，，，

（日照鋼鐵有限公司，山東 日照 276806）

1 引言

西門子變頻器有許多系列，其中SIMOVER－D系列的交－交變頻器主要用于大容量、低轉(zhuǎn)速的場合。日鋼1 580mm熱軋帶鋼廠的主傳動采用交－交變頻傳動系統(tǒng)，主要由3個交－交變頻整流柜、1個勵磁柜、1個SIMADYN－D控制柜、1個輔助柜和1個過電壓吸收柜組成。主傳動電機(jī)采用6 000kW凸極同步電動機(jī)，由三相交－交變頻器供電，全數(shù)字多處理器控制系統(tǒng)SIMADYN－D控制，是典型的交－交變頻矢量控制傳動系統(tǒng)。主傳動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，定子回路由高壓斷路器、整流變壓器、三相交－交變頻器及交流同步電機(jī)等組成。轉(zhuǎn)子（激磁）回路由勵磁高壓斷路器、勵磁整流器等組成。整流變壓器采用不同形式的連接方式，即d／d0和d／y11，這使變壓器二次側(cè)繞組相位相差一定的電角度，這樣做可以減少電網(wǎng)的諧波。每個變頻柜是1套三相橋式無環(huán)流反并聯(lián)連接的單相輸出的交－交變頻器，由3個單相交－交變頻器柜組成1套輸出Y連接方式的三相交－交變頻器。控制系統(tǒng)由全數(shù)字多處理器SIMADYN－D控制，它由4個處理器、電源、框架及外圍接口等組成，并有速度控制、矢量控制、相電流控制、勵磁電流控制、開關(guān)接通／斷開連鎖和故障控制等功能。

圖1 主傳動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of main drive control system

2 R1上下輥系統(tǒng)間負(fù)荷平衡

熱軋帶鋼生產(chǎn)線粗軋R1上下輥的2臺電動機(jī)，采用2套完全相同的獨立的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。每套系統(tǒng)各驅(qū)動1臺電動機(jī)，當(dāng)傳動處于空載時，上下輥之間無機(jī)械聯(lián)系，靠軋機(jī)速度設(shè)定值及速度分配器維持上下輥間的電氣同步，其兩輥間的線速度保持下輥輥面線速度略高于上輥，以取得軋制工藝上的良好頭部形狀，保證軋件便于咬入軋輥。當(dāng)材料正常咬入并進(jìn)行軋制后，為消除由于下輥轉(zhuǎn)速略高于上輥而導(dǎo)致的負(fù)載轉(zhuǎn)矩偏差，及消除線速度差對軋制翹頭高度的影響，適時地依據(jù)實際負(fù)載修正速度設(shè)定偏差，控制系統(tǒng)框圖見圖2。其中，負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)（見圖2b）中包括負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器、上下輥附加速度設(shè)定計算2部分。

圖2 單輥傳動系統(tǒng)的負(fù)荷平衡控制框圖Fig.2 Load balance block diagram of single－roller drive control

2.1 負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)

分別取上輥及下輥速度調(diào)節(jié)器的輸出T2及T1，用它們近似地代表軋制轉(zhuǎn)矩的實際值，取絕對值及計算偏差，當(dāng)偏差超過閾值時，負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器的輸出產(chǎn)生附加速度設(shè)定，修改2個系統(tǒng)的速度給定，平衡2臺電動機(jī)轉(zhuǎn)矩。負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器通常設(shè)置為比例積分調(diào)節(jié)器，但由于負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)出現(xiàn)振蕩不能太快，因而引起轉(zhuǎn)矩波動，影響軋制質(zhì)量，故實際采用的P小，T長，或者采用增益小的比例放大器。

2.2 附加設(shè)定計算

取負(fù)荷平衡輸出并與當(dāng)前速度設(shè)定值進(jìn)行計算。通過乘法器及反號，分別得到符號相反的附加速度計算值，分別修正上下輥轉(zhuǎn)矩而達(dá)到負(fù)荷平衡。用于修正的附加值極性，使負(fù)載大的系統(tǒng)速度降低，減少其實際負(fù)載；同時使負(fù)載小的系統(tǒng)速度升高，提高其實際負(fù)載，達(dá)到負(fù)載平衡一致。其中將2個附加設(shè)定通道內(nèi)的限幅單元，用于限制調(diào)整幅度，以免影響軋制。

圖3和圖4分別為負(fù)荷平衡投入之前和之后的電流曲線，通過曲線可以看出在負(fù)荷平衡未投入之前上下輥定子電流相差較大，負(fù)荷平衡投入后消除了上下輥之間定子電流的偏差。

圖3 負(fù)荷平衡未優(yōu)化前的軋機(jī)電流Fig.3 Mill current before optimizing the load balance

