提高安钢3500 mm炉卷轧机主传动设备能力的实践

2013-10-13胡伟平刘威郝军强张新庆李艳芳

河南冶金 2013年1期

胡伟平刘威郝军强张新庆李艳芳

(安阳钢铁股份有限公司)

0 前言

安钢3500 mm炉卷轧机自投产以来，不断进行产品的开发，现已开发到X80管线钢，钢板的硬度和强度也在不断增加，主传动和主电机的设备能力已达到使用极限。日常轧制过程中的粗轧道次，主电机电流基本上都在150%以上，甚至高达最大限幅电流225%，从而导致电机堵转时有发生。而且在轧机咬钢期间，主电机电流在瞬间变化到额定电流的200%左右，电流的变化率极快，使主传动设备功率元件处于过流和冲击状态，对功率元件的损坏很大，严重影响主传动设备功率元件的使用寿命。同时，咬钢的大负荷冲击也严重影响主电机使用寿命，危及着电机的安全。另外轧机奇偶道次转矩不同，也严重制约了生产顺行，管线钢轧制碰到了技术难题。

1 存在问题

以当前产品的生产现状和要求，生产高强板时出现传动和电机等电气设备处于频繁过流和过载的实际使用情况，对电气设备的使用寿命很不利，存在下列问题：

1)目前，炉卷轧机轧制高强板(Q460以上级别)特别是管线厚规格20 mm以上时，粗轧道次过流、过载频繁，电机转距经常达到200%以上。该情况已经影响到高强板的正常生产工艺，无法满足高强板低温加热工艺要求，造成被迫提高加热温度去满足轧机能力;二是无法保证正常除鳞要求，容易出现表面麻点;三是因粗轧负荷过流，造成精轧压下量过大，影响高强板的板形和轧成率。

2)在轧制高强板时，经常出现咬钢瞬间传动过流跳闸故障。

3)轧制奇偶道次转距不均衡问题比较突出，特别是奇数道次超限问题严重。在此之前曾出现偶道次负荷超限频繁，是由于大批量极限规格的管线钢的轧制，使轧机主电机铁芯磁场发生变化。经过传动调试参数补偿后，频繁出现奇数道次过载现象。

分析看出，导致以上三种问题原因为炉卷轧机主传动总是工作在超负荷状态，长期过流保护导致元件性能恶化，且在出现一起IEGT烧损事故后，由于该元件是国外备件，存在明显的准备周期长和价格昂贵的缺点。所以对该现象的解决和改造刻不容缓。

2 问题分析

安钢炉卷主传动采用大功率IEGT变频器是东芝公司自行研制的3 kV 3 kA级别的高通断能力的功率元件。系统频繁导致过载的原因，除了存在的磁场变化引起的外，还有就是功率元件的先天不足，由于只能耐受4500 A的电流，虽然功率上能够满足轧机的要求，但是整个装置的过流能力，无法满足均方根热效应，也就是说该装置，耐受长期超负荷运转的能力较差，而目前生产的钢种恰恰要求工作在极限区域，经常出现过转矩现象，严重威胁着元件的运行寿命。

通过采集数据，先后对炉卷轧机主电机控制系统的设备在硬件和软件上进行跟踪。分别从主电机的雪橇控制功能、冲击功能、负荷平衡功能以及生产中出现的主电机编码器连接导线易受干扰系统等方面判断问题产生的原因。

通过跟踪和数据分析，发现主电机长时间运行在过载状态下，电机的参数和特性有所变化，电气的磁通曲线和转子的矢量控制电气角度发生了改变。在轧制过程中，出现了无功电流增大导致定子电流超限，单向道次转矩超限，励磁过载。在轧制的前几道次，一般过载120% ～225%电流左右。与西门子传动不同，西门子传动上电后，控制柜会自动检测转子角度，根据电流、电压的反馈计算出磁通，而TMEIC传动中转子位置检测要通过初期现场调试得到，然后写入参数，控制柜不会自动检测转子位置。所以主电机长时间运行在过载状态下，电机的参数和特性有所改变，电气的磁通曲线和转子的矢量控制电气角度发生了改变，是引起主电机过转矩励磁过载的主要原因。

主电机过转矩问题，特别是在轧制X70管线钢以来，炉卷主电机奇道次过转矩225%，而偶道次转矩只有170%左右，奇道次转矩大于偶道次转矩30% ～40%，经常造成钢种轧废或改判，已经严重影响生产。

3 采取措施

由于元件的功率特性和整流柜型号限制而导致的不能满足工艺要求，故把提高元件的寿命，优化系统的结构和重点解决磁力线纠偏作为改进设备能力的工作重点，具体实施如下：

3.1 提高元件寿命

IEGT(电子注入增强栅晶体管)变频器是典型的三电平脉冲宽度调制(PWM)交—直—交变频器，与普通的二电平变频器比较：输出相电压电平数量增加了1个，线电压电平数量增加了2个，这样就使每个电平幅值相对降低，直流母线上的电压仅为普通二电平变频器直流母线电压的一半。因此，在同等开关频率的前提下，使变频器输出波形质量有较大改善，输出电压变化率也相应下降。直流缓冲吸收回路由于直流电容器与IEGT功率桥臂之间存在电抗，因此当IEGT关断和续流二极管恢复时将产生浪涌电压。IEGT关断时产生的浪涌电压是在关断瞬间流过IEGT桥臂的电流产生的瞬态高压。

