下，電機(jī)的參數(shù)和特性有所改變，電氣的磁通曲線和轉(zhuǎn)子的矢量控制電氣角度發(fā)生了改變，是引起主電機(jī)過轉(zhuǎn)矩勵(lì)磁過載的主要原因。

主電機(jī)過轉(zhuǎn)矩問題，特別是在軋制X70管線鋼以來，爐卷主電機(jī)奇道次過轉(zhuǎn)矩225%，而偶道次轉(zhuǎn)矩只有170%左右，奇道次轉(zhuǎn)矩大于偶道次轉(zhuǎn)矩30% ～40%，經(jīng)常造成鋼種軋廢或改判，已經(jīng)嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

3 采取措施

由于元件的功率特性和整流柜型號(hào)限制而導(dǎo)致的不能滿足工藝要求，故把提高元件的壽命，優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)解決磁力線糾偏作為改進(jìn)設(shè)備能力的工作重點(diǎn)，具體實(shí)施如下：

3.1 提高元件壽命

IEGT(電子注入增強(qiáng)柵晶體管)變頻器是典型的三電平脈沖寬度調(diào)制(PWM)交—直—交變頻器，與普通的二電平變頻器比較：輸出相電壓電平數(shù)量增加了1個(gè)，線電壓電平數(shù)量增加了2個(gè)，這樣就使每個(gè)電平幅值相對(duì)降低，直流母線上的電壓僅為普通二電平變頻器直流母線電壓的一半。因此，在同等開關(guān)頻率的前提下，使變頻器輸出波形質(zhì)量有較大改善，輸出電壓變化率也相應(yīng)下降。直流緩沖吸收回路由于直流電容器與IEGT功率橋臂之間存在電抗，因此當(dāng)IEGT關(guān)斷和續(xù)流二極管恢復(fù)時(shí)將產(chǎn)生浪涌電壓。IEGT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓是在關(guān)斷瞬間流過IEGT橋臂的電流產(chǎn)生的瞬態(tài)高壓。

IEGT由一組脈沖來控制導(dǎo)通和關(guān)斷，當(dāng)該IEGT橋臂關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流不會(huì)立即變化，關(guān)斷時(shí)下橋臂上的電壓將上升，直到比母線電壓高出一個(gè)壓降值，上橋臂續(xù)流二極管隨后導(dǎo)通，以防止電壓進(jìn)一步上升。但實(shí)際電路中存在寄生電感(LO)，會(huì)產(chǎn)生增加的電壓，這個(gè)電壓與電源電壓疊加并以浪涌形式加在下橋臂IEGT的兩端，在極端情況下可能超過元件耐受反向擊穿電壓而導(dǎo)致橋臂損壞。同樣在續(xù)流二極管恢復(fù)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生與關(guān)斷時(shí)相似的浪涌電壓而可能導(dǎo)致橋臂損壞。正常情況下，IEGT橋臂上的阻容吸收能消耗IEGT關(guān)斷時(shí)和續(xù)流二極管恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓來保護(hù)IEGT。在另一種極端情況下，如IEGT的一個(gè)橋臂出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般是采用高速關(guān)斷故障橋臂的同時(shí)，采用高速關(guān)斷和電源限流保護(hù)、直流緩沖吸收電路等措施來保護(hù)其他正常橋臂的IEGT。但該種情況正常橋臂上的IEGT可能還會(huì)因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)側(cè)或交流輸入側(cè)產(chǎn)生的瞬時(shí)過電壓而損壞。通過增加IEGT放電電阻來減少故障狀態(tài)下的過電壓，使正常橋臂的IEGT電壓在此過程中保持在IEGT能承受的額定電壓范圍內(nèi)，不致于損壞正常橋臂的IEGT，以提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2 優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳動(dòng)柜內(nèi)部功率單元和母線長(zhǎng)期過流，內(nèi)部連接需要維護(hù)。并且如果單元母排聯(lián)接接觸性能低，使系統(tǒng)不可能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。IEGT功率單元通過銅母排與主母排聯(lián)接，發(fā)現(xiàn)銅母排有嚴(yán)重的變色，研究其原因，考慮是否為疲勞或故障的跡象，結(jié)果是：①機(jī)械力：當(dāng)把IEGT功率單元安裝到傳動(dòng)柜內(nèi)時(shí)，使用螺絲來聯(lián)接母排，在聯(lián)接過程中，壓力不規(guī)則，造成聯(lián)接松動(dòng)。②銅排氧化：銅排氧化后，阻抗變化引起過熱現(xiàn)象。銅排聯(lián)接問題是系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的一個(gè)重要因素，為此采取以下措施優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