圖4 負(fù)荷平衡優(yōu)化后的軋機(jī)電流Fig.4 Mill current after optimizing the load balance

圖3、圖4中，電流實際值為最大定子電流的百分?jǐn)?shù)（最大定子電流為5 463A）；其中，曲線1為上輥主電機(jī)定子線電流，曲線2為下輥主電機(jī)定子線電流。

3 故障分析及處理措施

3.1 勵磁過電壓

正常軋鋼生產(chǎn)時，當(dāng)軋機(jī)出口速度加速到200m／min時，主傳動跳電操作盤OP2N顯示勵磁直流側(cè)電壓過高，即報“勵磁過電壓”故障，電機(jī)速度振蕩。根據(jù)該故障現(xiàn)象，逐步排查可能的故障原因，檢查項目如下：1）檢查勵磁過電壓保護(hù)回路有無異常。更換勵磁回路過電壓檢測板后故障依舊；2）檢查控制回路是否異常。做電機(jī)開環(huán)試驗，測量主回路三相晶閘管觸發(fā)脈沖，沒有發(fā)現(xiàn)異常，故障依舊；3）檢查實際值檢測回路是否正常。

用PDA記錄三相定子電壓和電流曲線，發(fā)現(xiàn)軋機(jī)未運行，A相已有電壓；測量主回路接口板SE20.2發(fā)現(xiàn)A相電壓反饋為－6V，而其他兩相反饋均為零，說明檢測電壓實際值的霍耳元件LV100出現(xiàn)問題，更換后故障消除。

對更換下線的霍耳元件LV100進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)LV100輸出對正負(fù)電源的阻抗相差很大，內(nèi)部電路出現(xiàn)異常LV100A相電壓不正常，導(dǎo)致檢測回路發(fā)生故障，這是造成主傳動跳電的根本原因。

在電機(jī)低速啟動（速度在5%以下）時，由于不需要用到三相電壓的反饋值，所以此時電機(jī)并沒有跳電。電機(jī)轉(zhuǎn)速介于最大轉(zhuǎn)速的5%～8%時，電機(jī)由電流模型和電壓模型共同進(jìn)行控制，并逐步轉(zhuǎn)向電壓模型控制。此時由于電流模型還在起作用，所以電機(jī)還沒有失控；但隨著電流模型作用減弱，A相電壓不平衡產(chǎn)生的影響越來越嚴(yán)重，電機(jī)的振動加劇。當(dāng)軋機(jī)出口速度加速到200 m／min時，主傳動跳電，也就是在矢量控制系統(tǒng)從電流模型控制轉(zhuǎn)向電壓模型控制以后發(fā)生了跳電。此時，電壓變換器輸出偏大，另外兩相正常。此時，通過電壓模型計算可知Ψ偏大，再經(jīng)過磁通調(diào)節(jié)器和PI調(diào)節(jié)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流Ie變小。當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁電流Ie變得足夠小時，轉(zhuǎn)子側(cè)回路近似開路，感應(yīng)出高電壓，導(dǎo)致“勵磁過電壓”跳電。

3.2 電機(jī)定子三相電壓不平衡

正常軋鋼生產(chǎn)時，主傳動跳電操作盤OP2N顯示F189和F193故障，即報“定子三相電壓不平衡”故障，并且柜門上的“缺臂”指示燈亮，電機(jī)速度振蕩。復(fù)位后運行，故障依舊。檢查電機(jī)、電纜及晶閘管均正常，用示波器檢查晶閘管正反組觸發(fā)脈沖也正常。用PDA記錄三相定子電壓和電流曲線，發(fā)現(xiàn)R相電流總是在反組晶閘管導(dǎo)通時出現(xiàn)波動振蕩，如圖5所示；因此懷疑可能是反組晶閘管觸發(fā)脈沖觸發(fā)不好引起的，將反組的脈沖盒全部拆下測量，發(fā)現(xiàn)反組2＃晶閘管脈沖盒的電阻很大，加DC 3V觸發(fā)電壓后，晶閘管時通時斷，而正常情況下加DC 2V電壓時，晶閘管就能導(dǎo)通。更換反組2＃晶閘管觸發(fā)脈沖盒后，傳動系統(tǒng)運行正常，如圖6所示。

圖5 脈沖盒更換前電壓電流波形Fig.5 Voltage and current waveforms before replacing the pulse box

圖6 脈沖盒更換后電壓電流波形（空載）Fig.6 Voltage and current waveforms after replacing the pulse box（no－load）

圖5、圖6中，電流實際值為最大定子電流的百分?jǐn)?shù)（最大定子電流為5 375A）；其中曲線1，2，3分別為電機(jī)R，S，T三相定子電壓，曲線4，5，6分別為電機(jī)R，S，T三相定子電流。

