一起熱軋主傳動機電系統(tǒng)振蕩的故障處理

1 情況簡介

某熱軋廠R1 軋機為上下輥可逆軋機，電機功率為2 500 kW，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有大壓下量時，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)象多次發(fā)生在粗軋機上，這樣電機速度振蕩，使電流隨著劇烈波動而導致裝置跳閘(跳閘波形如圖2 所示)。通過投入SFC(外擾模型前饋控制)功能，并對速度環(huán)的響應進行切換控制，即正常速度環(huán)的響應頻率為30 rad/s，在咬鋼0.75 s后把速度環(huán)動態(tài)響應頻率從30 rad/s切換到15 rad/s，拋鋼前再切換到30 rad/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。

2 故障分析

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)就會處于不穩(wěn)定狀態(tài)，扭振狀態(tài)的峰值轉矩要比正常值大得多，從而加劇了扭振對傳動軸系各部件的損壞。

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，所以能產(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、硬度高及為高壓下量時，軋制材料的阻尼力會減少，從而使上輥軋機通過軋制材料連接成一聯(lián)合振動體。聯(lián)合體的傳動數(shù)學模型如圖5 所示。

通過仿真模型，計算出聯(lián)合體的固有頻率大約在8 Hz。原先電氣控制系統(tǒng)設定的速度環(huán)響應角頻率為30 rad/s，對應的電氣頻率為4.78Hz。則

電氣系統(tǒng)的頻率與聯(lián)合體的固有頻率相接近，從而造成上下輥聯(lián)合振動，引起速度波動大，使相應的電機電流波動加劇，以至超過過電流限幅值，導致變頻裝置跳閘。但當將咬鋼在0.75 s的后速度環(huán)響應頻率切換到15 rad/s，則對應的電氣頻率為2.39 Hz，

這樣，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，使連接軸產(chǎn)生的扭振幅度與持續(xù)時間也縮短，其結果是明顯減小了速度波動，維持了軋制過程的穩(wěn)定運行。

3 故障處理

3.1 對速度環(huán)的控制參數(shù)進行切換控制

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)對比如表1 所列。從表1 中可看出，該R1 上輥電機的轉動慣量小，大約只有國內同類R1 軋機的55%，因此該R1 上輥機電總轉動慣量也明顯減小?？傓D動慣量小的優(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 中的GD2減少)，在承受沖擊負荷時動態(tài)速降會增加，這樣將對板形及軋機的穩(wěn)定運行帶來一定的影響，甚至會卡鋼。

在設計系統(tǒng)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30 rad/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15 rad/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30 rad/s。

3.2 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，電機會很快地減速，而速度調節(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，由于電機轉速的降低，使電機的反電勢降低，而電機的電流迅速增加，使電流負反饋增大，系統(tǒng)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)1/(TiS+1)，近似得到電機的電磁轉矩M贊 e，再經(jīng)過積分環(huán)節(jié)1/JS 得到?jīng)]有外擾條件的電機轉速棕贊 M，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棕贊 C，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，達到消除外擾影響的目的。SFC 投入前后動態(tài)加載時動態(tài)波形如圖8 所示。從圖8 可看出在SFC 投入后當連接軸承受沖擊負荷時，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。

4 結語

由于原軋機在設計時，電機轉動慣量小，抗負荷擾動能力差;又因為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，變頻裝置保護跳閘。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。處理后的R1 軋機運行穩(wěn)定，在負荷擾動時速度雖然還有一定的波動，但是滿足了軋制工藝的要求。

作者簡介：

黃志剛，工程碩士，高級工程師，現(xiàn)在寶鋼股份公司設備部電氣技術室從事傳動技術管理工作。