熱連軋傳動系統的控制

朱國青

摘要：冶金軋制有一些特殊的要求，包括負荷平衡、負荷觀測、陷波濾波器等，為明顯減少軋機動態速降和恢復時間負荷平衡，保證上下輥輸出轉矩的平均分配，采用負荷觀測器的控制系統具有較強的抗負荷擾動性，為消除了機電共振現象，運用陷波濾波器，這些應用對生產線的正常快速生產、保證產品質量發揮著重要作用。

關鍵詞：負荷平衡；負荷觀測；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，主傳動電動機是同步電動機，采用西門子公司新型全數字矢量交交變頻調速系統進行控制，功率裝置為三相無環流可逆式晶閘管變流器，采用簡易而良好的創新設計，具有控制精度高、響應快速、可靠性強、較強的過載能力、操作簡單及易于維護等特點。

2控制系統

2. 1 定子整流柜

功率部分采用晶閘管熱管風冷整流柜，構成直接反并聯功率組件，比采用普通散熱器和同樣晶閘管元件構成的裝置提高輸出能力60%左右，運行穩定。

由于電機功率較大，同時要求較高過載倍數，所以配置了大功率整流柜，電機每相由兩個整流柜并聯組成，粗軋滿足2.5倍過載80s，精軋滿足2.0倍過載80s，以滿足軋制過程中電機的過載要求。

2. 2 轉子整流柜

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

2.3數字控制部分

主機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。

系統硬件設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起停的速度邏輯控制和速度調節（包括工藝控制）等任務，速度的給定控制、負荷觀測、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。通用微處理單元與上級自動化、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。包括采用電壓模型和電流模型計算磁通矢量的磁通定向控制、勵磁電流給定計算、磁通閉環（包括弱磁電壓閉環和電勢閉環）控制、三相交流電流給定計算、電壓前饋控制、矢量閉環的邏輯控制、交流電流調節、斷續補償、換向邏輯控制、觸發脈沖控制等等。

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

專用微處理單元用于檢測電機繞組線圈、軸瓦、冷卻水、風等PT100溫度信號，用于電機故障報警聯鎖。專用微處理單元用來檢測輔助設備的開關量輸入，比如電機風機電源、加熱器電源、電機漏水檢測電源、UPS電源、整流柜風機電源、脈沖電源、主開關操作電源、輔助電源、接地檢測電源及信號等，并完成接觸器、繼電器、指示燈等的開關量控制輸出，從而組成了整個系統邏輯連鎖，其中也包括了勵磁高壓開關、定子高壓開關以及主開關的聯鎖控制。

3 負荷平衡控制

3.1 負荷平衡控制原理

負荷平衡控制采用PI調節器。由于積分調節作用的存在，能使被調節量的靜態偏差為零。減小積分時間，可減少調節過程中被調節量的動態偏差，但會增加調節過程的振蕩。相反，增大積分時間，可減小調節過程的振蕩，但會增加被調節量的動態偏差。因此，在調試過程中，為了達到良好的負荷平衡效果，需要適當調整比例和積分時間。另外，對負荷平衡調節量和功能投入的閾值也需要根據實際情況確定，從而使負荷平衡達到跟好的效果。從工藝角度看，為使軋件往復軋制和運輸過程中自由順暢，帶頭應微微上翹，即雪橇板特性，因此，咬鋼后延時投入負荷平衡調節器。

在大多數的軋機傳動系統中，速度控制器采用PI調節器，其積分時間常數比電流環大很多倍，當電機承受突加負載時，速度急劇下降，電機轉矩分量給定不能及時增大以補償速降，使得相對速降較大，恢復時間較長，這對于要求較高的傳動系統，只靠調整速度調節器參數是很難滿足調速系統的要求的。尤其是板帶連軋的精軋機組，各機架主傳動的轉速按秒流量原則設定，使得在正常軋制時各機架間的鋼材既不受拉，也不堆積。但問題出在咬鋼期間，例如某一時刻機架咬入鋼材，受突加負載影響，該機架轉速下降，再逐漸恢復，這時前一架的轉速已恢復，按照原來設定的速度軋制，在該機架和前一機架之間鋼材堆積，很可能導致廢鋼現象，不能滿足工藝的要求，因此，有必要引入負荷觀測器。

負荷觀測器的任務是根據調速系統轉速實際值n和轉矩實際值T，輸出電動機負載轉矩的觀測值T1，它是電流調節器的附加轉矩給定，與速度調節器輸出的轉矩給定T* 相加，共同產生轉矩。沒有負荷觀測器時，克服負載所需要的轉矩要在轉速降低，轉速偏差n*-n出現后，經速度調節器的PI作用，使T*增大才能得到，這個過程較慢。有負荷觀測器后，在轉速降低和轉矩增加雙重因素作用下，觀測器很快輸出負載轉矩的觀測值，送給電流調節器，使轉矩迅速增大，速降、恢復時間減小。這時速度調節器的輸出不再承擔提供負載轉矩給定的任務，只承擔動態轉矩給定和補償負荷觀測誤差任務，變化范圍大大減小，穩態時T*≈0。

負荷觀測器是由模擬電動機的積分器和負載觀測調節器組成，模擬電動機積分器的積分時間等于電動機和機械的機電時間常數，該時間常數需要在現場實際測量。調試過程中，比例設置較大，投入時，影響系統的正常工作，這時需要適當減小比例，增加積分時間。

為投入負荷觀測器功能后，SCOUT軟件采集的波形，熱連軋精軋機F8速度響應大大加快，咬鋼時動態恢復時間由300ms減少到100ms，可見負荷觀測器的輸出比速度調節器的輸出快，以此達到減小動態速降和恢復時間的目的。

3.2影響負荷不平衡的因素

引起上、下輥負荷不平衡的主要原因：電機本身的差別、上下工作輥的輥徑不同、速度調節器和電流調節器的動態響應差異、軋件上下表面的摩擦系數、溫度差等等。在軋制過程中，就會造成軋制速度和負荷的不平衡，線速度大的電機電流大，線速度小的電機電流小，經常出現過載現象，嚴重時損壞功率部件或機械設備，影響正常生產。

參考文獻：

[1] 馬小亮.高性能變頻調速及其典型控制系統[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2005.