一起熱軋主傳動機電系統(tǒng)振蕩的故障處理

一起熱軋主傳動機電系統(tǒng)振蕩的故障處理

1引言

某熱軋廠r1軋機為上下輥可逆軋機，電機功率為2500kw，采用三電平拓撲結構的大容量變頻裝置驅動，系統(tǒng)單線圖如圖1所示。自投產(chǎn)以來，該軋機運行基本穩(wěn)定；但在軋制鋼種硬度較高以及大壓下量時，多次發(fā)生在粗軋機上很少出現(xiàn)的上下輥通過軋制材料形成的聯(lián)合振動現(xiàn)象，電機電流瞬間劇烈波動到額定電流的320%，導致變頻裝置過電流跳電，跳電波形如圖2所示。通過投入sfc(外擾模型前饋控制)功能，并對速度環(huán)的控制響應進行切換控制，即正常速度環(huán)的響應頻率為30rad/s，在咬鋼后把速度環(huán)響應頻率切換到15rad/s，拋鋼前再切換到30rad/s。通過上述措施后r1電機的速度振蕩明顯減弱，滿足了軋鋼要求。

圖1三熱軋r1電氣傳動單線圖

圖2典型跳電波形

2故障分析

聯(lián)合速度振動的原因分析

軋機的主傳動系統(tǒng)是由若干個慣性元件與彈性元件組成的“質量彈簧系統(tǒng)”。r1上輥軋機的傳動數(shù)學模型如圖3所示。在穩(wěn)定加載時，系統(tǒng)不會發(fā)生振蕩；但在軋制負荷擾動下，“質量彈簧系統(tǒng)”會發(fā)生不穩(wěn)定的周期性的扭振，扭振的頻率就是質量彈簧系統(tǒng)的固有扭振頻率。如果該固有頻率與電氣頻率相吻合，整個傳動系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，扭振狀態(tài)的峰值轉矩要比正常值大得多，加劇了扭振對傳動軸系各部件的損壞。

圖3r1上輥傳動數(shù)學模型

圖3中：m1—電機的驅動力矩；

m2—軋輥上的軋制力矩;

j1—電機轉子的轉動慣量；

j2—軋輥的轉動慣量；

m12—連接軸的扭矩。

一般大型軋機主傳動系統(tǒng)的固有頻率為(10～20)hz。為了避免機電系統(tǒng)的固有頻率與電氣系統(tǒng)的頻率相吻合，要求機電系統(tǒng)的固有頻率與電氣系統(tǒng)的頻率錯開(3～5)倍以上。已知該r1上輥軋機的固有扭振頻率為，下輥軋機固有振蕩頻率為。r1上下輥傳動系統(tǒng)的速度環(huán)響應角頻率ωc為30rad/s，對應的電氣頻率為30/2π=30/=。則f機電固有頻率/f電氣頻率=/=＞3。說明原設計的電氣控制頻率與單機架軋機的固有振蕩頻率是基本錯開的，不易發(fā)生單機架機電系統(tǒng)的共振。

r1是上下輥可逆軋機，系統(tǒng)結構如圖4所示。在通常情況下，由于軋制材料溫度高、壓下量適中，軋制材料動態(tài)彈性系數(shù)低，能產(chǎn)生一定阻尼力來衰減上下輥的振動。但當軋制材料溫度低、硬度高及高壓下量時，軋制材料的阻尼力會減少，從而上輥軋機通過軋制材料與下輥軋機連接成一聯(lián)合振動體。聯(lián)合體的傳動數(shù)學模型如圖5所示。

根據(jù)公式：

通過仿真模型，計算出聯(lián)合體的固有頻率大約在8hz左右。原先電氣控制系統(tǒng)設定的速度環(huán)響應角頻率為30rad/s，對應的電氣頻率為。f聯(lián)合體固有頻率/f電氣頻率=8/=＜3，從而造成電氣系統(tǒng)的頻率與聯(lián)合體的固有頻率相接近，造成上下輥聯(lián)合振動，速度波動大，相應的電機電流波動加劇，超過過電流限幅值，使變頻裝置跳電。當咬鋼后速度環(huán)響應頻率切換到切換到15rad/s，則對應的電氣頻率為。f聯(lián)合體固有頻率/f電氣頻率=8/=＞3基本躲過了上下輥聯(lián)合體的固有頻率，避免了共振的出現(xiàn)。與此同時，通過投入sfc功能，連接軸產(chǎn)生的扭振幅度與持續(xù)時間也縮短，從而明顯減小了速度波動，維持了軋制的穩(wěn)定運行。

