CN1100974A

CN1100974A - 能减弱轧机扭振和冲击的交流传动调速系统特性优化装置

Info

Publication number: CN1100974A
Application number: CN 93118386
Authority: CN
Inventors: 李泓; 金久利; 董殿魁; 于大新; 郑百祥; 马连智; 刘玉孚
Original assignee: Second Mill Of Anshan Steel Corp; Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Second Mill Of Anshan Steel Corp; Angang Steel Co Ltd
Priority date: 1993-09-29
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1995-04-05

Abstract

一种轧机可控硅调速系统特性优化装置，由积分滤波器、一组相互并联的比较放大器，综合放大器，减法器和可变限幅器顺次连接而成。积分滤波器和原系统的转矩绝对值运算器相接，可变限幅器的输入端与速度给定相接，输出端和原系统的给定积分器的输入端相接。本装置将原系统的单段不变斜率静特性变成多段可变斜率静特性，改善了系统的动态性能，减弱了轧机和机械设备的扭振和冲击，消灭了峰值大于2倍额定力矩的扭振。

Description

说明书

本发明属于轧机电气传动自动控制领域，特别是能减弱轧机和机械设备扭振冲击的轧机交流传动调速系统特性优化装置。

通常的轧机交流传动调速系统的特性斜率是单一的，不变的，转速不随负载大小而改变（如附图2所示）。将这样的传动系统应用到采用双锭轧制工艺的初轧机上时，冲击负载大，轴系扭振严重。特别是在大负载时，第二块钢高速咬入，造成强烈的冲击扭振，往往造成机械设备损坏。

《国外电气自动化》1988年4月号上刊登的文章“主轧机交流调速传动的最新进展及应用”中，提到了日本东芝公司通过采用最小换流裕角控制方法来减少负载换流逆变器供电的同步电动机的转矩脉动。在这种电气式位置检测系统（OPS控制）中，根据主磁通和电枢反应磁通的合成磁通来接通和关断晶闸管逆变器。合成磁通则直接由电动机的反电动势（CEMF）来检测，而不用机械式位置传感器。第二项改进是实现了换流的精确定时，通过负载电流来计算裕角，使得整个工作速度范围内保持换流裕角的最小值，因而使功率因数、效率和转矩脉动得到改善。但是由于电动机电流间断的原因，可能出现转矩不足和转矩脉动问题，因此建议用于中速和高速不可逆轧机。

该文章还介绍了[TOSCYCLO-μ/A850]^TM系统，该系统含有“模拟跟随控制”，用来补偿实际电机速度与没有扭转振动时模拟的电机速度之差，适用于冷连轧机（不可逆）的主传动。

《国外电气自动化》1992年2月号上的文章“交-交变频器驱动的同步电动机在轧钢机主传动中的应用”，提出了用交-交变频器驱动的电传动系统的控制装置速度控制、磁通控制、转矩、无功、磁场电流控制、磁通运算、座标变换等部分构成。这些控制运算由微处理（μP）和数字信号处理器（DSP）组成的多CPU系统高速进行。用于可逆轧机的同步电动机要求加大电气过载能力，机械强度也应能承受咬钢时大的冲击转矩。

上述文献的技术方案和方法都不是用转矩自适应控制技术来减弱在大负荷时第二块钢咬入所造成的冲击扭振的。

本发明的目的是在传统的可控硅调速系统的基础上，在不改变正向通道参数的情况下，增加一个特性优化装置，从而将原来单段的斜率不变的系统静特性变成多段的斜率可变的静特性，同时改善了系统的动态特性，实现转矩自适应控制，减少冲击和扭振。

本发明的另一个目的是提供一种由滤波器、比较放大器、综合放大器、减法器和可变限幅器等电子器件和电子线路所组成特性优化装置。

本发明的再一个目的是提供一种通过调整各比较放大器的放大倍数来调整系统各段静特性斜率的方法。

按照本发明，在原有的交-交变频同步电机传动装置的可控硅调速系统基础上，在该系统的转矩绝对值运算器、速度给定和给定积分器之间连接上一个特性优化装置，此特性优化装置由积分滤波器、一组相互并联的比较放大器、综合放大器、减法器和可变限幅器所组成。

按照本发明，积分滤波器将原控制系统的转矩绝对值运算器所给出的电机转矩绝对值进行滤波，然后送至各比较放大器，与这些比较放大器的门槛值进行比较（各个放大器的门槛值依次渐渐增大）。当电机转矩绝对值小于所有比较放大器的门槛值时，比较放大器的输出为零，综合放大器输出也为零，减法器输出为最大值，限幅器的限幅值也为最大值，速度给定值不受限制，系统特性为原有特性。当电机转矩绝对值大于第一个比较放大器的门槛值但小于其它比较放大器的门槛值时，第一个比较放大器输出负值，其数值正比于电机转矩绝对值与第一比较放大器的门槛值之差。此负值经综合放大器ZF送至减法器，并使限幅器的限幅值减小，从而使速度给定值减小。即电动机转速随转矩的增大而以某个斜率下降。

