同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)典型勵磁故障分析

付紅寶

(寶鋼集團(tuán)梅山鋼鐵公司熱軋板廠，江蘇 南京 210039)

0 引 言

梅鋼1422熱軋技術(shù)改造后，可逆軋機(jī)R2主傳動采用日本TMEIC公司同步電動機(jī)、全數(shù)字化矢量控制TMDrive-70 IEGT三電平交直交變頻器。勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)是同步電動機(jī)控制的核心部件。同步電動機(jī)勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)由兩組三相全控整流橋并聯(lián)運行。勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過壓保護(hù)分兩部分： 浪涌抑制器——吸收進(jìn)線電源的尖峰過電壓；阻容吸收回路——吸收晶閘管在關(guān)斷時產(chǎn)生的尖峰過電壓。將電阻與電容串聯(lián)后與晶閘管并聯(lián)，通過電容的充放電和電阻的能量消耗來吸收和消耗晶閘管導(dǎo)通、關(guān)斷時產(chǎn)生的尖峰過電壓，避免晶閘管發(fā)生擊穿及損壞。阻容吸收除主要作用于過電壓保護(hù)外，還具有一定抑制諧振和消除諧波的功能。

R2主傳動系統(tǒng)投入運行一年后，上輥主傳動發(fā)生多次勵磁過流故障，后來又發(fā)生過一次過壓保護(hù)回路故障。下面分別對這兩類故障進(jìn)行分析。

1 勵磁過流故障

1.1 故障現(xiàn)象

2007年下半年R2上輥主傳動發(fā)生多次勵磁過流故障，勵磁電流高達(dá)550%，都是在第四道次咬鋼時發(fā)生故障，故障波形基本相同。R2上輥主傳動勵磁過流的故障波形如圖1所示。R2上輥主傳動勵磁過流故障跳閘時的主要參數(shù)如表1所示。

1.2 故障原因分析

R2上輥主傳動勵磁回路原理如圖2所示。發(fā)生故障時，定子電流達(dá)到限幅最大值250%，勵磁電流給定由限幅最大值的293%逐漸降至限幅最小值的8%，而勵磁電流反饋值下降到最小值后瞬間升至550%，勵磁電流調(diào)節(jié)器處于失控狀態(tài)。初步分析認(rèn)為： 如此大的勵磁電流產(chǎn)生的原因是勵磁電流給定降為8%時，同步電動機(jī)處于失步臨界狀態(tài)，轉(zhuǎn)子繞組兩端產(chǎn)生較高的交變感應(yīng)電動勢，浪涌吸收組件197SA2導(dǎo)通，使得勵磁繞組兩端并聯(lián)的一只保護(hù)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，勵磁整流橋瞬間短路，從而保護(hù)了電機(jī)勵磁繞組不至于被較高電壓損壞。勵磁過流只是傳動系統(tǒng)保護(hù)電機(jī)繞組而產(chǎn)生的一種被動性異常，所以找出勵磁電流給定降低的原因是解決故障的關(guān)鍵。

圖1 R2上輥主傳動勵磁過流的故障波形

通過對傳動系統(tǒng)的進(jìn)一步分析認(rèn)為，R2軋機(jī)在第四道次時負(fù)荷最大，系統(tǒng)計算的負(fù)載角偏大，理論上同步電動機(jī)負(fù)載角超過75°，易進(jìn)入失步狀態(tài)。負(fù)載角是電動機(jī)負(fù)荷大小的直接體現(xiàn)。負(fù)載角的計算，與轉(zhuǎn)子的初始磁極位置(即初始角)和定子電流的兩個分量有關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)子的初始角計算有誤時，將直接影響負(fù)載角的計算，負(fù)載角的計算存在偏差，就會導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)偏差，直至發(fā)生故障；經(jīng)檢查定子電流檢測無異常。故障原因歸結(jié)為轉(zhuǎn)子初始角發(fā)生了偏移。