圖4上下輥、軋制材料的聯(lián)合體結構圖

圖5上下輥、軋制材料的聯(lián)合體傳動數(shù)學模型

3故障處理

對速度環(huán)的控制參數(shù)的進行切換控制

筆者把該r1上輥電機的設計參數(shù)與國內同類熱軋r1軋機的參數(shù)進行比較，如附表所示。該廠r1上下輥電機的轉動慣量小，大約只有國內同類r1軋機的55%，從而整個r1上輥機電總轉動慣量也明顯減小。這樣的優(yōu)點是減小了電機的體積與制造成本，可以滿足更高動態(tài)要求。但是當電機的轉動慣量減小，即圖6中gd2減少，當承受沖擊負荷時動態(tài)速降增加，對板形及軋機的穩(wěn)定運行帶來一定的影響，甚至會卡鋼。

圖6速度控制框圖系統(tǒng)設計時，為了避免過大的動態(tài)速降，必須提高傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應頻率到30rad/s；但在軋制鋼種硬度較高以及大壓下量時，該聯(lián)合振動頻率與電氣頻率接近，造成上下輥聯(lián)合共振。為了避免上下輥聯(lián)合振動，速度環(huán)的響應速度又不得不降到15rad/s。拋鋼時為了避免太大的速度上升，又不得不把速度環(huán)的響應提高到30rad/s。

投入sfc控制

一般雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在軋制擾動時，如咬鋼時，進入軋輥間的板帶的變形阻力使軋機傳動受到很大的制動力矩，破壞了原有的轉矩平衡關系，電機的速度很快地減速，速度調節(jié)器輸出的轉矩電流給定增加，試圖使電機的電壓增加。但另一方面，由于電機的轉速降低，電機的反電勢降低，電機的電流迅速增加，電流負反饋增大，它力圖通過電流調節(jié)器使電機的電壓減少。這兩個調節(jié)作用是矛盾的，由于電流環(huán)響應快，從而延緩了轉矩的增加速度，拖長了達到轉矩平衡的時間，加大了動態(tài)速降的幅度。這說明一般雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對軋制擾動的動態(tài)調節(jié)方面存在不足。

sfc是日本學者提出的一種工程簡化的外擾觀測控制系統(tǒng)，sfc的功能圖如圖7所示。f1(s)、f2(s)、f3(s)構成sfc模擬器。該模擬器取電流給定作為輸入量，經(jīng)過一個等效電流環(huán)時間常數(shù)的慣性滯后環(huán)節(jié)，近似得到電機的電磁轉矩，再經(jīng)過積分環(huán)節(jié)得到?jīng)]有外擾條件的電機轉速，用該轉速與實際電機轉速相減，求出受外擾影響下的速度變化，再經(jīng)f3(s)即比例環(huán)節(jié)輸出外擾電流的補償量加到電流給定值中去，消除外擾影響。sfc投入前后動態(tài)加載時動態(tài)波形如圖7所示。由圖8所示sfc投入后連接軸在承受沖擊負荷時，產(chǎn)生的扭振要比單純雙閉環(huán)控制系統(tǒng)有所改善，但并不能消除扭振?？梢赃@么說，sfc是治標不治本。

圖7sfc控制框圖

圖8sfc投入前后扭矩的波形4結束語

由于原軋機設計時，電機轉動慣量小，抗負荷擾動能力差；以及沒有考慮到上下輥軋機可能通過軋制材料構成聯(lián)合共振，從而導致上下輥軋機速度振蕩，變頻裝置保護跳電。通過投入sfc控制，并對速度環(huán)的控制參數(shù)進行切換控制。一方面，提高了r1軋機抗擾動能力；另一方面，通過速度控制參數(shù)切換，避免出現(xiàn)聯(lián)合共振。處理后r1軋機運行穩(wěn)定，滿足了工藝軋制要求。