浅谈冷轧机电气控制中的张力控制

彭湘建

摘要：在卷材卷取与开卷的时候，随着卷径的变化，其张力也将随之发生变化，为冷轧机的正常运行造成不利影响。本文主要阐述了冷轧机生产过程中张力波动的影响因素，以及张力控制的基本原理和张力的基本概念等，希望通过本文的研究为冷轧机生产过程中的张力控制提供有益的借鉴。

关键词：冷轧机；电气控制；张力控制

一、冷轧机运行过程中张力控制的意义

在冷轧机正常运转的过程中，对张力进行有效控制具有非常重要的意义。

（一）降低电机负荷

在冷轧机正常运转的过程中，卷材变形区的应力状态受到张力变化的影响也将发生相应的变化，使卷材的纵向压应力降低，从而降低了卷材的变形抗力和轧制压力，使冷轧机运转能耗大幅降低。在冷轧机正常运转过程中，前后张力均会改变冷轧机的轧制力矩，当前张力大于后张力的时候，道次的加工率将会增大，主电机的负荷也将会降低。

（二）有效控制基材厚度

根据弹跳方程轧出厚度H=轧辊辊缝S+轧制压力P/刚度系数K，冷轧机轧出厚度与轧制压力存在着直接关系，因此，通过改变轧制压力的办法可以有效高速轧出厚度，而轧制压力的改变又可以通过对张力的控制来实现，因此通过对冷轧机张力的控制可以有效控制基材的厚度。

（三）防止基材跑偏

影响带材生产稳定性的因素非常多，如设备的精密度、基材的均匀程度、设备运转的稳定性等。由于冷轧机受到各种不利因素的影响，将会产生一系列的问题，其中最为常见的问题是冷轧机运行过程中的带材跑偏。针对带材跑偏问题，目前较为常用的解决措施主要是增加偏导辊和开卷对中等措施，而这两种措施的局限性非常的明显。而通过对张力值的适当调节，保持张力的稳定性，对冷轧机的跑偏问题进行调整，具有无时滞、反应迅速的特点，是一种非常有效的调整方法。

（四）有效控制成品尺寸

带材的板形与尺寸是对带材质量进行衡量的一项重要指标，其产生的主要原因是带材的残余应力超过了允许拉应力，因此可以通过对冷轧机张力的控制，保持张力的稳定，保证沿带材宽度方向上的拉力低于允许拉应力，从而保持带材的板形和尺寸。

二、造成张力波动的主要原因

当来料厚度变小时，轧制力也相应的变小；当来料厚度变大时，轧制力则相应的变大。所以坯料厚度出现波动，轧制出的带材厚度也会产生相应的波动。另外轧机轧制速度也会造成冷轧机张力的波动。当冷轧机的轧制速度发生变化时，带材与工作辊之间的摩擦力也将发生较大的变化，并进而影响到冷轧机的张力波动。卷料直径的变化和带材线速度的变化，以及设备机械损耗、机械传动系统转动惯性的变化均会影响到冷轧机张力的波动。

三、有效控制张力的基本方法

冷轧机张力控制的基本方法主要有直接张力控制和间接张力控制两种。

（一）直接控制法

直接张力控制具有张力稳定、投资小的特点，但是采用直接张力控制的方法也具有操作不方便、高速时发热严重、调节精度低的缺陷，通常用于速度较低、张力精度要求较低的小型生产线。其工作原理为通过对安装在设备上的磁粉制动器线圈电流的控制或通过对安装在设备上的摩擦轮对摩擦垫的压力的控制直接形成设备所需的张力。

（二）比例控制法

比例控制法又称为间接张力控制法，其工作原理是通过对与张力相关的电气量的控制实现对张力的控制。比例控制系统由磁场控制和电枢电流控制两个独立的部分组成。卷取机传动机构如下图所示：

卷取机传动机构图

其中电动机的转矩计算公式为：

MD=CmIa=TD2i+M0±Md

其中MD表示电动机的转矩；Cm代表电动机的机构常数；T代表张力；D代表卷材料卷的直径；i代表减速机的减速比；代表电动机磁通；Ia代表电动机电枢电流；M0为电动机空转时的转矩；Md代表电动机运转速度增加与降低时的动态转矩。

根据上式我们可以推导出张力T的计算公式：

T=2CmiIaD=KmIaD

由上式可以看出，通过使Ia正比D/而变化或维持Ia等于常数，同时使/D等于常数均能维持张力T的恒定。

通过前面的分析我们可以看出：磁场控制部分的工作原理是通过对电动机励磁电流的调节，使磁通与卷材料卷D之间呈正比变化，从而保持/D比值的恒定；电枢电流控制部分的工作原理是通过对电动机电枢电压的调节维持Ia的恒定。

由于电枢电阻R的值很小，所以当电势量E和电枢电压μ发生变化时，即使变化量很细微，电枢电流Ia也会发生较大的变化，因此通过电枢电流控制部分是主要的，磁场控制部分的变化较慢，通常应用于卷径D发生变化的情况。

比例控制法具有易于搭建控制系统、结构简单的优点，同时其缺点也十分明显，当系统不在最大卷径下工作时，电机一直在弱磁状态运转，不能充分发挥出电机的效率；而当卷径发生较大的变化时，弱磁倍数增加，提高了对电机的要求，不利于设备的选型。

（三）动态补偿法

当采用间接张力控制法时，保证张力控制的准确性是非常重要的。为了对张力控制的准确性给予保障，对冷轧机本身固有的摩擦力和其在运转速度变化过程中的转动惯量对转矩所造成的影响加以充分的考虑是非常必要的，在实际应用的过程中，动态转矩和空载转矩是不容忽视的，为了保证冷轧机卷绕过程中的张力恒定，需要从冷轧机电动机的空载补償电流、动态补偿电流和张力电流三个部分对电动机的电流进行有效控制。

参考文献：

[1]村上晃，中山万希志，前田恭志，付亚君.冷轧机自动厚度和张力控制系统的张力目标值优化[J].本钢技术，2011，（2）：3641.

[2]孙孟辉.冷带轧机板厚控制系统的模糊预测控制[J].南京理工大学学报，2014，（2）：216221.