在同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，考慮到定子電流的磁化分量對轉(zhuǎn)子磁通的影響，在勵磁給定中增加了一個修正量，這個修正量與負(fù)載角成正比關(guān)系[1]。同步電動機(jī)在重載狀況下，定子電流不斷增大，負(fù)載角增加到75°后，電動機(jī)處于失步邊緣；電流達(dá)到限幅值，負(fù)載角存在一定的偏差，傳動系統(tǒng)相位角將會加速調(diào)整，調(diào)整的結(jié)果使得

表1 R2上輥主傳動勵磁過流故障跳閘時的主要參數(shù)

負(fù)載角不斷變小，直接導(dǎo)致勵磁電流給定減小為8%。統(tǒng)計的故障數(shù)據(jù)與分析吻合，故障時負(fù)載角均超過80°，幾乎達(dá)到傳動系統(tǒng)的限幅值88°。故障波形顯示，負(fù)載角達(dá)到一定值后出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，這個變化導(dǎo)致傳動系統(tǒng)勵磁電流給定逐步降低到限幅最小值的8%。

同步電動機(jī)矢量控制中dq電流控制是沿轉(zhuǎn)子磁場定向的[2]。由于R2主傳動長期在重載工況下運行，電動機(jī)的磁力線發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁極與電流控制軸之間的夾角發(fā)生了改變，系統(tǒng)調(diào)試時設(shè)置的轉(zhuǎn)子初始角已不再適用于傳動系統(tǒng)矢量控制，直接影響傳動系統(tǒng)的運算和控制精度。而且，軋機(jī)速度越高、負(fù)荷越大，這個角度偏差對傳動系統(tǒng)的影響越大。所以在第二道次(比第四道次速度低)相同負(fù)荷下并沒有發(fā)生故障跳閘。

1.3 故障處理及后續(xù)改進(jìn)措施

基于以上分析，設(shè)備技術(shù)維護(hù)人員于2007年12月7日對R2上輥主傳動的轉(zhuǎn)子磁極初始位置(初始角)進(jìn)行了調(diào)整，同時對R2下輥主傳動系統(tǒng)的性能進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)R2下輥傳動轉(zhuǎn)子磁極初始位置也存在偏差，因此對R2下輥主傳動也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。調(diào)整后，R2上輥、下輥傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行了一段時間。

2008年10月2日、2009年5月5日R2主傳動再次發(fā)生勵磁過流故障，故障現(xiàn)象和故障波形與之前相似。

圖2 R2上輥主傳動勵磁回路原理

R2軋機(jī)為上、下輥驅(qū)動，上、下棍之間存在負(fù)荷平衡的問題。為了防止板坯翹頭，L1系統(tǒng)通過設(shè)定雪橇系數(shù)調(diào)整上、下輥的轉(zhuǎn)速差。在軋鋼生產(chǎn)時，R2負(fù)荷一直較大，通過監(jiān)控發(fā)現(xiàn)上輥電機(jī)電流比下輥電機(jī)電流大得多。進(jìn)一步分析認(rèn)為R2主傳動負(fù)荷過大是故障誘因，由于粗軋區(qū)中間坯較厚，速度差會導(dǎo)致較大的負(fù)荷偏差；原有的雪橇系數(shù)偏大，上輥電機(jī)的速度比下輥電機(jī)速度高，直接導(dǎo)致上輥電機(jī)負(fù)荷偏大。將R2軋機(jī)每道次的雪橇系數(shù)限幅值由10%調(diào)整到5%后，R2主傳動運行相對穩(wěn)定，至今未再發(fā)生勵磁過流故障。

2 過壓保護(hù)回路故障

二極管和晶閘管承受過電壓的能力較差，短時間的過電壓就會損壞器件。因此，過壓保護(hù)成為提高裝置運行可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)[3],也是易發(fā)生故障的環(huán)節(jié)。