按照本发明，当电机转矩绝对值大于第一、第二个比较放大器的门槛值但小于其它比较放大器的门槛值时，第一、第二比较放大器各输出一个负值，送至综合放大器，综合放大器将两个负值相加后送至减法器再送至可变限幅器，使电动机转速以第二个斜率下降。

依此类推。电动机转矩越大，速度下降量也越大。这样就使系统的静特性变成多段的斜率可变的特性，避免了在大负载时高速咬钢。同时，在系统增设了特性优化装置后，在突然加大负载时，即大负载咬钢时，不仅速度实际值（即调速系统的速度反馈值）下降，而且速度给定值也下降。因此在大负载咬钢的瞬间，速度调节器输出的阶跃值和电动机的电流冲击值就不会太大，从而减少了对轧机和机械设备的冲击和扭振，确保轧机安全生产。

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1为本发明的系统框图。

图2为原来系统的静特性。

图3为采用本发明后的系统静特性。

图4为本发明的实施例系统静特性图。

如图1所示的控制系统中，用虚线圈起部分为本发明新增加部分，其余为原来的系统。

如图1所示，本发明的控制系统为在原有控制系统中增加一个特性优化装置，此特性优化装置由积分滤波器JL，一组相互并联的比较放大器BJ₁、BJ₂……、BJ_n，综合放大器ZF，减法器JF和可变限幅器XF所组成，该积分滤波器JL的输入端和原可控硅调速系统的转矩绝对值运算器JD的输出端相接，积分滤波器JL的输出端分别与n（=1～20）个比较放大器BJ₁、BJ₂……、BJ_n的输入端相接，将电机转矩绝对值分别送到这些比较放大器，这些比较放大器BJ₁、BJ₂……、BJ_n的输入端和综合放大器ZF的输入端相接，而综合放大器ZF的输出端与减法器JF的输入端相接，减法器JF的输出端则和可变限幅器XF的一个输入端相接，可变限幅器的另一个输入端和速度给定相接，其输出和原可控制调速系统的给定积分器GJ的输入端相接。

按照本发明，可以根据需要选择比较放大器BJ的个数，各个比较放大器的门槛值m₁＜m₂……＜m_n和每个比较放大器的放大倍数K_BJ1、K_BJ2……、K_BJn，即可以将系统特性曲线变成任意段的斜率变化的特性。m₁，m₂，……，m_n的取值范围为0～系统最大转矩m_max。各个比较放大器的输出负值U_BJ1、U_BJ2……，U_BJn的范围为0～系统最大速度给定值。

按照本发明，积分滤波器JL将转矩绝对值运算器JD输出的转矩绝对值|M|进行滤波，然后送至各比较放大器BJ₁、BJ₂、BJ₃、……BJ_n，与各比较放大器的门槛值进行比较。当电动机转矩绝对值小于所有比较放大器的门槛值时，比较放大器的输出∑U_BJ为零，综合放大器ZF的输出U_ZF也为零，减法器JF的输出U_JF为最大值，限幅器XF的限幅值也为最大值，速度给定值不受影响，系统特性为原有特性，即如图3所示的第Ⅰ段特性。

当积分滤波器的输出|M|’增加到大于比较放大器BJ₁的门槛值m₁而小于其余门槛值时，比较放大器BJ₁就输出负值U_BJ1到综合放大器ZF，这时比较放大器的输出值即综合放大器ZF的输入值∑U_BJ=U_BJ1（U_BJ2……，U_BJn均为零），综合放大器ZF的输出U_ZF至减法器JF，使其输出U_JF减小，因而使可变限幅器的限幅值减小，从而使速度给定值减少，ng＜ng，电动机转速随转矩的增大而以一定的斜率下降，即图3所示的特性曲线中的第Ⅱ段特性，其斜率为K₂。

当转矩绝对值|M|′大于比较放大器BJ₂的门槛值m₂时，除比较放大器BJ₁继续输出负值U_BJ1之外，比较放大器BJ₂也输出负值U_BJ2，这时综合放大器ZF的输入值∑U_BJ=U_BJ1+U_BJ2（U_BJ3……U_BJn均为零），经综合放大器ZF输出U_ZF至减法器JF，再送至限幅器XF，使电动机转速以K₃（|K₂|＜|K₃|）斜率下降，如图3所示的第Ⅲ段特性。

