基于臺達CT2000變頻器熱冷可逆軋機電控改造方案設(shè)計

原軋機設(shè)備簡述

本軋機是用來把高碳鋼從一塊熱板軋成一個冷軋的帶圈，并且能以2重或4重輥型進行工作。主傳動電機是通過一個傳送比為2的齒輪箱同支承輥或工作輥連接，電動機的速度從零速到基速是調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出直流電壓值來變動的，而基速至最高速則是通過提高輸出頻率（即超過基頻頻率）來實現(xiàn)的。在進行熱軋時，可以用2重或4重，而且只使用主傳動機構(gòu)，兩個圈卷機不運轉(zhuǎn)，位于主傳動電動機和支承工作輥之間的變速箱有兩種速率，高速時6:4:1，低速時12:8:1。在進行冷軋時軋機通常處于4重情況，使用6:4:1的比率的齒輪傳動。圈取機的傳動與此相同，每個驅(qū)動裝置由一個發(fā)電機和電動機機組組成，用兩個電動機目的是為了方便地調(diào)節(jié)可控張力的調(diào)節(jié)的范圍，在低張力范圍，把一個電動機脫離連接，而兩個連接在一起的電動機被供高張力范圍使用。電動發(fā)電機組由三個傳動發(fā)電機組成，它們分別給主傳動裝置、左、右圈取機供電。全部發(fā)電機組由一個三相感應(yīng)電動機驅(qū)動，系統(tǒng)如圖1所示。

軋機電氣系統(tǒng)改造方案

1.原軋機的技術(shù)數(shù)據(jù)

主傳動電動機：一臺，SC06/2020型350V，686A，400/1200rad/min。

圈取傳動電動機：四臺，CF2805型250V，168A，1000/1250 rad/min。

主傳動電機工作車速：250m/min。

寸動引帶速度：25 m/min。

2.傳動系統(tǒng)的改造方案[1]

原控制系統(tǒng)采用的是旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，是屬于20世紀(jì)50年代的產(chǎn)品，該方式設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、運行噪聲大、維護不方便、輸出回路采用分離元件作的模擬控制，控制精度差，無法實現(xiàn)智能化控制，對于軋鋼機的控制系統(tǒng)主軋鋼機、卷饒機、開卷機在工作時是個時變的，非線性的，采用模擬控制方法非常不便。

圖1 原軋機電控系統(tǒng)

改造后系統(tǒng)采用臺達CT2000系列變頻器，CT2000系列變頻器支持DEB，在軋機工作過程中如果出現(xiàn)緊急制動時方便能量在直流母線上饋送，而且其支持多種總線通訊協(xié)議，適用于惡劣的工作環(huán)境，控制裝置使用交流380V的3相標(biāo)準(zhǔn)交流輸入電壓，提供SPWM輸出電壓，可用于交流電機的調(diào)速控制，其具有眾多優(yōu)點。

① 裝置可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，這是簡單模擬技術(shù)無法實現(xiàn)的；② 標(biāo)準(zhǔn)軟件模塊與可組態(tài)的軟件控制電路相結(jié)合；③ 通過串行線路，可其他裝置或主機通訊；④ 再生控制功能，可以通過組建公共直流母線的運行方式，在公共直流區(qū)接入制動電阻，方便軋機快速往復(fù)工作的需要；⑤ 發(fā)生故障時，人機接口便自動顯示報警，同時自動保護停機。

（1）主軋機的控制

主軋機的控制采用恒轉(zhuǎn)矩控制方式，將原來的變流旋轉(zhuǎn)機組控制直接改為用一臺CT2000變頻器拖動交流電動機來實現(xiàn)。由于負(fù)載較重，所以在工作過程中上升時采用一個S斜坡函數(shù)發(fā)生器模塊來實現(xiàn)給定積分器的功能，使實際加到速度環(huán)的輸入信號是一個平穩(wěn)上升的斜坡信號，改變給定積分器的積分時間即可改變斜坡信號的上升斜率。

（2）可逆軋機的控制

可逆軋機有兩個相同的卷筒，根據(jù)軋制方向能起卷取和開卷作用，兩組傳動裝置是相同的，只是在卷取和開卷時的操作方法上有所不同。帶鋼的張力控制可分為間接張力控制和直接張力控制。

間接張力就是充分利用CT2000豐富的內(nèi)部模塊，把卷取或開卷的線速度給定、張力給定信號轉(zhuǎn)換成電機的電流和轉(zhuǎn)矩控制信號，以達到恒張力的控制的目的。