2.1 故障現(xiàn)象

2010年4月6日，點檢員發(fā)現(xiàn)R2上輥勵磁柜故障燈閃爍，故障代碼為CLF_FLD,即浪涌抑制器回路的快速熔斷器熔斷，浪涌抑制器的作用是吸收勵磁裝置進(jìn)線電源的尖峰過電壓。

2.2 檢查過程

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，R2上輥勵磁浪涌抑制器回路的197HSF1和197HSF2兩個快速熔斷器熔斷，浪涌抑制器(197SA1)損壞，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)勵磁整流堆晶閘管阻容吸收回路的電阻連接線燒斷。

2.3 處理過程

更換快速熔斷器后，電機(jī)運轉(zhuǎn)2min左右，快速熔斷器和浪涌抑制器再次損壞。技術(shù)維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場后，再次更換了快速熔斷器和浪涌抑制器及電容(197C7)，重新上電持續(xù)運轉(zhuǎn)了30min之后，快速熔斷器和浪涌抑制器又一次損壞。對R2勵磁柜進(jìn)行檢查后確認(rèn)電容(197C7)無異常，對進(jìn)線電壓進(jìn)行測量，從示波器采集更換前電機(jī)停止、運轉(zhuǎn)時的波形，分別如圖3(a)、圖3(b)所示。由圖可看出，進(jìn)線電源電壓波形中有嚴(yán)重的諧波分量，應(yīng)該是晶閘管整流裝置本身產(chǎn)生的諧波。實測的阻容吸收回路電流波形如圖4所示。圖4證實了結(jié)論。

更換R2上輥勵磁的整流堆197PMU1、197PMU2，同時更換損壞的二極管197D1和電阻197R4。處理后的勵磁整流進(jìn)線電源諧波已消失，波形如圖3(c)所示。

圖3 更換R2勵磁整流堆前、后的進(jìn)線電源波形

圖4 勵磁整流橋阻容吸收回路電流波形

2.4 故障原因分析

由此次故障的處理過程分析， R2上輥勵磁整流堆晶閘管的阻容吸收回路損壞，致使勵磁整流堆工作時產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波，導(dǎo)致浪涌抑制器被擊穿、快速熔斷器熔斷。

R2上輥勵磁整流堆晶閘管的阻容吸收回路的電阻連接線燒斷是由于R2勵磁進(jìn)線電源存在較高的諧波分量，阻容吸收回路長期處于大電流高溫狀況致發(fā)熱損壞。經(jīng)TMEIC專家論證，勵磁整流橋阻容吸收回路參數(shù)設(shè)計不理想，導(dǎo)致了諧振的發(fā)生；此外，R2軋機(jī)的高負(fù)荷造成勵磁整流橋晶閘管關(guān)斷電壓偏高也是故障發(fā)生的重要因素。

2.5 改進(jìn)措施

變更阻容吸收回路參數(shù)，原來每個晶閘管并聯(lián)的阻容吸收回路的電阻采用兩只62Ω電阻并聯(lián)(即31Ω)，將其改為三只82Ω電阻并聯(lián)(即27.3Ω)。

阻容吸收回路更改前，利用紅外熱成像儀實測軋鋼時阻容吸收回路電阻溫度為183℃；更改后實測軋鋼時電阻溫度為148℃。經(jīng)TMEIC專家確認(rèn)，電阻能承受的最高溫度為275℃，而電阻連接線的焊點熔溫為183℃，超過此溫度即發(fā)生熔焊斷線。

3 結(jié) 語

改進(jìn)后的系統(tǒng)已連續(xù)穩(wěn)定運行3年多。通過兩起典型勵磁故障的詳細(xì)分析，提高了設(shè)備技術(shù)維護(hù)人員對同步電動機(jī)矢量控制中勵磁電流調(diào)節(jié)、勵磁整流橋過壓保護(hù)環(huán)節(jié)的技術(shù)細(xì)節(jié)把控，增強(qiáng)了類似故障的處理能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2] 王成元.現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2010.