负荷平衡控制在连铸机中的应用

1、负荷平衡控制在连铸机中的应用【摘 要】本文阐述了连铸扇形段的负荷平衡控制在板坯连铸生产中的应用。采用微调单个电机转速设定值的方法来调整电机的输出转矩，使总的拉坯力按照一定的比例分配到驱动扇形段的各个电机上。该控制系统在实际应用中起到了节约能源，提高板坯质量的作用。【关键词】连铸机 变频调速 矢量控制 PLC PROFIBUS_DP网络 PID调节1.前言连铸机的负荷平衡控制是板坯连铸传动控制的关键技术之一，对连铸生产、提高板坯质量和降低能源消耗都具有重要的意义。板坯连铸机的扇形段一般有十几个段，一般情况下每个段都有两个驱动辊，每个驱动辊都由一个电机单独驱动。负荷平衡控制的目的就是要扇形段的二十

2、多台电机在生产过程中，根据不同的钢种和拉速，生产工艺要求使这些电机根据其所处的位置该出力大的出力大，该出力小的出力小，共同提供一个稳定的拉坯力，以保证所生产板坯的质量。同时还要速度一致，负荷和电流分布适当。否则，会造成这些电机有的负荷太重，有的负荷太轻甚至出反力，会导致功率内耗造成能源浪费。目前，国内做的连铸机对负荷平衡控制应用的还不广泛，处于起步阶段。在国外做的连铸机上，负荷平衡控制应用的非常广泛。负荷平衡控制已逐渐成为连铸机设计的一个关键技术和亮点。2.负载的机械性和控制方式2.1 负载的机械性负载的机械特性是指生产机械工作机构的转矩与转速之间的函数关系，负载根据其机械特性的不同可分为：恒

3、转矩负载、风机泵类负载、恒功率负载。2.1.1 反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载的负载转矩是由摩擦力产生的，它的绝对值大小不变，但作用方向总是与旋转方向相反，是阻碍运动的制动性转矩。当转速为正时，负载转矩为正且为常数，是阻碍运动的制动性转矩；转速为负时，负载转矩也为负，且负载转矩的大小不变。在nm、Tm坐标系中，反抗性恒转矩负载的机械特性是位于I、III象限且与纵轴平行的直线。2.1.2 位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载的转矩是由重力作用产生的。其特点是工作机构的转矩绝对值大小恒定不变，而且作用方向也保持不变。当转速为正时，负载转矩为正，是阻碍运动的制动转矩；转速为负时，负载转矩变成帮助运动的

4、拖动转矩了。在nm、Tm坐标系中，位能性恒转矩负载机械特性是穿过I、IV象限的直线。2.2 风机、泵类负载机械特性。鼓风机、水泵、输油泵等流体机械，其转矩与转速的二次方成正比，即TLn2。这类生产机械只能单方向旋转。2.3 恒功率负载机械特性恒功率负载在不同速度下负载转矩与转速差不多成正比。2.4 连铸扇形段的负载特性扇形段辊子驱动装置利用液压缸驱动传动辊压紧铸坯或引锭杆，电机驱动传动辊旋转，将铸坯拉出或送、拉引锭杆。送引锭杆时，负载转矩主要是由重力作用产生的，此时属于位能性恒转矩负载。拉坯时，负载转矩主要是由重力转矩和结晶器与铸坯之间的磨擦力合成的，重力作用变成拖动转矩了。此时重力作用要小于

5、结晶器与铸坯之间的磨擦力，负载转矩还是与转速方向相反的。也就是说连铸机扇形段是反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载的合成。连铸扇形段负荷平衡控制的实施方案负荷平衡控制应用在连铸扇形段的辊子驱动系统。在浇注期间驱动电机通过减速机和万向联轴器驱动扇形段的驱动辊插入引锭杆和拉出热坯。通过液压缸将驱动辊压下到铸坯或引锭杆上，确保板坯和驱动辊之间的正确接触。通过驱动辊与铸坯或引锭杆之间的静磨擦力插入引锭杆和拉出热坯。3.负荷平衡控制扇形段驱动装置间的负荷平衡，用于在铸流上产生一个恒定的拉坯力。一般情况下，在弧形段和矫直段内弧侧的拉坯力比外弧侧的大。在水平段，两侧的拉坯力相同。就连铸扇形段负荷平衡控制系统的