直接張力控制是用實測張力作為反饋信號，與給定信號相比較，用張力調(diào)節(jié)器，組成張力閉環(huán)對張力進行調(diào)節(jié)。從理論講直接張力控制系統(tǒng)是在轉(zhuǎn)速閉環(huán)基礎(chǔ)上套上一個張力環(huán)，組成雙閉環(huán)系統(tǒng)。但是比一般的系統(tǒng)復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：卷徑和轉(zhuǎn)動慣量均為變參數(shù)；張力矩在雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計中，負(fù)載力矩是外部擾動，但在軋鋼系統(tǒng)中張力是系統(tǒng)輸出量，張力矩是系統(tǒng)內(nèi)部固有的反饋量。當(dāng)考慮張力矩時，轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計不能按一般的雙閉環(huán)設(shè)計方法；卷取開卷機與主軋機間的帶鋼的動力學(xué)特性及數(shù)學(xué)模型都較復(fù)雜，在動態(tài)過程中帶鋼的張力與動態(tài)速變存在一個時間滯后的關(guān)系，其參數(shù)是變量。故采用間接張力控制的方法，通過前向通道把在一定的卷徑、張力給定下需要的電機轉(zhuǎn)矩計算出來，再把其轉(zhuǎn)換成特定磁通下的電流給定值輸出，同時檢測張力值，把張力偏差經(jīng)張力調(diào)節(jié)器計算后再折算成實際卷徑下的調(diào)節(jié)張力矩加到前面的力矩上，對張力進行調(diào)節(jié)。這種控制方法實際上也是直接控制電機的力矩，通過控制力矩來實現(xiàn)對張力的控制。由于由前向通道輸出的轉(zhuǎn)矩值是經(jīng)過補償?shù)姆椒ㄓ嬎愠鰜淼谋容^精確的值，它能夠基本保持張力恒定。再加上直接張力控制環(huán)的調(diào)節(jié)作用，以達到張力的精確控制。

動態(tài)補償：在實際運行中常有加、減速的，如單靠張力調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，可能會因調(diào)節(jié)不及時造成張力波動，這就要求在加速過程中為了保持張力不變，電磁轉(zhuǎn)矩中應(yīng)該附加負(fù)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩以補償需要放出的能量；在減速中則應(yīng)附加正的動態(tài)轉(zhuǎn)矩以補償卷繞機構(gòu)慣性所吸收的能量。

控制系統(tǒng)組成及功能實現(xiàn)

五臺臺達變頻裝置通過軟件組態(tài)，由西門子S7－300PLC 進行速度設(shè)定、張力設(shè)定，運行程序控制及各種連鎖順序操作等。輸入和參數(shù)修改通過一臺西門子的OP270操作屏來完成。五臺變頻調(diào)速裝置采用公共直流母線的接法，通過內(nèi)部電氣連接和軟件使五臺裝置成為一個整體。S7－300與變頻調(diào)速器、OP270操作屏組成現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)，協(xié)議采用RS485，完成整個軋機操作控制，控制系統(tǒng)組態(tài)圖如圖2所示。

圖2 改造后的軋機控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要有以下幾部分：

① 軋機、開卷機、卷取機分別由五臺交流電動機拖動，由臺達公司生產(chǎn)的VFDCT2000系列高性能矢量型變頻器輸出來控制電機；② 為達到所規(guī)定的張力范圍，開卷機及卷取機分別有兩臺電機組成，這兩臺的變頻裝置采用公共直流母線的方式通過內(nèi)部電氣連接和軟件配合使兩臺裝置成為一個控制整體，通過速度反饋實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制；③ 軋機的速度給定，寸動速度、張力大小可直接在操作屏進行調(diào)節(jié)；④ 在速度變換的過程中可自動進行慣性補償，補償量可在操作屏上進行設(shè)置；⑤ 在操作屏上實時顯示線速度，電機電流，張力值。壓下噸位顯示；⑥ 當(dāng)帶材斷裂，有警鈴工作，電機自動停止運行。

所選用的變頻器應(yīng)用設(shè)置及說明

1.變頻器的接線結(jié)構(gòu)圖

為實現(xiàn)上述功能，所選用的五個傳動點變頻器接線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 五個傳動點的電氣連接示意圖

2.變頻器主要參數(shù)設(shè)置

為實現(xiàn)上述的控制功能，對變頻器的主要參數(shù)設(shè)置如下表所示，由于篇幅限制，本次只列出部分主要的參數(shù)。

改造后運行效果

經(jīng)過改造后，軋機系統(tǒng)可以去掉一個420馬力電機，一臺240kW的發(fā)電機，四個84kW的發(fā)電機，節(jié)能效果非常明顯，一年可節(jié)約電費將近二十萬元。本套系統(tǒng)于2011年11月投入使用，經(jīng)實際驗證，其控制方法簡單、體積小、精度高，各項性能指標(biāo)均達到或優(yōu)于用戶的要求，是一個值得推廣的老系統(tǒng)改造方法。

表 變頻器參數(shù)表