限動(dòng)齒條跳電故障的研究與應(yīng)對(duì)

姜樹(shù)杰，吳聯(lián)合（.天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300400；.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司軋管廠，天津30030）

限動(dòng)齒條跳電故障的研究與應(yīng)對(duì)

姜樹(shù)杰1，吳聯(lián)合2（1.天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300400；2.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司軋管廠，天津300301）

[摘要]針對(duì)更換軋制機(jī)組限動(dòng)齒條控制電機(jī)過(guò)程中頻繁出現(xiàn)的過(guò)電壓故障，分析了其產(chǎn)生原因。通過(guò)對(duì)比故障架電機(jī)的主要參數(shù)、調(diào)整部分參數(shù)等措施，新的動(dòng)態(tài)控制功能運(yùn)行穩(wěn)定可靠，明顯改善了鋼管頭部壁厚軋制質(zhì)量，減少了中間軋廢量，故障時(shí)間減少近70%，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

[關(guān)鍵詞]限動(dòng)齒條；電機(jī)；跳電；調(diào)整

1　引言

天津鋼管集團(tuán)股份公司軋管一部250機(jī)組限動(dòng)齒條控制電機(jī)由8臺(tái)直流電機(jī)同軸控制。由于限動(dòng)電機(jī)在線使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，設(shè)備老化嚴(yán)重，近年來(lái)由于升高片斷裂造成電機(jī)繞組燒傷跳電的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。軋鋼時(shí)跳電頻繁，產(chǎn)生大量的中間軋廢，嚴(yán)重影響各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)的完成，該問(wèn)題亟待解決。

2　故障現(xiàn)象

為了整合資源，挖掘潛能，提高設(shè)備的利用率，通過(guò)對(duì)以前下線的2臺(tái)電機(jī)進(jìn)行大修，并將其安裝到限動(dòng)3架上，代替已老化不能正常工作的原電機(jī)。試車期間打仿真運(yùn)行基本正常，但是正常軋制時(shí)限動(dòng)3架電機(jī)頻繁跳電，跳電位置為限動(dòng)齒條在高速插入過(guò)程中。主傳動(dòng)控制系統(tǒng)報(bào)警信息為過(guò)電壓，而過(guò)電壓保護(hù)值理論設(shè)定為電樞電壓額定值的120%。故障造成的電壓升高除對(duì)電機(jī)繞組絕緣造成較大的沖擊外，較高的電機(jī)啟動(dòng)電流在跳電時(shí)對(duì)電機(jī)換向器造成燒傷，嚴(yán)重影響到電機(jī)換相效果。綜合分析該故障報(bào)警信息及依據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)判斷，2臺(tái)電機(jī)速度響應(yīng)偏慢，尤其在高速運(yùn)行時(shí)更加突出，這一結(jié)果導(dǎo)致其他三架電機(jī)運(yùn)行速度高于該機(jī)架電機(jī)，相當(dāng)于該電機(jī)受到外力作用被拖拽而作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)電樞電壓升高，電壓監(jiān)測(cè)保護(hù)單元?jiǎng)幼?，造成主傳?dòng)系統(tǒng)跳電，齒條停止運(yùn)行。跳電勢(shì)必將造成生產(chǎn)停止，而從環(huán)形爐出料機(jī)到連軋預(yù)穿線上至少有3支毛管，2支鋼坯，而操作工剔料、電氣維護(hù)人員對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位、對(duì)限動(dòng)電機(jī)進(jìn)行檢查等需要一定的停機(jī)時(shí)間，大量的中間軋廢的產(chǎn)生給生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本的控制及生產(chǎn)任務(wù)的完成帶來(lái)嚴(yán)重的影響。

3　解決方案

3.1對(duì)比調(diào)整故障架電機(jī)的主要參數(shù)

用示波器觀測(cè)限動(dòng)3架、限動(dòng)2架電樞電壓、勵(lì)磁電流曲線，示波器橫軸坐標(biāo)為時(shí)間、縱軸坐標(biāo)為電壓（電流），根據(jù)曲線情況，以限動(dòng)2架作為調(diào)整限動(dòng)3架進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)。圖1為調(diào)整前限動(dòng)3架的電樞電壓、勵(lì)磁電流曲線（上為勵(lì)磁電流；下為電樞電壓）。圖2為限動(dòng)2架的電樞電壓、勵(lì)磁電流曲線。

圖1　限動(dòng)3架電樞電壓、勵(lì)磁電流曲線

圖2　限動(dòng)2架電樞電壓、勵(lì)磁電流曲線

對(duì)比發(fā)現(xiàn)圖2中的電壓曲線明顯低于圖1中的數(shù)值，圖1（3架）電壓曲線最高值約為額定值Ud的110%左右，而且波動(dòng)較大很不穩(wěn)定，雖然未發(fā)生跳電情況，但是該值相對(duì)其他機(jī)架還是較高，存在隱患。觀察圖2（2架）電壓為額定電壓值Ud的101%左右，該值較正常。根據(jù)曲線變化隨參數(shù)調(diào)整的改變，以2架電樞電壓和電流曲線為基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行多次反復(fù)調(diào)整，使3架兩臺(tái)電機(jī)帶載時(shí)能夠正常運(yùn)行。

