同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)典型勵(lì)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(dòng)采用日本TMEIC公司同步電動(dòng)機(jī)、全數(shù)字化矢量控制TMDrive-70 IEGT三電平交直交變頻器。勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)是同步電動(dòng)機(jī)控制的核心部件。同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)由兩組三相全控整流橋并聯(lián)運(yùn)行。勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)分兩部分： 浪涌抑制器——吸收進(jìn)線電源的尖峰過(guò)電壓；阻容吸收回路——吸收晶閘管在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰過(guò)電壓。將電阻與電容串聯(lián)后與晶閘管并聯(lián)，通過(guò)電容的充放電和電阻的能量消耗來(lái)吸收和消耗晶閘管導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰過(guò)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(guò)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(dòng)系統(tǒng)投入運(yùn)行一年后，上輥主傳動(dòng)發(fā)生多次勵(lì)磁過(guò)流故障，后來(lái)又發(fā)生過(guò)一次過(guò)壓保護(hù)回路故障。下面分別對(duì)這兩類故障進(jìn)行分析。

1 勵(lì)磁過(guò)流故障

1.1 故障現(xiàn)象

2007年下半年R2上輥主傳動(dòng)發(fā)生多次勵(lì)磁過(guò)流故障，勵(lì)磁電流高達(dá)550%，都是在第四道次咬鋼時(shí)發(fā)生故障，故障波形基本相同。R2上輥主傳動(dòng)勵(lì)磁過(guò)流的故障波形如圖1所示。R2上輥主傳動(dòng)勵(lì)磁過(guò)流故障跳閘時(shí)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(dòng)勵(lì)磁回路原理如圖2所示。發(fā)生故障時(shí)，定子電流達(dá)到限幅最大值250%，勵(lì)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(lì)磁電流反饋值下降到最小值后瞬間升至550%，勵(lì)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(lì)磁電流產(chǎn)生的原因是勵(lì)磁電流給定降為8%時(shí)，同步電動(dòng)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(dòng)勢(shì)，浪涌吸收組件197SA2導(dǎo)通，使得勵(lì)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(lì)磁整流橋瞬間短路，從而保護(hù)了電機(jī)勵(lì)磁繞組不至于被較高電壓損壞。勵(lì)磁過(guò)流只是傳動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)電機(jī)繞組而產(chǎn)生的一種被動(dòng)性異常，所以找出勵(lì)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(dòng)勵(lì)磁過(guò)流的故障波形

通過(guò)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步分析認(rèn)為，R2軋機(jī)在第四道次時(shí)負(fù)荷最大，系統(tǒng)計(jì)算的負(fù)載角偏大，理論上同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載角超過(guò)75°，易進(jìn)入失步狀態(tài)。負(fù)載角是電動(dòng)機(jī)負(fù)荷大小的直接體現(xiàn)。負(fù)載角的計(jì)算，與轉(zhuǎn)子的初始磁極位置(即初始角)和定子電流的兩個(gè)分量有關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)子的初始角計(jì)算有誤時(shí)，將直接影響負(fù)載角的計(jì)算，負(fù)載角的計(jì)算存在偏差，就會(huì)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(cè)無(wú)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(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，考慮到定子電流的磁化分量對(duì)轉(zhuǎn)子磁通的影響，在勵(lì)磁給定中增加了一個(gè)修正量，這個(gè)修正量與負(fù)載角成正比關(guān)系[1]。同步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)相位角將會(huì)加速調(diào)整，調(diào)整的結(jié)果使得

表1 R2上輥主傳動(dòng)勵(lì)磁過(guò)流故障跳閘時(shí)的主要參數(shù)

負(fù)載角不斷變小，直接導(dǎo)致勵(lì)磁電流給定減小為8%。統(tǒng)計(jì)的故障數(shù)據(jù)與分析吻合，故障時(shí)負(fù)載角均超過(guò)80°，幾乎達(dá)到傳動(dòng)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(gè)變化導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)勵(lì)磁電流給定逐步降低到限幅最小值的8%。