当电机转矩绝对值大于比较放大器BJ₃的门槛值m₃时，除比较放大器BJ₁、BJ₂输出U_BJ1、U_BJ2负值外，比较放大器BJ₃也输出U_BJ3负值，此时综合放大器ZF的输入就是∑U_BJ=U_BJ1+U_BJ2+U_BJ3，其余比较放大器的输出均为零，电机转速以斜率K₄（|K₂|＜|K₃|＜|K₄|）下降，如图3所示的第Ⅳ段特性。依此类推，可以根据传动系统的速度最大值、转速和最大给定转矩m_max，通过调整特性优化装置中的各个比较放大器的放大倍数K_BJ1、K_BJ2，……K_BJn来调整系统各段静特性的斜率，来满足各种工艺要求。

调速系统在增加特性优化装置后，不仅使系统的静特性得到优化，而且使其动态性能也得到改善。

轧钢机在咬钢之前，电动机处于空载运转状态，其转矩M_D很小。在突加大负载的瞬间（即大负载咬钢时）由于电动机转矩M_D小于负载转矩M_F，根据运动方程式：M_D- M_F= (GD²)/375 ()/() (d_m)/(d_t)

(d_n)/(d_t) 为负值，电动机转速n将很快下降，速度反馈值也将很快下降。但在常规调速系统中，此时的速度给定值ng″-nf，由零突然上升。速度调节器ST是比例积分调节器，其输出量将突然增加很多，使电动机电流产生很大的冲击值。突加负载M_F越大，nf下降得越多，电动机电流冲击值也越大。

在增加了本发明的特性优化装置的调速系统中，在突加大负载时（大负载咬钢时），不仅速度反馈值n₁下降，而且速度给定值ng″也下降，这时速度调节器ST的输入信号△n=ng″-nf由零上升值变小，因此输出增加量也较少，电动机电流冲击值变小。这样就减弱了大负载咬钢时对电动机和机械设备的冲击和由此而引起的轧机轴系扭振。

实施例

将本发明用于某初轧厂交交变频同步电动机主传动系统，该系统的速度最大给定值为9.1V，转速为100rpm，所使用的特性优化装置的比较放大器个数n=2，这两个比较放大器的门槛值分别为m₁=2V，m₂=3.4V。比较放大器的放大倍数调整到K_BJ1=2.1，K_BJ2=2.5。所得到的系统静特性如图4所示。

采用此系统后，初轧机总扭振时间减少55.6%，峰值大于1.5倍额定转矩的扭振次数减少71.4%，消灭了峰值大于2倍额定转矩的扭振，取得了明显的减振效果，不再发生万向联轴器扁头断裂事故，具有显著的经济效益。

Claims

1、一种轧机传动系统的可控硅调速系统特性优化装置，其特征在于此装置由积分滤波器JL，一组相互并联的比较放大器BJ₁、BJ₂、……、BJ_n，综合放大器ZF，减法器JF和可变限幅器XF所组成，该积分滤波器JL的输入端与原可控硅调速系统的转矩绝对值运算器JD的输出端相接，积分滤波器JL的输出端分别与n(=1～20)个比较放大器BJ₁、BJ₂、……、BJ_n的输入端相接，这些比较放大器的输出端和综合放大器ZF的输入端相接，而综合放大器ZF的输出端与减法器JF的输入端相接，减法器JF的输出端与可变限幅器XF的一个输入端相接，可变限幅器的另一个输入端和速度给定相接，其输出端和原可控硅调速系统的给定积分器GJ的输入端相接。

2、根据权利要求1所述的调速系统特性优化装置，其特性在于各个比较放大器的门槛值依次逐渐增大，即m₁＜m₂＜……＜m_n，其取值范围为0～系统最大转矩m_max。

3、根据权利要求1所述的调速系统特性优化装置，其特征在于各个比较放大器的输出负值U_BJ1、U_BJ2、……U_BJn的范围为0～系统最大速度给定值。

4、根据权利要求1的调速系统特性优化装置，其特征在于所述的比较放大器个数n=2。

5、根据权利要求2和4所述的调速系统特性优化装置，其特征在于所述的比较放大器门槛值分别为m₁=2V,m₂=3.4V。

6、一种轧机传动系统的可控硅调速系统的特性优化装置的调整方法，其特征在于根据传动系统的速度最大给定值、转速和最大给定转矩m_max，通过调整特性优化装置中的各个比较放大器的放大倍数K_BJ1、K_BJ2……、K_BJn来调节系统各段静特性的斜率。

7、根据权利要求6的特性优化装置的调整方法，其特征在于当传动系统的速度最大给定值为9.1V，最大转速为100rp/m，特性优化装置采用2个比较放大器BJ₁和BJ₂时，将两个比较放大器的放大倍数调整到K_BJ1=2.1，K_BJ2=2.5。