3.2分析跳電原因

限動(dòng)電機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)，為意大利安薩爾多公司的SPDM直流控制系統(tǒng)，限動(dòng)電機(jī)控制原理為：1個(gè)速度環(huán)，4個(gè)電流環(huán)，即限動(dòng)4個(gè)機(jī)架當(dāng)中只有第1機(jī)架控制系統(tǒng)中的速度環(huán)起作用，其他3個(gè)機(jī)架的速度環(huán)不起作用，這樣的目的是為了使4個(gè)機(jī)架的速度完全一致。速度給定由PLC發(fā)出指令，經(jīng)過(guò)速度調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)后電流給定值同時(shí)分配給4個(gè)電流環(huán)，這樣使4個(gè)電流環(huán)同時(shí)觸發(fā)可控硅，保證4組電機(jī)同時(shí)出力，以最大的轉(zhuǎn)矩限制芯棒的速度，與連軋機(jī)速度匹配完成毛管的軋制。速度反饋由第一機(jī)架測(cè)速編碼器反饋，保證速度反饋一致，避免由于編碼器脈沖誤差造成的速度差異。

限動(dòng)電機(jī)一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)行于4個(gè)象限，即正向電動(dòng)、正向回饋、反向電動(dòng)、反向回饋4個(gè)狀態(tài)。當(dāng)限動(dòng)齒條在高速插入時(shí)，工作在第一象限，即正向電動(dòng)狀態(tài)，靠升壓來(lái)升速，達(dá)到電動(dòng)機(jī)基速后，電壓、勵(lì)磁共同來(lái)調(diào)節(jié)速度，由于3架電機(jī)速度響應(yīng)慢，當(dāng)其他機(jī)架速度達(dá)到給定速度后，3架速度并未達(dá)到給定值，但由于同軸連接到齒輪箱上，3架的速度被其他機(jī)架拖拽速度也達(dá)到給定值，而此時(shí)3架相當(dāng)于受到外力的作用作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，此時(shí)速度升高并不是由于系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)出的調(diào)節(jié)信號(hào)而是被動(dòng)升高，所以勵(lì)磁電流值來(lái)不及響應(yīng)。根據(jù)電機(jī)電壓平衡公式：Ud=E+IaRa，E=Keφn，即Ud=Keφn+ IaRa，n=（Ud-IaRa）/Keφ。公式中，Ud是電樞電壓；E是電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；Ia是電樞電流；Ra是電樞回路總電阻；Ke是由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電勢(shì)常數(shù)；φ是勵(lì)磁磁通；n是電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速n隨著其他機(jī)架速度被迫升高，Ud隨著的n升高而升高。PLC的速度給定值越大，3架速度被拖拽的也越嚴(yán)重，相應(yīng)的Ud升高越大，跳電的概率越大，當(dāng)超過(guò)額定電壓的120%跳電保護(hù)動(dòng)作。

通過(guò)控制原理分析得知，當(dāng)PLC通過(guò)Profibus總線傳遞數(shù)據(jù)給速度環(huán)后的短時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)并沒(méi)有發(fā)生變化，只有當(dāng)速度環(huán)發(fā)出電流給定信號(hào)到電流環(huán)，電流環(huán)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)時(shí)，可控硅導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。在電機(jī)未啟動(dòng)時(shí)勵(lì)磁滿磁即14 A,由于更換電機(jī)使電機(jī)特性發(fā)生了改變，電流環(huán)接收到統(tǒng)一給定信號(hào)后，可控硅導(dǎo)通角不同，產(chǎn)生的電流大小不同，從而造成速度響應(yīng)不同，尤其當(dāng)速度超過(guò)基速（即460 rmp）后，需要進(jìn)行電樞電壓、勵(lì)磁電流的共同調(diào)節(jié)來(lái)完成速度的提升。

高速插入時(shí)的速度雖然由操作工根據(jù)軋制孔型的不同而進(jìn)行不同的設(shè)定，但設(shè)定值的最低量也要高于900 rmp（最高轉(zhuǎn)速1 530 rmp），速度設(shè)定的越高，3架電機(jī)速度響應(yīng)慢的缺點(diǎn)越明顯。經(jīng)過(guò)分析，當(dāng)電機(jī)速度達(dá)到給定值后，速度給定值與速度反饋值相同，速度環(huán)達(dá)到飽和狀態(tài)，幾乎不參與調(diào)節(jié)，而電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)不會(huì)飽和，不停地進(jìn)行調(diào)整，因此確定需要改動(dòng)的參數(shù)為速度給定前的加速斜坡時(shí)間，使速度由0到達(dá)給定值的時(shí)間相對(duì)加長(zhǎng)些，使電流環(huán)有從容響應(yīng)的時(shí)間；另外，要改變電流環(huán)的參數(shù)及勵(lì)磁控制器的參數(shù)，將速度響應(yīng)時(shí)間減少，盡量同步其他3個(gè)機(jī)架。

