熱連軋傳動(dòng)系統(tǒng)的控制

朱國(guó)青

摘要：冶金軋制有一些特殊的要求，包括負(fù)荷平衡、負(fù)荷觀測(cè)、陷波濾波器等，為明顯減少軋機(jī)動(dòng)態(tài)速降和恢復(fù)時(shí)間負(fù)荷平衡，保證上下輥輸出轉(zhuǎn)矩的平均分配，采用負(fù)荷觀測(cè)器的控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗負(fù)荷擾動(dòng)性，為消除了機(jī)電共振現(xiàn)象，運(yùn)用陷波濾波器，這些應(yīng)用對(duì)生產(chǎn)線的正?？焖偕a(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮著重要作用。

關(guān)鍵詞：負(fù)荷平衡；負(fù)荷觀測(cè)；陷波濾波器

1 引言

某鋼鐵公司是專門從事不銹鋼熱軋卷、冷軋卷及不銹鋼深加工企業(yè)，主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)是同步電動(dòng)機(jī)，采用西門子公司新型全數(shù)字矢量交交變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，功率裝置為三相無(wú)環(huán)流可逆式晶閘管變流器，采用簡(jiǎn)易而良好的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，具有控制精度高、響應(yīng)快速、可靠性強(qiáng)、較強(qiáng)的過(guò)載能力、操作簡(jiǎn)單及易于維護(hù)等特點(diǎn)。

2控制系統(tǒng)

2. 1 定子整流柜

功率部分采用晶閘管熱管風(fēng)冷整流柜，構(gòu)成直接反并聯(lián)功率組件，比采用普通散熱器和同樣晶閘管元件構(gòu)成的裝置提高輸出能力60%左右，運(yùn)行穩(wěn)定。

由于電機(jī)功率較大，同時(shí)要求較高過(guò)載倍數(shù)，所以配置了大功率整流柜，電機(jī)每相由兩個(gè)整流柜并聯(lián)組成，粗軋滿足2.5倍過(guò)載80s，精軋滿足2.0倍過(guò)載80s，以滿足軋制過(guò)程中電機(jī)的過(guò)載要求。

2. 2 轉(zhuǎn)子整流柜

粗軋和精軋轉(zhuǎn)子整流柜額定電壓660V，額定電流分別是2100A和1420A，最大可至2400A和1600A。

2.3數(shù)字控制部分

主機(jī)控制器由通用微處理單元、專用微處理單元、整流裝置、各種輔助單元、接口單元、通訊單元及電源等組成。

系統(tǒng)硬件設(shè)備主要控制器以及接口端子板等組成。

通用微處理單元主要完成系統(tǒng)起停的速度邏輯控制和速度調(diào)節(jié)（包括工藝控制）等任務(wù)，速度的給定控制、負(fù)荷觀測(cè)、故障綜合處理、主回路合分閘邏輯控制、操作面板OP控制、通訊等任務(wù)。通用微處理單元與上級(jí)自動(dòng)化、專用微處理單元、裝置之間通訊采用Profibus DP方式。

專用微處理單元主要完成矢量控制、磁通控制等任務(wù)。包括采用電壓模型和電流模型計(jì)算磁通矢量的磁通定向控制、勵(lì)磁電流給定計(jì)算、磁通閉環(huán)（包括弱磁電壓閉環(huán)和電勢(shì)閉環(huán)）控制、三相交流電流給定計(jì)算、電壓前饋控制、矢量閉環(huán)的邏輯控制、交流電流調(diào)節(jié)、斷續(xù)補(bǔ)償、換向邏輯控制、觸發(fā)脈沖控制等等。

PSA接收電流實(shí)際值、電壓實(shí)際值和零電流信號(hào)，并發(fā)送定子脈沖信號(hào)。它與SSI之間通訊依靠光纖完成，SSI把光信號(hào)和電信號(hào)相互轉(zhuǎn)化，與功率部分相連接，最終完成信號(hào)的發(fā)送和接收。

專用微處理單元用于檢測(cè)電機(jī)繞組線圈、軸瓦、冷卻水、風(fēng)等PT100溫度信號(hào)，用于電機(jī)故障報(bào)警聯(lián)鎖。專用微處理單元用來(lái)檢測(cè)輔助設(shè)備的開(kāi)關(guān)量輸入，比如電機(jī)風(fēng)機(jī)電源、加熱器電源、電機(jī)漏水檢測(cè)電源、UPS電源、整流柜風(fēng)機(jī)電源、脈沖電源、主開(kāi)關(guān)操作電源、輔助電源、接地檢測(cè)電源及信號(hào)等，并完成接觸器、繼電器、指示燈等的開(kāi)關(guān)量控制輸出，從而組成了整個(gè)系統(tǒng)邏輯連鎖，其中也包括了勵(lì)磁高壓開(kāi)關(guān)、定子高壓開(kāi)關(guān)以及主開(kāi)關(guān)的聯(lián)鎖控制。