同步電動(dòng)機(jī)矢量控制中dq電流控制是沿轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的[2]。由于R2主傳動(dòng)長(zhǎng)期在重載工況下運(yùn)行，電動(dòng)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(shí)設(shè)置的轉(zhuǎn)子初始角已不再適用于傳動(dòng)系統(tǒng)矢量控制，直接影響傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制精度。而且，軋機(jī)速度越高、負(fù)荷越大，這個(gè)角度偏差對(duì)傳動(dòng)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(méi)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(duì)R2上輥主傳動(dòng)的轉(zhuǎn)子磁極初始位置(初始角)進(jìn)行了調(diào)整，同時(shí)對(duì)R2下輥主傳動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)R2下輥傳動(dòng)轉(zhuǎn)子磁極初始位置也存在偏差，因此對(duì)R2下輥主傳動(dòng)也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。調(diào)整后，R2上輥、下輥傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行了一段時(shí)間。

2008年10月2日、2009年5月5日R2主傳動(dòng)再次發(fā)生勵(lì)磁過(guò)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(dòng)勵(lì)磁回路原理

R2軋機(jī)為上、下輥驅(qū)動(dòng)，上、下棍之間存在負(fù)荷平衡的問(wèn)題。為了防止板坯翹頭，L1系統(tǒng)通過(guò)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(shí)，R2負(fù)荷一直較大，通過(guò)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(dòng)負(fù)荷過(guò)大是故障誘因，由于粗軋區(qū)中間坯較厚，速度差會(huì)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(dòng)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，至今未再發(fā)生勵(lì)磁過(guò)流故障。

2 過(guò)壓保護(hù)回路故障

二極管和晶閘管承受過(guò)電壓的能力較差，短時(shí)間的過(guò)電壓就會(huì)損壞器件。因此，過(guò)壓保護(hù)成為提高裝置運(yùn)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(diǎn)檢員發(fā)現(xiàn)R2上輥勵(lì)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(lì)磁裝置進(jìn)線電源的尖峰過(guò)電壓。

2.2 檢查過(guò)程

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，R2上輥勵(lì)磁浪涌抑制器回路的197HSF1和197HSF2兩個(gè)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(lì)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(guò)程

更換快速熔斷器后，電機(jī)運(yùn)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(chǎng)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(yùn)轉(zhuǎn)了30min之后，快速熔斷器和浪涌抑制器又一次損壞。對(duì)R2勵(lì)磁柜進(jìn)行檢查后確認(rèn)電容(197C7)無(wú)異常，對(duì)進(jìn)線電壓進(jìn)行測(cè)量，從示波器采集更換前電機(jī)停止、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)測(cè)的阻容吸收回路電流波形如圖4所示。圖4證實(shí)了結(jié)論。

更換R2上輥勵(lì)磁的整流堆197PMU1、197PMU2，同時(shí)更換損壞的二極管197D1和電阻197R4。處理后的勵(lì)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(lì)磁整流堆前、后的進(jìn)線電源波形

圖4 勵(lì)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(guò)程分析， R2上輥勵(lì)磁整流堆晶閘管的阻容吸收回路損壞，致使勵(lì)磁整流堆工作時(shí)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(lì)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(lì)磁進(jìn)線電源存在較高的諧波分量，阻容吸收回路長(zhǎng)期處于大電流高溫狀況致發(fā)熱損壞。經(jīng)TMEIC專家論證，勵(lì)磁整流橋阻容吸收回路參數(shù)設(shè)計(jì)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(lì)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(lái)每個(gè)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(shí)測(cè)軋鋼時(shí)阻容吸收回路電阻溫度為183℃；更改后實(shí)測(cè)軋鋼時(shí)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(diǎn)熔溫為183℃，超過(guò)此溫度即發(fā)生熔焊斷線。

3 結(jié) 語(yǔ)

改進(jìn)后的系統(tǒng)已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行3年多。通過(guò)兩起典型勵(lì)磁故障的詳細(xì)分析，提高了設(shè)備技術(shù)維護(hù)人員對(duì)同步電動(dòng)機(jī)矢量控制中勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)、勵(lì)磁整流橋過(guò)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(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，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.