3.3調(diào)整部分參數(shù)

上述分析為排除頻繁跳電故障帶來(lái)的不利影響，確定對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，這一調(diào)整過(guò)程需反復(fù)多次、循序漸進(jìn)的嘗試。

其中主要調(diào)整的參數(shù)（SPDM）為：

TA1（電流調(diào)節(jié)器比例增益）、TA2（電流調(diào)節(jié)器微分增益）、TE1（速度調(diào)節(jié)器加速斜坡時(shí)間）、TE2(速度調(diào)節(jié)器減速斜坡時(shí)間）、TG1（電機(jī)電勢(shì)調(diào)節(jié)器比例增益）、TG2（電機(jī)電勢(shì)調(diào)節(jié)器積分增益）、DJ5（電樞電壓模擬量輸入比例因子）、DH5（電樞電壓模擬量輸入偏置）。

勵(lì)磁控制器SPDME調(diào)整參數(shù)為：

TA1（勵(lì)磁調(diào)節(jié)器比例增益）、TA2（勵(lì)磁調(diào)節(jié)器微分增益）、DJ8 (電流變換器參數(shù)的修正)。調(diào)整TE1、TE2使限動(dòng)4架電機(jī)加減速斜坡稍稍加長(zhǎng)，使限動(dòng)整體的啟動(dòng)時(shí)間加長(zhǎng)（但該值又不能加的太長(zhǎng)，否則會(huì)影響軋制節(jié)奏）；調(diào)整TA1、TA2提高3架電流環(huán)響應(yīng)速度及穩(wěn)定性，調(diào)整TG1、TG2勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的TA1、TA2，使勵(lì)磁電流響應(yīng)的快速性及穩(wěn)定性恰到好處，調(diào)整DJ8使勵(lì)磁電流減小，用犧牲磁場(chǎng)的方法來(lái)提高電機(jī)速度（該值調(diào)整必須慎重，若勵(lì)磁電流降得過(guò)低，在高速運(yùn)行時(shí)容易造成該機(jī)架速度過(guò)高而使該機(jī)架帶動(dòng)其他3個(gè)機(jī)架運(yùn)行），即由該機(jī)架電機(jī)帶動(dòng)齒條運(yùn)行，負(fù)載過(guò)大容易過(guò)電流跳電，降得過(guò)低又會(huì)降低電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，因轉(zhuǎn)矩T=CmφIa（Cm為電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，φ為電機(jī)磁場(chǎng)磁通量，等效于勵(lì)磁電流）。調(diào)整DJ5、DH5，使電樞電壓反饋值達(dá)到最佳。

4　實(shí)際效果

由于限動(dòng)電機(jī)特性差異造成的頻繁跳電故障解決后，嚴(yán)重影響軋管一部MPM機(jī)組各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)完成的瓶頸問(wèn)題終于迎刃而解。經(jīng)過(guò)一年多的跟蹤，新的動(dòng)態(tài)控制功能運(yùn)行穩(wěn)定可靠，明顯改善了鋼管頭部壁厚軋制質(zhì)量，有效地減少了中間軋廢量，故障時(shí)間減少近70%，達(dá)到了預(yù)期效果，在收獲較好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也為其他類似機(jī)組的控制方案積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)限動(dòng)齒條跳電故障的研究與應(yīng)對(duì)，解決了頻繁跳電給生產(chǎn)帶來(lái)的不利影響，也使老舊設(shè)備更新再利用。在故障分析與尋找解決策略的過(guò)程中，工程技術(shù)人員的綜合能力有了很大提升，這對(duì)企業(yè)的高效安全生產(chǎn)和人才的全面發(fā)展大有幫助。

參考文獻(xiàn)

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Study and Countermeasures on and to Tripping Fault of Retaining Rack

JIANG Shu-jie1and WU Lian-he2(1.Tianjin Metallurgical Vocation-Technology Institute, Tianjin 300400, China; 2.Pipe Rolling Mill, Tianjin Pipe [Group] Corporation, Tianjin 300301, China)

AbstractThe authors analyze the cause of overvoltage fault frequently occurring during the exchanging of the motor controlling the retaining rack of rolling mill. New dynamic control functions ran stably and reliably after the main parameters of the motor on fault rack were compared and some parameters adjusted. The rolling quality of pipe head was evidently improved with reduced intermediate discard and reduced downtime by nearly 70%. Good economic benefits were achieved.

Key wordsretaining rack; motor; tripping; adjustment

作者簡(jiǎn)介：姜樹(shù)杰（1964—），碩士，副教授，主要從事控制理論、控制工程方面的教學(xué)及研究工作。

收稿日期：2014- 11- 15修回日期：2014- 12- 05

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.02.013