西門子變頻器在熱軋卷取機上的應用

摘要：本文以SIENMENS 6SE70系列變頻器為例，闡述了采用TDC控制器，以閉環張力控制模式的交直交變頻在熱軋板帶卷取機上的應用。實踐證明應用變頻技術設備運行穩定，故障率低，取得了良好的成果和經濟效益。

關鍵詞：西門子；變頻；張力控制；卷取

1 引言

卷取是熱軋帶鋼最后一道工序，為了保證卷取質量，必須要求控制系統過載能力強，控制精度高，動態響應快，能隨時響應主速度變化(軋制速度跟隨)，從而保證卷取過程中始終都能保持穩定的張力。這一問題在唐山不銹鋼公司08年4月調試投產的1580熱軋中寬帶生產線上已經得到完美的解決。

2 卷取系統組成

如圖1所示，唐山不銹鋼公司1580mm中寬帶熱軋生產線安裝有兩臺地下卷取機，輪流卷取，生產節奏較快。同時允許單臺卷取機離線檢修，保證全線不間斷生產。該軋線自動控制系統使用了先進的高性能SIEMENS TDC控制器，傳動裝置均采用西門子 6SE70系列裝機裝柜型交直交變頻器，控制器與傳動裝置采用DP通訊。

末架軋機電機功率為7000KW，輥道電機功率9.2KW，上、下夾送輥電機功率350KW，助卷輥電機功率75KW，芯軸卷筒電機功率為1000KW，但是卷筒電機設計允許3倍過載60秒（卷取完成后，要求快速停車卸卷），所以芯軸的傳動由3臺1000KW功率裝置并聯驅動（一主兩從），兩臺從動裝置通過通過光纖接收主動裝置的CUVC信號。

3 卷取系統主要控制模型

為了獲得良好的卷型及卷取質量，卷取系統必須保證有穩定的張力控制，包括卷取與軋機的張力平衡、卷取系統內部張力平衡及卷徑實時跟隨計算。

3.1系統張力分析

在一個完整的收卷過程中，系統張力有一個明顯分水點，就是末架軋機拋鋼。參考下圖2，以軋制方向為參考正方向。軋機拋鋼前，夾送輥力矩M1＋ 芯軸力矩M2≥軋機力矩M0。這時，我們認為軋機力矩M0為負值：轉動方向與軋制方向一致，但對鋼帶的作用力方向與軋制方向相反，軋機為正向制動；夾送輥和芯軸為正向拖動，M1、M2為正值。軋機拋鋼后，M0消失，這時為了穩定卷筒張力，夾送輥與芯軸平衡張力，M2≥M1，且M1為負值，夾送輥轉為正向制動。PDA實時曲線也能證明這點，

如圖3所示。X點就是軋機拋鋼的臨界點。

在X點之前，夾送輥速度和力矩并沒有變化。芯軸力矩在加速過程中有所增長，但咬鋼且速度穩定后又回落為低值。X點之后，即軋機拋鋼之后，卷筒張力迅速升為15KNm左右，而夾送輥合力矩為-8KNm左右（如圖示其中下夾送輥為-2.5KNm，上夾送輥為-5.5KNm）。

圖3也反映出張力控制中一個極其重要因素：轉矩限幅和速度上限。在C1 mandrel speed曲線中，X點前，電機轉速與設定轉速的跟隨性很好，而X點之后，實際速度與給定速度的偏差十分明顯，但這并不是故障，而是限幅的運用。X點之前，因為軋機仍然咬鋼，為了既保證張力，又能達到速度平衡，所以利用軋機主機實際速度信號作為卷取恒張力變頻器的速度上限，同時TDC放寬了轉矩限幅；X之后，已經不存在和軋機速度匹配問題，所以將轉矩限幅重新投入，使芯軸和夾送輥間的力平衡按照設定曲線輸出。可以看到，夾送輥和芯軸在X點之后，同時有一個降速過程，從而使卷筒帶鋼表面張力仍能達到平衡。

3.2 張力控制計算

在該線卷取系統中，電機的輸出轉矩都是通過裝置內霍爾電流互感器測得的電流計算得到，速度是通過電機編碼器實際反饋。

為了維持帶鋼表面張力穩定，且調節電機轉速。首先由帶鋼線速度和卷筒的卷徑實時計算出同步匹配頻率指令，即：

F=(V×p×i)/(π×D)

其中：

F–變頻器同步匹配頻率指令；

V–材料線速度；

P–電機極對數(變頻器根據電機參數自動獲得) ；

i–機械傳動比 ；

D–卷筒的卷徑。

然后通過張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設定值構成PID閉環，調整變頻器的頻率指令。

這種控制模式下要求變頻裝置的PID調節性能非常較高，同步匹配頻率指令要準確，這樣系統才能穩定運行，否則系統會發生震蕩。TDC控制器完全能夠勝任模型計算的任務，而經過近一年的設備運轉情況來看，西門子 6SE70系列變頻器在穩定的PID調節運算方面也有足夠的優勢。

3.3 卷徑計算

忽略其他機械傳動比等因素，通過圖5，可以得出準確的計算卷徑與帶鋼表面穩定張力的關系：

帶鋼所受力矩T=芯軸張力F×卷徑/2（力臂）

在卷取過程中鋼卷的卷徑在不斷增大，也就是說張力控制必須很好地跟隨卷徑變化，才能獲得穩定的張力控制，可見卷徑計算非常重要。TDC模型計算其公式如下：

D=(I×V)/(π×n)

其中：

D–所求卷徑；

I–機械傳動比；

n–電機轉速；

V– 線速度 。

當系統運行速度較低時，帶鋼線速度和變頻器輸出頻率都較低，較小的檢測誤差就會使卷徑計算產生較大的誤差，所以要設定一個最低線速度，當材料線速度低于此值時卷徑計算停止，卷徑當前值保持不變。

4 結束語

08年4月份投產至今，唐山不銹鋼公司1580mm熱軋生產線的卷取系統一直運行穩定，完全滿足生產要求，未發生起套、拉斷等事故，充分體現了西門子TDC與6SE70變頻器的高性能、維護量小等特點，也是控制器與功率單元良好配合的成功例子。

參考文獻

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