南永輝，張 哲，何成昭，周振邦，劉建平，周偉軍

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

軋機主傳動系統(tǒng)在整條冶金軋制生產(chǎn)線中占有非常重要的地位，是冶金企業(yè)生產(chǎn)的生命線[1-3]。多機架、熱連軋精軋機生產(chǎn)線具有生產(chǎn)效率高、設(shè)備投資大、多機架相互耦合等特點，因此對軋機主傳動系統(tǒng)的性能和可靠性要求更高。

交直交變頻器具有網(wǎng)側(cè)諧波小、電機調(diào)速范圍寬等優(yōu)勢，已成為軋機主傳動技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。文獻(xiàn)[3-4]介紹了國內(nèi)中壓變頻器在單機架冷軋機、熱軋機的應(yīng)用；文獻(xiàn)[5]提出了軋機兩重化網(wǎng)側(cè)變流器諧波優(yōu)化控制策略及變壓器直流偏磁綜合補償方法；文獻(xiàn)[6]介紹了三電平雙模塊并聯(lián)協(xié)同特定諧波消除脈寬調(diào)制網(wǎng)側(cè)控制方法；文獻(xiàn)[7]對熱軋機進(jìn)行了主傳動系統(tǒng)建模和振動分析；文獻(xiàn)[8-10]分析軋機扭振的原因并介紹了抑制控制方法。上述文獻(xiàn)對軋機主傳動系統(tǒng)部分應(yīng)用領(lǐng)域做了相應(yīng)研究，但是并不能直接應(yīng)用于多機架精軋機。由于多機架、熱連軋精軋機的主傳動系統(tǒng)是涉及多學(xué)科的綜合工程，其比傳統(tǒng)單機架主傳動系統(tǒng)更為復(fù)雜，特別是精軋機直接產(chǎn)出產(chǎn)品，因而對主傳動系統(tǒng)的綜合性能要求更高，因此熱連軋領(lǐng)域的中壓變頻器產(chǎn)品長期被國外公司所壟斷。

本文針對河北某鋼鐵現(xiàn)場八機架、熱連軋精軋機的工藝控制要求，提出一種高性能傳動控制方案，實現(xiàn)了國內(nèi)首個熱連軋國產(chǎn)中壓變頻器的應(yīng)用。本文將針對該系統(tǒng)方案中網(wǎng)側(cè)控制、電機控制及現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 八機架熱連軋精軋機系統(tǒng)方案

圖1示出一套由8個主傳動單元（F1～F8）組成的連續(xù)軋制系統(tǒng)。每個主傳動單元由變壓器、網(wǎng)側(cè)變流器（AC/DC）、機側(cè)變流器（DC/AC）、電勵磁同步電機（electrically excited synchronous motor，EESM）和勵磁單元等組成。正常工作時，每臺變流器接受自動化指令執(zhí)行電機速度閉環(huán)控制，通過電機帶動齒輪箱和工作輥等機械裝置來實現(xiàn)對鋼帶的依次連續(xù)軋制。鋼帶從F1開始軋制，依次通過F2～F8，最后變成目標(biāo)厚度的鋼帶產(chǎn)品。由于鋼帶越軋越長，某一段時間內(nèi)F1～F8會同時對鋼帶進(jìn)行軋制，因此相比單機架系統(tǒng)，多機架系統(tǒng)生產(chǎn)效率更高；但多個機架之間由于鋼帶的耦合會使轉(zhuǎn)矩相互擾動，在生產(chǎn)過程中，任何一個機架的性能和可靠性都會對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全產(chǎn)生影響。

圖1 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the transmission system

本傳動系統(tǒng)方案分為8個主傳動單元。主傳動單元中的每臺變壓器把10 kV電壓轉(zhuǎn)化為3.15 kV電壓，為了降低變壓器的生產(chǎn)成本和用戶備件成本，8臺變壓器采用統(tǒng)一型號（變壓器移相角度相同），并通過對變流器的載波相移控制和諧波抑制措施使高壓電網(wǎng)側(cè)諧波指標(biāo)符合要求。網(wǎng)側(cè)和機側(cè)變流器采用結(jié)構(gòu)相同的二極管箝位式三電平變流器主電路。網(wǎng)側(cè)變流器為傳動系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓，通過對機側(cè)變流器和勵磁單元的協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制，進(jìn)而滿足工藝要求。

