一起熱軋主傳動(dòng)機(jī)電系統(tǒng)振蕩的故障處理

1 情況簡介

某熱軋廠R1 軋機(jī)為上下輥可逆軋機(jī)，電機(jī)功率為2 500 kW，采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大容量變頻裝置驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)單線圖如圖1 所示。自投產(chǎn)以來，該軋機(jī)運(yùn)行基本穩(wěn)定;但在軋制鋼種硬度較高以及有大壓下量時(shí)，很少出現(xiàn)的上下輥通過軋制材料形成的聯(lián)合振動(dòng)現(xiàn)象多次發(fā)生在粗軋機(jī)上，這樣電機(jī)速度振蕩，使電流隨著劇烈波動(dòng)而導(dǎo)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(yīng)進(jìn)行切換控制，即正常速度環(huán)的響應(yīng)頻率為30 rad/s，在咬鋼0.75 s后把速度環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(jī)的速度振蕩明顯減弱，滿足了軋鋼要求。

2 故障分析

軋機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)是由若干個(gè)慣性元件與彈性元件組成的“質(zhì)量彈簧系統(tǒng)”。R1 上輥軋機(jī)的傳動(dòng)數(shù)學(xué)模型如圖3所示。在穩(wěn)定加載時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生振蕩;但在軋制負(fù)荷擾動(dòng)下，“質(zhì)量彈簧系統(tǒng)”會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定的周期性的扭振，扭振的頻率就是質(zhì)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(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)就會(huì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，扭振狀態(tài)的峰值轉(zhuǎn)矩要比正常值大得多，從而加劇了扭振對傳動(dòng)軸系各部件的損壞。

R1 是上下輥可逆軋機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(dòng)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(dòng)。但當(dāng)軋制材料溫度低、硬度高及為高壓下量時(shí)，軋制材料的阻尼力會(huì)減少，從而使上輥軋機(jī)通過軋制材料連接成一聯(lián)合振動(dòng)體。聯(lián)合體的傳動(dòng)數(shù)學(xué)模型如圖5 所示。

通過仿真模型，計(jì)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(shè)定的速度環(huán)響應(yīng)角頻率為30 rad/s，對應(yīng)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(dòng)，引起速度波動(dòng)大，使相應(yīng)的電機(jī)電流波動(dòng)加劇，以至超過過電流限幅值，導(dǎo)致變頻裝置跳閘。但當(dāng)將咬鋼在0.75 s的后速度環(huán)響應(yīng)頻率切換到15 rad/s，則對應(yīng)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(shí)，通過投入SFC 功能，使連接軸產(chǎn)生的扭振幅度與持續(xù)時(shí)間也縮短，其結(jié)果是明顯減小了速度波動(dòng)，維持了軋制過程的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 故障處理

3.1 對速度環(huán)的控制參數(shù)進(jìn)行切換控制

該R1 上輥電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)與國內(nèi)同類熱軋R1 軋機(jī)的參數(shù)對比如表1 所列。從表1 中可看出，該R1 上輥電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，大約只有國內(nèi)同類R1 軋機(jī)的55%，因此該R1 上輥機(jī)電總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也明顯減小?？傓D(zhuǎn)動(dòng)慣量小的優(yōu)點(diǎn)是減小了電機(jī)的體積與制造成本，可以滿足更高動(dòng)態(tài)要求。

但是當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小(即圖6 中的GD2減少)，在承受沖擊負(fù)荷時(shí)動(dòng)態(tài)速降會(huì)增加，這樣將對板形及軋機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的影響，甚至?xí)ㄤ摗?/p>

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，為了避免過大的動(dòng)態(tài)速降，必須提高傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率到30 rad/s，但在軋制鋼種硬度較高以及大壓下量時(shí)，該聯(lián)合振動(dòng)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(dòng)，速度環(huán)的響應(yīng)速度又不得不降到15 rad/s。拋鋼時(shí)為了避免太大的速度上升，又不得不把速度環(huán)的響應(yīng)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(dòng)時(shí)，如咬鋼時(shí)，進(jìn)入軋輥間的板帶的變形阻力使軋機(jī)傳動(dòng)受到很大的制動(dòng)力矩，破壞了原有的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，電機(jī)會(huì)很快地減速，而速度調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩電流給定增加，試圖使電機(jī)的電壓增加。但另一方面，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，使電機(jī)的反電勢降低，而電機(jī)的電流迅速增加，使電流負(fù)反饋增大，系統(tǒng)力圖通過電流調(diào)節(jié)器使電機(jī)的電壓減少。這兩個(gè)調(diào)節(jié)作用是矛盾的，由于電流環(huán)響應(yīng)快，從而延緩了轉(zhuǎn)矩的增加速度，拖長了達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡的時(shí)間，加大了動(dòng)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(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方面存在不足。

SFC 是日本學(xué)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(gòu)成SFC模擬器。該模擬器取電流給定作為輸入量，經(jīng)過一個(gè)等效電流環(huán)時(shí)間常數(shù)的慣性滯后環(huán)節(jié)1/(TiS+1)，近似得到電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速棕贊 M，用該轉(zhuǎn)速與實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)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(bǔ)償量)加到電流給定值中去，達(dá)到消除外擾影響的目的。SFC 投入前后動(dòng)態(tài)加載時(shí)動(dòng)態(tài)波形如圖8 所示。從圖8 可看出在SFC 投入后當(dāng)連接軸承受沖擊負(fù)荷時(shí)，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(biāo)不治本。

4 結(jié)語

由于原軋機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，抗負(fù)荷擾動(dòng)能力差;又因?yàn)闆]有考慮到上下輥軋機(jī)可能通過軋制材料構(gòu)成聯(lián)合共振，從而導(dǎo)致上下輥軋機(jī)速度振蕩，變頻裝置保護(hù)跳閘。通過投入SFC控制，并對速度環(huán)的控制參數(shù)進(jìn)行切換控制，一方面，提高了R1 軋機(jī)抗擾動(dòng)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(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，在負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)速度雖然還有一定的波動(dòng)，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(jí)工程師，現(xiàn)在寶鋼股份公司設(shè)備部電氣技術(shù)室從事傳動(dòng)技術(shù)管理工作。