3 負(fù)荷平衡控制

3.1 負(fù)荷平衡控制原理

負(fù)荷平衡控制采用PI調(diào)節(jié)器。由于積分調(diào)節(jié)作用的存在，能使被調(diào)節(jié)量的靜態(tài)偏差為零。減小積分時(shí)間，可減少調(diào)節(jié)過(guò)程中被調(diào)節(jié)量的動(dòng)態(tài)偏差，但會(huì)增加調(diào)節(jié)過(guò)程的振蕩。相反，增大積分時(shí)間，可減小調(diào)節(jié)過(guò)程的振蕩，但會(huì)增加被調(diào)節(jié)量的動(dòng)態(tài)偏差。因此，在調(diào)試過(guò)程中，為了達(dá)到良好的負(fù)荷平衡效果，需要適當(dāng)調(diào)整比例和積分時(shí)間。另外，對(duì)負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)量和功能投入的閾值也需要根據(jù)實(shí)際情況確定，從而使負(fù)荷平衡達(dá)到跟好的效果。從工藝角度看，為使軋件往復(fù)軋制和運(yùn)輸過(guò)程中自由順暢，帶頭應(yīng)微微上翹，即雪橇板特性，因此，咬鋼后延時(shí)投入負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器。

在大多數(shù)的軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，速度控制器采用PI調(diào)節(jié)器，其積分時(shí)間常數(shù)比電流環(huán)大很多倍，當(dāng)電機(jī)承受突加負(fù)載時(shí)，速度急劇下降，電機(jī)轉(zhuǎn)矩分量給定不能及時(shí)增大以補(bǔ)償速降，使得相對(duì)速降較大，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，這對(duì)于要求較高的傳動(dòng)系統(tǒng)，只靠調(diào)整速度調(diào)節(jié)器參數(shù)是很難滿足調(diào)速系統(tǒng)的要求的。尤其是板帶連軋的精軋機(jī)組，各機(jī)架主傳動(dòng)的轉(zhuǎn)速按秒流量原則設(shè)定，使得在正常軋制時(shí)各機(jī)架間的鋼材既不受拉，也不堆積。但問(wèn)題出在咬鋼期間，例如某一時(shí)刻機(jī)架咬入鋼材，受突加負(fù)載影響，該機(jī)架轉(zhuǎn)速下降，再逐漸恢復(fù)，這時(shí)前一架的轉(zhuǎn)速已恢復(fù)，按照原來(lái)設(shè)定的速度軋制，在該機(jī)架和前一機(jī)架之間鋼材堆積，很可能導(dǎo)致廢鋼現(xiàn)象，不能滿足工藝的要求，因此，有必要引入負(fù)荷觀測(cè)器。

負(fù)荷觀測(cè)器的任務(wù)是根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速實(shí)際值n和轉(zhuǎn)矩實(shí)際值T，輸出電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)值T1，它是電流調(diào)節(jié)器的附加轉(zhuǎn)矩給定，與速度調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩給定T* 相加，共同產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。沒(méi)有負(fù)荷觀測(cè)器時(shí)，克服負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩要在轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速偏差n*-n出現(xiàn)后，經(jīng)速度調(diào)節(jié)器的PI作用，使T*增大才能得到，這個(gè)過(guò)程較慢。有負(fù)荷觀測(cè)器后，在轉(zhuǎn)速降低和轉(zhuǎn)矩增加雙重因素作用下，觀測(cè)器很快輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)值，送給電流調(diào)節(jié)器，使轉(zhuǎn)矩迅速增大，速降、恢復(fù)時(shí)間減小。這時(shí)速度調(diào)節(jié)器的輸出不再承擔(dān)提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定的任務(wù)，只承擔(dān)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩給定和補(bǔ)償負(fù)荷觀測(cè)誤差任務(wù)，變化范圍大大減小，穩(wěn)態(tài)時(shí)T*≈0。

負(fù)荷觀測(cè)器是由模擬電動(dòng)機(jī)的積分器和負(fù)載觀測(cè)調(diào)節(jié)器組成，模擬電動(dòng)機(jī)積分器的積分時(shí)間等于電動(dòng)機(jī)和機(jī)械的機(jī)電時(shí)間常數(shù)，該時(shí)間常數(shù)需要在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量。調(diào)試過(guò)程中，比例設(shè)置較大，投入時(shí)，影響系統(tǒng)的正常工作，這時(shí)需要適當(dāng)減小比例，增加積分時(shí)間。

為投入負(fù)荷觀測(cè)器功能后，SCOUT軟件采集的波形，熱連軋精軋機(jī)F8速度響應(yīng)大大加快，咬鋼時(shí)動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間由300ms減少到100ms，可見(jiàn)負(fù)荷觀測(cè)器的輸出比速度調(diào)節(jié)器的輸出快，以此達(dá)到減小動(dòng)態(tài)速降和恢復(fù)時(shí)間的目的。

3.2影響負(fù)荷不平衡的因素

引起上、下輥負(fù)荷不平衡的主要原因：電機(jī)本身的差別、上下工作輥的輥徑不同、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異、軋件上下表面的摩擦系數(shù)、溫度差等等。在軋制過(guò)程中，就會(huì)造成軋制速度和負(fù)荷的不平衡，線速度大的電機(jī)電流大，線速度小的電機(jī)電流小，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)損壞功率部件或機(jī)械設(shè)備，影響正常生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.