無速度傳感器矢量控制在連鑄機的應用實踐

劉振永，代 亮

（邢臺鋼鐵有限責任公司，河北邢臺 054027）

引言

邢臺鋼鐵公司煉鋼廠大方坯連鑄機拉矯機系統(tǒng)由5 臺7.5 kW 異步電動機驅(qū)動，采用西門子6SE70矢量控制變頻器進行拉速控制。系統(tǒng)原設計采用帶速度傳感器的矢量控制，通過安裝在電機軸上的增量式光電編碼器實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，但是在生產(chǎn)中光電編碼器在高溫、振動、干擾等情況下經(jīng)常出現(xiàn)故障，而且編碼器安裝維護困難，成本較高，極大制約了設備的穩(wěn)定運行。為此我們通過技術(shù)攻關，利用6SE70的強大性能，采用了無速度編碼器的控制方式，通過試驗，其速度控制精度和動態(tài)性能完全滿足要求。經(jīng)過1 年多的運行，基本實現(xiàn)了拉矯機系統(tǒng)的零故障運行。但是無速度傳感器的矢量控制對電機性能依賴較強，由于更換電機、電機改型、電機故障等電機性能參數(shù)的變化均會對控制的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，需要進行系統(tǒng)修正和相關系數(shù)的更改。

1 無速度傳感器的矢量控制在連鑄機的應用

連鑄機拉矯機的調(diào)速范圍在0.2～4 m/min之間，要求驅(qū)動電機在6～120 Hz 的頻率下輸出穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩。特別是在連鑄機開澆時起步拉速低至0.2 m/min，驅(qū)動電機需要在6 Hz 的低頻下輸出足夠的起動轉(zhuǎn)矩。同時，拉速穩(wěn)定是保證鑄坯質(zhì)量的關鍵因素，因而要求調(diào)速系統(tǒng)具有較高的精度和較快的響應時間。

矢量控制基于電動機的數(shù)學模型，將定子電流矢量分解為勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流兩個分量。控制三相定子電流矢量的大小和空間位置，等效于控制勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的大小和空間位置，這就可以將轉(zhuǎn)矩和磁場的解耦，在不同的調(diào)節(jié)器中加以分別控制，從而實現(xiàn)像控制直流電動機那樣實現(xiàn)對異步電動機的高性能調(diào)速控制[1]。因而矢量控制是實現(xiàn)連鑄機拉矯機調(diào)速的理想控制方式。為實現(xiàn)速度的高精度控制和系統(tǒng)的快速響應，原系統(tǒng)采用矢量控制型變頻器西門子6SE70 驅(qū)動電機，并通過安裝在電機軸端的光電編碼器實施電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。

在實際應用中，編碼器故障成為影響設備穩(wěn)定運行的主要故障源。編碼器失效常導致變頻器報警停止工作進而使生產(chǎn)中斷。作為故障應急措施，現(xiàn)場臨時通過設置參數(shù)將變頻器改為開環(huán)控制來有效保證連續(xù)生產(chǎn)，并取得了顯著效果。這一操作實際是利用了6SE70 的無速度傳感器矢量控制模式。

無速度傳感器的矢量控制以矢量控制為基礎，利用電機定子電壓、電流、頻率等電信號通過一定的算法對電機的轉(zhuǎn)速進行估算，可以獲得接近閉環(huán)控制的性能。由于這種控制方式省去了速度傳感器，對節(jié)省維護成本、提高設備的可靠性具有重要意義。

6SE70 提供了無速度傳感器控制方式，可以通過更改設置實現(xiàn)，且操作簡單。將連鑄機拉矯機電機的控制方式全部改為無速度傳感器矢量控制后，運行實踐表明該控制方式在低速區(qū)能夠提供足夠的啟動轉(zhuǎn)矩，電機電流在安全范圍內(nèi)，同時速度控制精度和響應時間能夠滿足工藝要求。由于該控制方式不再需要編碼器，設備運行可靠性得到提高，同時降低了維護成本。

2 電機性能參數(shù)對無速度傳感器矢量控制的影響

建立矢量控制的數(shù)學模型需要獲得的性能參數(shù)，包括電感、電阻、漏抗以及轉(zhuǎn)子時間常數(shù)等，變頻器能否準確獲取這些參數(shù)直接影響系統(tǒng)的調(diào)速性能。無速度傳感器矢量控制在實現(xiàn)矢量控制的基礎上，電機轉(zhuǎn)子速度的計算更需要利用定子電壓、電流與頻率，無速度傳感器矢量控制方式對電機參數(shù)的變化較帶速度傳感器的矢量控制方式更為敏感，因而變頻器中設定的電機參數(shù)與實際是否匹配直接影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。

在6SE70 變頻器中，用戶可以利用參數(shù)P115 方便實現(xiàn)對電動機銘牌以外的參數(shù)進行辨識，實現(xiàn)空載測量和調(diào)節(jié)器優(yōu)化，為變頻器自動計算電機模型、實現(xiàn)磁場準確定向和轉(zhuǎn)速估計奠定基礎。