1)改換墊圈來獲得更好的接觸性能;

2)原聯(lián)接螺絲為鐵螺絲，換成SUS螺絲，與銅排的溫度特性一致;

3)去除銅排表面的氧化層;

4)使用化學(xué)粘合劑提高接觸性能。

改造期間在拆卸原來的母排時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多處發(fā)黑和麻點(diǎn)狀況，說明由于機(jī)械性能不夠，銅排變形，導(dǎo)致接觸電阻值增大，已經(jīng)出現(xiàn)了打火隱患。由于主傳動(dòng)內(nèi)部的連接銅排螺絲孔大，電流密度不能滿足要求，根據(jù)傳動(dòng)裝置的實(shí)際情況，決定將IEGT內(nèi)部連接銅排加大尺寸，以提高連接對(duì)抗變形的能力，減少螺絲孔直徑，增大電流通過密度。修復(fù)工作完成后，電氣連接接觸性能較TMEIC傳統(tǒng)的連接方式，其性能提高了300%。

3.3 磁力線糾偏

由于長(zhǎng)期大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)之后，機(jī)電性能有惡化趨勢(shì)，主軋機(jī)下輥主傳動(dòng)已經(jīng)出現(xiàn)勵(lì)磁滑環(huán)粗糙的問題。雖然經(jīng)過自制的油石研磨，改用進(jìn)口碳刷，但仍有繼續(xù)惡化的趨勢(shì)。

通過不斷跟蹤研究，制定出了相應(yīng)的對(duì)策。首先對(duì)爐卷軋機(jī)主電機(jī)控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)進(jìn)行了修改優(yōu)化，消除雪橇功能和負(fù)荷平衡切換對(duì)電流波動(dòng)的影響。其次對(duì)電機(jī)的磁通曲線在線通過系統(tǒng)軟件進(jìn)行了優(yōu)化，重新進(jìn)行了調(diào)試和修改。提高轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和初始定位精度。最后通過現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)的方法，觀察和記錄主電機(jī)轉(zhuǎn)矩和軋制力，壓下量等參數(shù)的關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)多次修改主電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始角度，逐步優(yōu)化位置參數(shù)，解決了電機(jī)頻繁極限過轉(zhuǎn)矩勵(lì)磁過載的問題，為軋制薄規(guī)格和管線鋼的壓下表的優(yōu)化提供了支持。

4 效果分析

未修改轉(zhuǎn)子初始角度，在壓下量和軋制力較小的情況下，主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)奇道次轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)矩輸出和工藝參數(shù)的關(guān)系反映不正常，電氣控制存在問題。隨著電氣參數(shù)的修改，轉(zhuǎn)矩輸出和工藝參數(shù)的關(guān)系逐步正常，呈現(xiàn)正常的工藝規(guī)律。

修改前后的前6道次軋制過程數(shù)據(jù)對(duì)比見表1，鋼種為Q460，目標(biāo)厚度20 mm。

表1 轉(zhuǎn)子初始角度修改前后軋制數(shù)據(jù)

由表1可以看出，通過改進(jìn)，奇道次轉(zhuǎn)矩大的問題徹底解決，主機(jī)負(fù)荷趨于平穩(wěn)。

在傳動(dòng)控制軟件升級(jí)的基礎(chǔ)上，把單項(xiàng)參數(shù)的摸索調(diào)試改為了自動(dòng)全方位參數(shù)優(yōu)化模式，使用成功后經(jīng)過和手動(dòng)調(diào)試參數(shù)的對(duì)比，特性曲線基本重合，完全滿足電機(jī)要求。重利用該方法調(diào)試找好磁力線至今，主傳動(dòng)未發(fā)生過轉(zhuǎn)矩跟道次相關(guān)的不平衡情況，充分發(fā)揮了主傳動(dòng)的設(shè)備能力，使得管線鋼的軋制由極限規(guī)格變成了日常規(guī)格。并為以后更高級(jí)別的鋼種調(diào)試創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

5 結(jié)論

安鋼3500 mm爐卷軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)后，消除了關(guān)鍵設(shè)備的重大隱患，提升了設(shè)備整體能力，解決了品種鋼的開發(fā)中電機(jī)極限過轉(zhuǎn)矩的問題，為品種開發(fā)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了保證。

［1］ 黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社出版，1992：37-206.

［2］ 李宏.電力半導(dǎo)體器件及其驅(qū)動(dòng)控制集成電路.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：23-56.

［3］ 吳成梁，吳培文.大功率IEGT變頻器及其橋臂改造.冶金自動(dòng)化，2009，33(3)：45-48.