一起熱軋主傳動(dòng)機(jī)電系統(tǒng)振蕩的故障處理

一起熱軋主傳動(dòng)機(jī)電系統(tǒng)振蕩的故障處理

1引言

某熱軋廠(chǎng)r1軋機(jī)為上下輥可逆軋機(jī)，電機(jī)功率為2500kw，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(xiàn)圖如圖1所示。自投產(chǎn)以來(lái)，該軋機(jī)運(yùn)行基本穩(wěn)定；但在軋制鋼種硬度較高以及大壓下量時(shí)，多次發(fā)生在粗軋機(jī)上很少出現(xiàn)的上下輥通過(guò)軋制材料形成的聯(lián)合振動(dòng)現(xiàn)象，電機(jī)電流瞬間劇烈波動(dòng)到額定電流的320%，導(dǎo)致變頻裝置過(guò)電流跳電，跳電波形如圖2所示。通過(guò)投入sfc(外擾模型前饋控制)功能，并對(duì)速度環(huán)的控制響應(yīng)進(jìn)行切換控制，即正常速度環(huán)的響應(yīng)頻率為30rad/s，在咬鋼后把速度環(huán)響應(yīng)頻率切換到15rad/s，拋鋼前再切換到30rad/s。通過(guò)上述措施后r1電機(jī)的速度振蕩明顯減弱，滿(mǎn)足了軋鋼要求。

圖1三熱軋r1電氣傳動(dòng)單線(xiàn)圖

圖2典型跳電波形

2故障分析

聯(lián)合速度振動(dòng)的原因分析

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)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，加劇了扭振對(duì)傳動(dòng)軸系各部件的損壞。

圖3r1上輥傳動(dòng)數(shù)學(xué)模型

圖3中：m1—電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩；

m2—軋輥上的軋制力矩;

j1—電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

j2—軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

m12—連接軸的扭矩。

一般大型軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率為(10～20)hz。為了避免機(jī)電系統(tǒng)的固有頻率與電氣系統(tǒng)的頻率相吻合，要求機(jī)電系統(tǒng)的固有頻率與電氣系統(tǒng)的頻率錯(cuò)開(kāi)(3～5)倍以上。已知該r1上輥軋機(jī)的固有扭振頻率為，下輥軋機(jī)固有振蕩頻率為。r1上下輥傳動(dòng)系統(tǒng)的速度環(huán)響應(yīng)角頻率ωc為30rad/s，對(duì)應(yīng)的電氣頻率為30/2π=30/=。則f機(jī)電固有頻率/f電氣頻率=/=＞3。說(shuō)明原設(shè)計(jì)的電氣控制頻率與單機(jī)架軋機(jī)的固有振蕩頻率是基本錯(cuò)開(kāi)的，不易發(fā)生單機(jī)架機(jī)電系統(tǒng)的共振。

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，能產(chǎn)生一定阻尼力來(lái)衰減上下輥的振動(dòng)。但當(dāng)軋制材料溫度低、硬度高及高壓下量時(shí)，軋制材料的阻尼力會(huì)減少，從而上輥軋機(jī)通過(guò)軋制材料與下輥軋機(jī)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。

根據(jù)公式：

通過(guò)仿真模型，計(jì)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(shè)定的速度環(huán)響應(yīng)角頻率為30rad/s，對(duì)應(yīng)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(dòng)，速度波動(dòng)大，相應(yīng)的電機(jī)電流波動(dòng)加劇，超過(guò)過(guò)電流限幅值，使變頻裝置跳電。當(dāng)咬鋼后速度環(huán)響應(yīng)頻率切換到切換到15rad/s，則對(duì)應(yīng)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(guò)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(guò)投入sfc功能，連接軸產(chǎn)生的扭振幅度與持續(xù)時(shí)間也縮短，從而明顯減小了速度波動(dòng)，維持了軋制的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4上下輥、軋制材料的聯(lián)合體結(jié)構(gòu)圖

圖5上下輥、軋制材料的聯(lián)合體傳動(dòng)數(shù)學(xué)模型

3故障處理

對(duì)速度環(huán)的控制參數(shù)的進(jìn)行切換控制

筆者把該r1上輥電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)與國(guó)內(nèi)同類(lèi)熱軋r1軋機(jī)的參數(shù)進(jìn)行比較，如附表所示。該廠(chǎng)r1上下輥電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，大約只有國(guó)內(nèi)同類(lèi)r1軋機(jī)的55%，從而整個(gè)r1上輥機(jī)電總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也明顯減小。這樣的優(yōu)點(diǎn)是減小了電機(jī)的體積與制造成本，可以滿(mǎn)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g(shù)d2減少，當(dāng)承受沖擊負(fù)荷時(shí)動(dòng)態(tài)速降增加，對(duì)板形及軋機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定的影響，甚至?xí)ㄤ摗?/p>

圖6速度控制框圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免過(guò)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30rad/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15rad/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30rad/s。

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)的速度很快地減速，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)的轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)的反電勢(shì)降低，電機(jī)的電流迅速增加，電流負(fù)反饋增大，它力圖通過(guò)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(zhǎng)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(shuō)明一般雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)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(jiǎn)化的外擾觀(guān)測(cè)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(guò)一個(gè)等效電流環(huán)時(shí)間常數(shù)的慣性滯后環(huán)節(jié)，近似得到電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，再經(jīng)過(guò)積分環(huán)節(jié)得到?jīng)]有外擾條件的電機(jī)轉(zhuǎn)速，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，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，消除外擾影響。sfc投入前后動(dòng)態(tài)加載時(shí)動(dòng)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(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(shuō)，sfc是治標(biāo)不治本。

圖7sfc控制框圖

圖8sfc投入前后扭矩的波形4結(jié)束語(yǔ)

由于原軋機(jī)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；以及沒(méi)有考慮到上下輥軋機(jī)可能通過(guò)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)跳電。通過(guò)投入sfc控制，并對(duì)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(guò)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(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，滿(mǎn)足了工藝軋制要求。