6、实现方法而言有方案：3.1 扇形段的电机通过变频器控制，以作为负荷平负控制器，通过微调各个变频器的频率设定值控制每个电机的输出转矩。采集各个电机的输出转矩，然后求和，再除以扇形段电机的数量，作为各个扇形段转矩设定的参考值。该参考值再乘上各段相应的负荷系数就是各扇形段电机的输出转矩设定值。可通相应的过负载系数来调整每个电机的负荷分配。负载系数的取值范围在-100 - 0 - +100 %之间。如果负载系数为负则产生与拉速方向相反的转矩。负荷平衡控制器根据实际转矩与参考转矩之差，连续调整各个传动装置的速度。控制原理如图1所示，在负荷平衡控制中，对每个电机而言近似于是串级控制。在中执行的是转矩控制，

7、在变频器中执行的是转速控制。转矩控制的输出修改转速控制的设定值。图13.2 如图2所示，负荷平衡用各个变频器内的速度环来实现。总的参考速度由根据实际所需的板坯拉速给出。将电机的输出转矩反馈到转速的设定值上，其它别的控制都由变频器来实现。这样当转矩增大时速度就将低一些，当转矩减少时速度就升高一些。这样就能保持各个扇形段电机的负荷相同。最后实际的电机速度要比设定的电机速度低10。Segment .# +1drive roll motor SlabTorque signalSpeed droop-+Motor RegulationVector ControlM3 Speed ref.Speed fe

8、edbackV.S. DRIVESegment .# Ndrive roll motor Torque signalSpeed droop-+Motor RegulationVector ControlM3 Speed ref.Speed feedbackV.S. DRIVEOther segmentsPLCroll roll 图2图23.3 在本方案中，可确保扇形段上各个电机按照预定的比例分配总的拉坯力。负荷平衡主要通过变频器来实现，从控制扇形段电机的24个变频器中选一个变频器作为主变频器，其它变频器作为从变频器。主变频器采用速度控制，从变频器采用转矩控制。主变频器实际转矩乘以作为从变频器转

9、矩控制的设定值。如图3所示：图3每个变频器都可能是主或从，也可能不参与负荷平衡控制。这些状态由铸流自动选择。通常主变频器是用于跟踪系统的变频器。一旦当前的主变频器出现故障，自动化系统将自动的将主变频器切换到别的变频器上。上述方案，从功能上来讲第一种方案和第二种方案差不多，都能实现在扇形段各电机上按比例分配总拉坯力的功能。第二种方案与其它两种方案相比在功能性方面要差一些。不能实现按预定的比例分配总拉坯力，只能实现总拉坯力的平均分配，只能启到节约能源的作用，不能起到开发新钢种提高板板质量的作用。由于纯转矩控制容易飞车，故第一种方案与第二种方案相比具有可靠性高、可操作性强，不需主从切换控制简单的优点

10、。在各方案中，天铁热轧1#连铸控制系统中采用第一种方案。采用串级调节的方式进行负荷平衡控制。通过控制转速来控制转矩，用PLC来实现转矩控制，用变频器来实现转速控制。PLC采用德国西门子公司s7 400系列，变频器采用西门子masterdriver系列工程型变频器。变频器采用带速度闭环的矢量控制。PLC和变频器之间通过PROFIBUS_DP网络进行通信。4.调试和投运调试和投动步骤：4.1 变频器的接线及安装完成后，进行打点校验，经校验无误后对变频器柜进行上电。4.2 将变频器恢复出厂设置，对变频器进行简单设置。4.3 通过变频器操作面板操作变频器驱动现场的电机运行，这次运行是开环运行，主要是为了对电机进行试转。4.4 对变频器进行专家参数设置，进行变频器的参数设置进行优化，对变频器所驱动的电机进行模型辨识。4.5 投变频器的速度闭环。4.6 PLC的接线及安装完成后，进行打点校验，经校验无误后对PLC柜进行上电。4.7 下装PLC的程序。4.8 做PLC与变频器之间的通讯