2 網(wǎng)側(cè)變流器控制

主傳動三電平四象限整流環(huán)節(jié)主要具有總電壓穩(wěn)定控制、中點電壓平衡控制及制動能量回饋電網(wǎng)等功能，并且需要高壓側(cè)總電流諧波滿足電網(wǎng)要求。本方案網(wǎng)側(cè)變流器控制原理如圖2所示，其中usabc為電網(wǎng)三相電壓；ud1、ud2分別為測量的直流側(cè)上半橋電壓、下半橋電壓分別為總直流電壓的指令和測量值；分別為輸出電壓指令在dq和αβ坐標(biāo)系下對應(yīng)分量；iabc為整流器輸出三相電流；iαβ為測量電流在αβ坐標(biāo)系下對應(yīng)分量為電壓的d軸電流分離為有功電流預(yù)測前饋量；分別為有功、無功電流指令；id、iq分別為基波有功、無功電流反饋；idq、idq5、idq7分別為電流在dq坐標(biāo)系下的基波、5次諧波和7次諧波；θ為數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）得到的網(wǎng)壓同步相位；Pm為負(fù)載功率；PI、GI分別為比例積分控制器、諧波控制器；LPF為低通濾波器；δ為載波相移角度，每個機架設(shè)置值不同，各相差22.5°。

圖2 網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖Fig.2 Control block diagram of grid side converter

該方案采用直流電壓外環(huán)、有功/無功電流內(nèi)環(huán)的控制策略。其將直流電壓外環(huán)輸出和負(fù)荷功率前饋電流分量相加，以保證在負(fù)載突變時直流電壓能夠快速響應(yīng)；無功電流內(nèi)環(huán)控制用于實現(xiàn)全工況下網(wǎng)側(cè)變流器接近單位功率因數(shù)運行；電壓均衡控制環(huán)節(jié)用于實現(xiàn)三電平電路上、下半橋電壓的平衡；8個電機的控制算法完全相同，通過對載波相移參數(shù)進(jìn)行不同設(shè)置來降低高壓側(cè)電流諧波。

諧波控制器的頻域傳遞函數(shù)如式（1）所示。

式中：kp——比例系數(shù)；kr——諧振系數(shù)；s——拉普拉斯算子；ωc——截止角頻率；ωh——諧波角頻率。

3 同步電機控制

同步電機的控制性能直接影響主傳動單元的性能。本節(jié)主要介紹氣隙磁場下電機的控制模型，分析扭振產(chǎn)生的原因及應(yīng)對措施。

3.1 氣隙磁鏈定向矢量控制

氣隙磁鏈定向工況下，定子電壓方程如式（2）所示，電機轉(zhuǎn)矩方程如式（3）所示，機械運動方程如式（4）所示[3]：

式中：usm——M軸定子電壓；ust——T軸定子電壓；ism——M軸定子電流；ist——T軸定子電流；Rs——電機定子電阻；Lsl——電機漏感；ψδ——氣隙磁鏈；ωm——電機同步機械角頻率；Te——電磁轉(zhuǎn)矩；Tl——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B——摩擦因數(shù)；J——轉(zhuǎn)動慣量；np——電機極對數(shù)。

3.2 軸系扭振分析和措施

軋機主傳動單元包含電機、齒輪箱、聯(lián)軸器、工作輥及支撐輥等諸多機械環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)是一個復(fù)雜、多慣量、彈性系統(tǒng)。為了分析方便，工程上可簡化系統(tǒng)模型（圖3），其動力學(xué)方程如式（5）所示[8]。圖3中，θm和θl分別為電機旋轉(zhuǎn)角度、軋輥旋轉(zhuǎn)角度。

圖3 兩慣量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of dual-inertia-system

式中：Tsh——彈性軸轉(zhuǎn)矩；Jm——電機轉(zhuǎn)動慣量；Jl——軋輥轉(zhuǎn)動慣量；ωl——軋輥旋轉(zhuǎn)角速度；Ksh——彈性軸剛度系數(shù)。

電機轉(zhuǎn)子和軋輥機械瞬時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角并不完全相同，彈性軸引起的振動即扭振，其影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時會造成生產(chǎn)機械部件的損壞。扭振的大小與負(fù)荷變化的快慢、軸系的彈性/慣量分布、傳動控制響應(yīng)快慢等因素相關(guān)。產(chǎn)生扭振的原因大致如下：