由于溫度、絕緣老化、轉(zhuǎn)子斷條等因素均會引起電機參數(shù)的變化[2]，如果變頻器的參數(shù)不同步進行改變，將導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到破壞，特別是其動態(tài)性能在低頻運行時明顯變差，此時必須對電機進行下線維護保養(yǎng)并對電機參數(shù)進行重新辨識。在更換電機、電機改型等情況下，也必須對電機的參數(shù)進行重新辨識。

3 故障案例

3.1 7#連鑄機拉矯機轉(zhuǎn)子斷條導致低頻運行時電機抖動

3.1.1 故障現(xiàn)象

7#連鑄機拉矯機系統(tǒng)自改為無速度傳感器矢量控制后一直穩(wěn)定運行，某日值班電工發(fā)現(xiàn)在開澆或快換初期變頻器頻繁保護，待拉速提高后即可穩(wěn)定運行，但力矩產(chǎn)生脈動。圖1 為連鑄機開澆過程中該電機轉(zhuǎn)速、力矩、電流的趨勢圖。在給定起步拉速0.2 m/min 的拉速下，給定頻率為6 Hz。電機轉(zhuǎn)速、力矩和電流波動嚴重，從圖中可以看到電機轉(zhuǎn)速甚至達到負值，在現(xiàn)場觀察電機，發(fā)現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)抖動。在拉速逐步提高后，波動趨緩，但轉(zhuǎn)速和力矩仍有脈動。

在鑄機以0.7 m/min 拉速澆鑄過程中，測量變頻器輸出電壓，三相分別為230 V、289 V、293 V,其中一相電壓明顯偏低，在停澆后啟動拉矯機，拉矯輥不帶負載運行，在起步拉速下轉(zhuǎn)速、力矩、電流并未產(chǎn)生波動，測量變頻器輸出電壓三相平衡，在送引錠過程中即拉矯機反轉(zhuǎn)時，測量變頻器輸出電壓分別為377 V、330 V、330 V，正轉(zhuǎn)時電壓偏低的那一相電壓偏高。斷電測量電機繞組阻值，三相平衡，對地絕緣良好。

圖1 7#機故障情況下電機轉(zhuǎn)速、力矩、電流趨勢變化圖

3.1.2 故障分析

基于以上檢測判斷變頻器沒有故障，將故障點鎖定在電機上，利用檢修時間更換電機后，故障消除，曲線記錄如圖2。電機下線后對其進行拆檢發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子有斷條且有輕微掃膛。當電機轉(zhuǎn)子發(fā)生斷條故障時，其造成的轉(zhuǎn)子不對稱將會使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場中引入負序分量，該分量與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用在定子側(cè)感應出頻率大小為(1～2s)f 的電流分量，該故障電流與定子磁鏈相互作用，產(chǎn)生附加的脈動轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子斷條引起轉(zhuǎn)子電氣參數(shù)的改變，必然造成變頻器計算的電機模型與實際有偏差，影響磁場的準確定向，同時也會造成變頻器對轉(zhuǎn)速的估算產(chǎn)生錯誤，引起系統(tǒng)失調(diào)，產(chǎn)生類似于在帶速度傳感器矢量控制中編碼器斷軸造成的故障。

3.2 5#連鑄機拉矯機電機改型后導致低頻運行時電機抖動

3.2.1 故障現(xiàn)象

5#連鑄機在大修過程中將1流拉矯機電機由之前的風冷電機改為水冷電機，電機功率不變。但在試車過程中發(fā)現(xiàn)，在起步拉速下，電機出現(xiàn)抖動，電機力矩、電流趨勢如圖3所示。

3.2.2 故障分析

經(jīng)檢查，改型所用的電機銘牌顯示，額定轉(zhuǎn)速970 r/min，額定電流17.2 A，原電機額定轉(zhuǎn)速980 r/min，額定電流18 A,兩種電機的銘牌參數(shù)有所區(qū)別，電機內(nèi)部定子、轉(zhuǎn)子的電氣參數(shù)必然也不相同。由此斷定此故障是由于電機性能參數(shù)與變頻器設定參數(shù)不匹配造成的。由于電機參數(shù)發(fā)生變化，變頻器未能正確建立與實際相匹配的電機模型，磁場定向不準確，導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

通過變頻器的參數(shù)自辨識功能對電機參數(shù)進行識別后，重新試車，故障消除，趨勢如圖4所示。

圖2 更換電機后電機轉(zhuǎn)速、力矩、電流趨勢變化圖

圖3 參數(shù)自辨識前的電機力矩、電流趨勢變化圖

圖4 參數(shù)自辨識后的電機力矩、電流趨勢變化圖

4 結(jié)論

無速度傳感器矢量控制的原理決定了其控制性能對電機性能參數(shù)的依賴性，因而電機性能參數(shù)的變化是系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定的重要因素，在設備維護和故障診斷中必須重視電機的參數(shù)變化。當電機由于故障等原因造成性能參數(shù)變化時，應及對電機進行下線維護保養(yǎng)；在更換型號有差異的電機后應使變頻器對電機參數(shù)進行自辨識和修正。