IEGT由一组脉冲来控制导通和关断，当该IEGT桥臂关断时，负载电流不会立即变化，关断时下桥臂上的电压将上升，直到比母线电压高出一个压降值，上桥臂续流二极管随后导通，以防止电压进一步上升。但实际电路中存在寄生电感(LO)，会产生增加的电压，这个电压与电源电压叠加并以浪涌形式加在下桥臂IEGT的两端，在极端情况下可能超过元件耐受反向击穿电压而导致桥臂损坏。同样在续流二极管恢复时也会产生与关断时相似的浪涌电压而可能导致桥臂损坏。正常情况下，IEGT桥臂上的阻容吸收能消耗IEGT关断时和续流二极管恢复时产生的浪涌电压来保护IEGT。在另一种极端情况下，如IEGT的一个桥臂出现故障后，系统设计一般是采用高速关断故障桥臂的同时，采用高速关断和电源限流保护、直流缓冲吸收电路等措施来保护其他正常桥臂的IEGT。但该种情况正常桥臂上的IEGT可能还会因为电动机侧或交流输入侧产生的瞬时过电压而损坏。通过增加IEGT放电电阻来减少故障状态下的过电压，使正常桥臂的IEGT电压在此过程中保持在IEGT能承受的额定电压范围内，不致于损坏正常桥臂的IEGT，以提高系统的可靠性。

3.2 优化系统结构

传动柜内部功率单元和母线长期过流，内部连接需要维护。并且如果单元母排联接接触性能低，使系统不可能长期稳定运行。IEGT功率单元通过铜母排与主母排联接，发现铜母排有严重的变色，研究其原因，考虑是否为疲劳或故障的迹象，结果是：①机械力：当把IEGT功率单元安装到传动柜内时，使用螺丝来联接母排，在联接过程中，压力不规则，造成联接松动。②铜排氧化：铜排氧化后，阻抗变化引起过热现象。铜排联接问题是系统长期稳定工作的一个重要因素，为此采取以下措施优化系统结构：

1)改换垫圈来获得更好的接触性能;

2)原联接螺丝为铁螺丝，换成SUS螺丝，与铜排的温度特性一致;

3)去除铜排表面的氧化层;

4)使用化学粘合剂提高接触性能。

改造期间在拆卸原来的母排时已经发现多处发黑和麻点状况，说明由于机械性能不够，铜排变形，导致接触电阻值增大，已经出现了打火隐患。由于主传动内部的连接铜排螺丝孔大，电流密度不能满足要求，根据传动装置的实际情况，决定将IEGT内部连接铜排加大尺寸，以提高连接对抗变形的能力，减少螺丝孔直径，增大电流通过密度。修复工作完成后，电气连接接触性能较TMEIC传统的连接方式，其性能提高了300%。

3.3 磁力线纠偏

由于长期大负荷运转之后，机电性能有恶化趋势，主轧机下辊主传动已经出现励磁滑环粗糙的问题。虽然经过自制的油石研磨，改用进口碳刷，但仍有继续恶化的趋势。

通过不断跟踪研究，制定出了相应的对策。首先对炉卷轧机主电机控制系统的电气参数进行了修改优化，消除雪橇功能和负荷平衡切换对电流波动的影响。其次对电机的磁通曲线在线通过系统软件进行了优化，重新进行了调试和修改。提高转子位置检测和初始定位精度。最后通过现场工程试验的方法，观察和记录主电机转矩和轧制力，压下量等参数的关系，现场多次修改主电机转子的初始角度，逐步优化位置参数，解决了电机频繁极限过转矩励磁过载的问题，为轧制薄规格和管线钢的压下表的优化提供了支持。

4 效果分析

未修改转子初始角度，在压下量和轧制力较小的情况下，主电机的转矩呈现奇道次转矩较大，转矩输出和工艺参数的关系反映不正常，电气控制存在问题。随着电气参数的修改，转矩输出和工艺参数的关系逐步正常，呈现正常的工艺规律。

修改前后的前6道次轧制过程数据对比见表1，钢种为Q460，目标厚度20 mm。

表1 转子初始角度修改前后轧制数据

由表1可以看出，通过改进，奇道次转矩大的问题彻底解决，主机负荷趋于平稳。

在传动控制软件升级的基础上，把单项参数的摸索调试改为了自动全方位参数优化模式，使用成功后经过和手动调试参数的对比，特性曲线基本重合，完全满足电机要求。重利用该方法调试找好磁力线至今，主传动未发生过转矩跟道次相关的不平衡情况，充分发挥了主传动的设备能力，使得管线钢的轧制由极限规格变成了日常规格。并为以后更高级别的钢种调试创造了机会。