3.3 電機(jī)定子三相電流不平衡

正常軋鋼生產(chǎn)時，主電機(jī)突然跳電，分析記錄的電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩電流，發(fā)現(xiàn)跳電前電機(jī)線電流有20%的波動現(xiàn)象，并且最后因過流跳電。重新合閘采集三相輸出電流，發(fā)現(xiàn)T相電流異常，見圖7。

圖7 主電機(jī)三相電壓電流波形Fig.7 Three－phase voltage and current waveforms of main motor

圖7中，電流實際值為最大定子電流的百分?jǐn)?shù)（最大定子電流為5 375A）；其中，曲線1，2，3分別為電機(jī)R，S，T三相定子電壓，曲線4，5，6分別為電機(jī)R，S，T三相定子電流。

PDA記錄定子繞組三相電流、三相電壓進(jìn)行監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)T相電流為19%，R相和S相電流均為30%，而三相電壓正常，懷疑變頻器T相回路或?qū)嶋H電流檢測回路有問題，停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)T相實際電流檢測板里的整流二極管V16的正反阻值均為無窮大。拆下來測量二極管損壞，重新更換后正常。經(jīng)過處理，開機(jī)后檢查三相電流平衡，運行正常。如圖8所示。分析認(rèn)為，T相電流實際值檢測板中整流二極管V16損壞（見圖9），導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常檢測B相的電流，從圖7可以看出T相電流比R，S相低10%，從而使定子三相電流不平衡。

圖8 T相檢測板二極管更換后電壓電流波形Fig.8 Voltage and current waveforms after replacing the diode of T－phase detection board

圖8中，電流實際值為最大定子電流的百分?jǐn)?shù)（最大定子電流為5 375A）；其中，曲線1，2，3分別為電機(jī)R，S，T三相定子電壓，曲線4，5，6分別為電機(jī)R，S，T三相定子電流。

圖9 T相電流實際值檢測回路Fig.9 Detection circuit of actual T－phase current value

3.4 脈沖編碼器故障

脈沖編碼器是傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵檢測元件，用于系統(tǒng)側(cè)測速反饋及轉(zhuǎn)子定位，其好壞直接關(guān)系到傳動系統(tǒng)的性能，編碼器的故障主要有無脈沖、缺脈沖、軸承損壞脈沖不均勻等。反映在傳動系統(tǒng)上是飛車、過流、震蕩等。交－交變頻傳動系統(tǒng)中設(shè)置有開環(huán)方式功能，可以檢查速度反饋回路以及磁通位置角和轉(zhuǎn)子位置角是否重合。圖10是編碼器一側(cè)軸承損壞時的波形。

圖10 編碼器軸承損壞波形Fig.10 Waveforms of the damaged encoder bearings

圖10中，速度給定值和速度實際值為最大轉(zhuǎn)速的百分?jǐn)?shù)（最大轉(zhuǎn)速為470r／min），定子電流實際值為最大定子電流的百分?jǐn)?shù)（最大定子電流為5 416A）；其中，曲線1為速度給定值，曲線2為速度實際值，曲線3為電機(jī)定子線電流實際值。

編碼器軸承損壞故障表現(xiàn)在主電機(jī)是速度抖動，并且有異響。PDA記錄速度和電流波形均有波動，如圖10所示。開始懷疑軋機(jī)的支撐輥有掉肉的現(xiàn)象，因為最初是電機(jī)每轉(zhuǎn)2圈有一個波動，而支撐輥的周長正好是工作輥的2倍，但經(jīng)過檢查支撐輥未損傷。對PDA波形認(rèn)真分析后發(fā)現(xiàn)，速度的波動引起了定子電流和電壓的波動，因此懷疑速度實際值檢測回路出現(xiàn)了問題，檢查編碼器發(fā)現(xiàn)有一側(cè)軸承卡堵，更換后正常，見圖11。

圖11 更換編碼器后正常波形Fig.11 Normal waveforms after replacing the encoder

4 結(jié)論

通過對實際應(yīng)用的交－交變頻器主傳動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和常見故障的介紹，希望能對有關(guān)人員熟悉和了解交－交變頻器有所幫助。西門子交－交變頻器主要用于大容量、低轉(zhuǎn)速的場合，裝機(jī)量比較少，介紹這方面書籍或資料也比較少，以上是通過工作中的經(jīng)驗和體會，總結(jié)出的交－交變頻傳動系統(tǒng)的常見故障處理方法，希望對有關(guān)人員有所幫助。

［1］馬小亮.大功率交－交變頻調(diào)速系統(tǒng)及矢量控制技術(shù)［M］.第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］李崇堅.交流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［3］天津電氣傳動設(shè)計研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.