热连轧传动系统的控制

朱国青

摘要：冶金轧制有一些特殊的要求，包括负荷平衡、负荷观测、陷波滤波器等，为明显减少轧机動态速降和恢复时间负荷平衡，保证上下辊输出转矩的平均分配，采用负荷观测器的控制系统具有较强的抗负荷扰动性，为消除了机电共振现象，运用陷波滤波器，这些应用对生产线的正常快速生产、保证产品质量发挥着重要作用。

关键词：负荷平衡；负荷观测；陷波滤波器

1 引言

某钢铁公司是专门从事不锈钢热轧卷、冷轧卷及不锈钢深加工企业，主传动电动机是同步电动机，采用西门子公司新型全数字矢量交交变频调速系统进行控制，功率装置为三相无环流可逆式晶闸管变流器，采用简易而良好的创新设计，具有控制精度高、响应快速、可靠性强、较强的过载能力、操作简单及易于维护等特点。

2控制系统

2. 1 定子整流柜

功率部分采用晶闸管热管风冷整流柜，构成直接反并联功率组件，比采用普通散热器和同样晶闸管元件构成的装置提高输出能力60%左右，运行稳定。

由于电机功率较大，同时要求较高过载倍数，所以配置了大功率整流柜，电机每相由两个整流柜并联组成，粗轧满足2.5倍过载80s，精轧满足2.0倍过载80s，以满足轧制过程中电机的过载要求。

2. 2 转子整流柜

粗轧和精轧转子整流柜额定电压660V，额定电流分别是2100A和1420A，最大可至2400A和1600A。

2.3数字控制部分

主机控制器由通用微处理单元、专用微处理单元、整流装置、各种辅助单元、接口单元、通讯单元及电源等组成。

系统硬件设备主要控制器以及接口端子板等组成。

通用微处理单元主要完成系统起停的速度逻辑控制和速度调节（包括工艺控制）等任务，速度的给定控制、负荷观测、故障综合处理、主回路合分闸逻辑控制、操作面板OP控制、通讯等任务。通用微处理单元与上级自动化、专用微处理单元、装置之间通讯采用Profibus DP方式。

专用微处理单元主要完成矢量控制、磁通控制等任务。包括采用电压模型和电流模型计算磁通矢量的磁通定向控制、励磁电流给定计算、磁通闭环（包括弱磁电压闭环和电势闭环）控制、三相交流电流给定计算、电压前馈控制、矢量闭环的逻辑控制、交流电流调节、断续补偿、换向逻辑控制、触发脉冲控制等等。

PSA接收电流实际值、电压实际值和零电流信号，并发送定子脉冲信号。它与SSI之间通讯依靠光纤完成，SSI把光信号和电信号相互转化，与功率部分相连接，最终完成信号的发送和接收。

专用微处理单元用于检测电机绕组线圈、轴瓦、冷却水、风等PT100温度信号，用于电机故障报警联锁。专用微处理单元用来检测辅助设备的开关量输入，比如电机风机电源、加热器电源、电机漏水检测电源、UPS电源、整流柜风机电源、脉冲电源、主开关操作电源、辅助电源、接地检测电源及信号等，并完成接触器、继电器、指示灯等的开关量控制输出，从而组成了整个系统逻辑连锁，其中也包括了励磁高压开关、定子高压开关以及主开关的联锁控制。

3 负荷平衡控制

3.1 负荷平衡控制原理

负荷平衡控制采用PI调节器。由于积分调节作用的存在，能使被调节量的静态偏差为零。减小积分时间，可减少调节过程中被调节量的动态偏差，但会增加调节过程的振荡。相反，增大积分时间，可减小调节过程的振荡，但会增加被调节量的动态偏差。因此，在调试过程中，为了达到良好的负荷平衡效果，需要适当调整比例和积分时间。另外，对负荷平衡调节量和功能投入的阈值也需要根据实际情况确定，从而使负荷平衡达到跟好的效果。从工艺角度看，为使轧件往复轧制和运输过程中自由顺畅，带头应微微上翘，即雪橇板特性，因此，咬钢后延时投入负荷平衡调节器。

在大多数的轧机传动系统中，速度控制器采用PI调节器，其积分时间常数比电流环大很多倍，当电机承受突加负载时，速度急剧下降，电机转矩分量给定不能及时增大以补偿速降，使得相对速降较大，恢复时间较长，这对于要求较高的传动系统，只靠调整速度调节器参数是很难满足调速系统的要求的。尤其是板带连轧的精轧机组，各机架主传动的转速按秒流量原则设定，使得在正常轧制时各机架间的钢材既不受拉，也不堆积。但问题出在咬钢期间，例如某一时刻机架咬入钢材，受突加负载影响，该机架转速下降，再逐渐恢复，这时前一架的转速已恢复，按照原来设定的速度轧制，在该机架和前一机架之间钢材堆积，很可能导致废钢现象，不能满足工艺的要求，因此，有必要引入负荷观测器。

负荷观测器的任务是根据调速系统转速实际值n和转矩实际值T，输出电动机负载转矩的观测值T1，它是电流调节器的附加转矩给定，与速度调节器输出的转矩给定T* 相加，共同产生转矩。没有负荷观测器时，克服负载所需要的转矩要在转速降低，转速偏差n*-n出现后，经速度调节器的PI作用，使T*增大才能得到，这个过程较慢。有负荷观测器后，在转速降低和转矩增加双重因素作用下，观测器很快输出负载转矩的观测值，送给电流调节器，使转矩迅速增大，速降、恢复时间减小。这时速度调节器的输出不再承担提供负载转矩给定的任务，只承担动态转矩给定和补偿负荷观测误差任务，变化范围大大减小，稳态时T*≈0。

负荷观测器是由模拟电动机的积分器和负载观测调节器组成，模拟电动机积分器的积分时间等于电动机和机械的机电时间常数，该时间常数需要在现场实际测量。调试过程中，比例设置较大，投入时，影响系统的正常工作，这时需要适当减小比例，增加积分时间。

为投入负荷观测器功能后，SCOUT软件采集的波形，热连轧精轧机F8速度响应大大加快，咬钢时动态恢复时间由300ms减少到100ms，可见负荷观测器的输出比速度调节器的输出快，以此达到减小动态速降和恢复时间的目的。

3.2影响负荷不平衡的因素

引起上、下辊负荷不平衡的主要原因：电机本身的差别、上下工作辊的辊径不同、速度调节器和电流调节器的动态响应差异、轧件上下表面的摩擦系数、温度差等等。在轧制过程中，就会造成轧制速度和负荷的不平衡，线速度大的电机电流大，线速度小的电机电流小，经常出现过载现象，严重时损坏功率部件或机械设备，影响正常生产。

参考文献：

[1] 马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2005.