（1）軋機機械固有頻率與傳動電氣頻率產(chǎn)生的機電共振；

（2）電機編碼器安裝同心度不夠、編碼器信號受干擾和傳動控制參數(shù)匹配不合理；

（3）在咬鋼、拋鋼等瞬態(tài)過程中，軋輥承受沖擊性負(fù)荷，電機轉(zhuǎn)矩若不能快速響應(yīng)負(fù)載變化則容易發(fā)生扭振；

（4）軋制材質(zhì)特性、機械裝置同心度和活套控制等因素導(dǎo)致的異常周期性變化。

3.3 扭振抑制措施

針對第一種原因扭振，主傳動控制一方面可以對扭振速度點進(jìn)行躲避設(shè)置，以避免電機在扭振點長期運行；另一方面，對于已知的扭振頻率點，可以在速度反饋通道加入陷波濾波器來抑制扭振。針對第二種原因扭振，主傳動控制通過規(guī)范編碼器的安裝過程和選型以及采取硬件和軟件抗干擾等措施來抑制。針對第三種原因扭振，采用負(fù)荷觀測器引入轉(zhuǎn)矩前饋控制可以有效抑制。針對第四種原因扭振，傳動控制缺乏主動應(yīng)對措施，本文暫不涉及。

3.3.1 陷波濾波器

在傳動控制的速度反饋通道設(shè)置陷波濾波器，使其特征頻率等于軋機扭振固有頻率，即扭振頻率的增益為零，則可實現(xiàn)對固有頻率的扭振抑制。本方案采用二階陷波濾波器，其傳遞函數(shù)可以表示為

式中：A0——濾波器增益；ωn——特征角頻率；M0——等效品質(zhì)因數(shù)。

3.3.2 負(fù)荷觀測器

從式（4）可以看出，當(dāng)軋機負(fù)荷轉(zhuǎn)矩突然變化時，如果電機電磁轉(zhuǎn)矩不能及時響應(yīng)，則必然造成轉(zhuǎn)速的較大變化：一方面會造成較大的動態(tài)速降，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面，很可能會產(chǎn)生扭振。本方案構(gòu)造的負(fù)荷轉(zhuǎn)矩觀測控制器如圖4所示。圖中，k和h都為增益系數(shù)，ωmobz為角頻率觀測值，Tlobz為轉(zhuǎn)矩觀測值。

圖4 滑模負(fù)荷轉(zhuǎn)矩觀測器Fig.4 Sliding mode load torque observer

3.4 轉(zhuǎn)動慣量辨識

轉(zhuǎn)動慣量對于速度環(huán)的設(shè)計和負(fù)荷轉(zhuǎn)矩辨識都有著重要意義。本文提出一種兩次加速法辨識轉(zhuǎn)動慣量，其通過在空載工況下對式（4）進(jìn)行修正而得到。

對式（7）進(jìn)行調(diào)整，得到

式中：Te1——電機轉(zhuǎn)矩1；Te2——電機轉(zhuǎn)矩2；Δωm1——機械角頻率差1；Δωm2——機械角頻率差2；Δt1——時間差1；Δt2——時間差2；ωmstart——測量起點角頻率；ωmstop——測量終點角頻率。

求解式（8）即可得到轉(zhuǎn)動慣量和摩擦因數(shù)。

3.5 電機控制系統(tǒng)方案

圖5示出本項目中電機控制系統(tǒng)方案，其主要包括速度調(diào)節(jié)器、負(fù)載觀測器、電機模型及電流控制等單元。其中，編碼器信號處理單元具有低通濾波器和陷波濾波器的功能，主要負(fù)責(zé)把收到的編碼器信號轉(zhuǎn)化為可用的速度和位置信息；電機模型單元根據(jù)采集到的電壓、電流和速度等信息，實現(xiàn)磁鏈計算、轉(zhuǎn)矩計算及電流分配等功能；負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測單元根據(jù)電機模型計算的轉(zhuǎn)矩和速度信息計算出負(fù)載轉(zhuǎn)矩，然后該負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度調(diào)節(jié)器的輸出疊加，得到轉(zhuǎn)矩給定；電流控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令和位置信息等完成M軸和T軸電流的閉環(huán)矢量控制；勵磁控制單元主要完成勵磁電流閉環(huán)控制；空間矢量脈寬調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）單元負(fù)責(zé)把兩相靜止坐標(biāo)系電壓轉(zhuǎn)為三相三電平的觸發(fā)脈沖。圖5中，ω*m為角頻率給定；Tl和T*e分別為觀測負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩給定；usα和usβ分別為兩相靜止坐標(biāo)系下對應(yīng)電壓分量；ia和ib分別為電機A相和B相的電流；i*f和if分別是勵磁電流指令和反饋信息；θδ和θr分別為氣隙角和轉(zhuǎn)子角。

圖5 電勵磁同步電機控制框圖Fig.5 Control block diagram of rolled EESM

4 仿真和實驗結(jié)果

為了驗證本文所述主傳動系統(tǒng)方案的網(wǎng)側(cè)和機側(cè)性能，對其進(jìn)行了仿真和實驗驗證。電機的主要參數(shù)如下：額定功率為3 000 kW，額定電壓為3 150 V，額定電流為566 A，額定轉(zhuǎn)速為350 r/min，電機額定轉(zhuǎn)矩為81 857 N·m。

4.1 仿真

4.1.1 網(wǎng)側(cè)控制仿真

圖6示出網(wǎng)側(cè)電流波形?？梢钥闯?，采用多重化變流器后，變壓器高壓10 kV側(cè)電流諧波非常低，總諧波電流含量小于2%，滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》要求。

圖6 電網(wǎng)側(cè)電流波形Fig.6 Waveforms of power grid current

4.1.2 電機陷波濾波器扭振抑制仿真

圖7示出電機陷波濾波器扭振抑制仿真波形?？梢钥闯?，采用陷波濾波器后，當(dāng)發(fā)生扭振脈動時，轉(zhuǎn)速脈動和轉(zhuǎn)矩脈動明顯降低，抑制了扭振現(xiàn)象的發(fā)生。

圖7 陷波濾波器控制波形Fig.7 Notch filter control waveform

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

將本文所提出的主傳動系統(tǒng)方案應(yīng)用在河北某鋼廠熱連軋現(xiàn)場，其通過了性能驗證及可靠性考核。圖8示出八機架熱連軋精軋軋機主傳動系統(tǒng)實物。

圖8 多機架熱連軋軋機主傳動系統(tǒng)Fig.8 Practical main drive system of multi-stand hot continuous rolling mill

圖9示出現(xiàn)場10 kV母線電壓諧波測試數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，U相電壓總諧波含量≤2.1%，V相電壓總諧波含量≤2%，W相電壓總諧波含量≤2.1%，滿足國標(biāo)GB/T 14549-1993電壓總諧波含量≤4%的要求。

圖9 10 kV電網(wǎng)側(cè)電壓諧波波形Fig.9 Harmonic voltage waveforms in 10 kV grid side

圖10示出連軋機軋制一塊鋼時的4個電機（F5～F8）的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形。可以看出，軋制一塊鋼大約需要1 min，期間電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩一直處于動態(tài)變化中。

圖10 F5到F8電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形Fig.10 Speed and torque waveforms of F5 to F8 motors

圖11示出F6電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形?？梢钥闯?，在咬鋼和拋鋼時，由于負(fù)荷觀測器的作用，電機轉(zhuǎn)矩可以隨著負(fù)載變化而快速反應(yīng)，因此速度僅出現(xiàn)小幅變化。在加速和減速過程中，轉(zhuǎn)速反饋緊密跟蹤轉(zhuǎn)速指令（動態(tài)轉(zhuǎn)速跟蹤誤差小于1.5 r/min）；在恒定速段，電機轉(zhuǎn)速無波動，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小于0.5 r/min。整個軋制過程中，主傳動系統(tǒng)各項技術(shù)指標(biāo)均能滿足軋制生產(chǎn)工藝要求。

圖11 F6機架轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩軋制波形Fig.11 Speed and torque rolling waveforms of F6

5 結(jié)語

針對國內(nèi)首個全自主化的多機架、熱連軋精軋機主傳動系統(tǒng)的要求，本文設(shè)計了一種傳動控制方案，其網(wǎng)側(cè)變流器控制具有低諧波特點和中點電壓平衡控制功能；同時，結(jié)合理論和工程經(jīng)驗，本文分析了軋機扭振產(chǎn)生的原因，提出一種轉(zhuǎn)動慣量辨識方法，所提出的基于氣隙磁鏈定向矢量控制方法具有扭振抑制、負(fù)荷擾動抑制的特點。實際運行結(jié)果顯示，所設(shè)計的方案正確可行，電網(wǎng)諧波、電機轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩響應(yīng)等技術(shù)指標(biāo)符合要求，滿足現(xiàn)場高性能軋制需求，具有較大的推廣應(yīng)用價值。未來，將會深化研究更大功率、更高性能的熱連軋和冷連軋主傳動系統(tǒng)及控制策略，持續(xù)推進(jìn)國產(chǎn)化中壓軋機主傳動系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步。