1 引言
某热轧厂r1轧机为上下辊可逆轧机，电机功率为2500kw，采用三电平拓扑结构的大容量变频装置驱动，系统单线图如图1所示。自投产以来，该轧机运行基本稳定；但在轧制钢种硬度较高以及大压下量时，多次发生在粗轧机上很少出现的上下辊通过轧制材料形成的联合振动现象，电机电流瞬间剧烈波动到额定电流的320%，导致变频装置过电流跳电，跳电波形如图2所示。通过投入sfc(外扰模型前馈控制)功能，并对速度环的控制响应进行切换控制，即正常速度环的响应频率为30rad/s，在咬钢0.75s后把速度环响应频率切换到15rad/s，抛钢前再切换到30rad/s。通过上述措施后r1电机的速度振荡明显减弱，满足了轧钢要求。
图1 三热轧r1 电气传动单线图
图2 典型跳电波形
2 故障分析
2.1 联合速度振动的原因分析
轧机的主传动系统是由若干个惯性元件与弹性元件组成的“质量弹簧系统”。r1上辊轧机的传动数学模型如图3所示。在稳定加载时，系统不会发生振荡；但在轧制负荷扰动下，“质量弹簧系统”会发生不稳定的周期性的扭振，扭振的频率就是质量弹簧系统的固有扭振频率。如果该固有频率与电气频率相吻合，整个传动系统处于不稳定状态，扭振状态的峰值转矩要比正常值大得多，加剧了扭振对传动轴系各部件的损坏。
图3 r1上辊传动数学模型
图3中： m1 — 电机的驱动力矩；
m2 — 轧辊上的轧制力矩;
j1 — 电机转子的转动惯量；
j2 — 轧辊的转动惯量；
m12 — 连接轴的扭矩。
一般大型轧机主传动系统的固有频率为(10～20)hz。为了避免机电系统的固有频率与电气系统的频率相吻合，要求机电系统的固有频率与电气系统的频率错开(3～5)倍以上。已知该r1上辊轧机的固有扭振频率为21.8hz，下辊轧机固有振荡频率为18.1hz。r1上下辊传动系统的速度环响应角频率ωc为30rad/s，对应的电气频率为30/2π=30/6.28=4.78hz。则f机电固有频率/f电气频率=18.1/4.78=3.78＞3。说明原设计的电气控制频率与单机架轧机的固有振荡频率是基本错开的，不易发生单机架机电系统的共振。
r1是上下辊可逆轧机，系统结构如图4所示。在通常情况下，由于轧制材料温度高、压下量适中，轧制材料动态弹性系数低，能产生一定阻尼力来衰减上下辊的振动。但当轧制材料温度低、硬度高及高压下量时，轧制材料的阻尼力会减少，从而上辊轧机通过轧制材料与下辊轧机连接成一联合振动体。联合体的传动数学模型如图5所示。
根据公式：
通过仿真模型，计算出联合体的固有频率大约在8hz左右。原先电气控制系统设定的速度环响应角频率为30rad/s，对应的电气频率为4.78hz。f联合体固有频率/f电气频率=8/4.78=1.78＜3，从而造成电气系统的频率与联合体的固有频率相接近，造成上下辊联合振动，速度波动大，相应的电机电流波动加剧，超过过电流限幅值，使变频装置跳电。当咬钢0.75s后速度环响应频率切换到切换到15rad/s，则对应的电气频率为2.39hz。f联合体固有频率/f电气频率=8/2.39= 3.57＞3基本躲过了上下辊联合体的固有频率，避免了共振的出现。与此同时，通过投入sfc功能，连接轴产生的扭振幅度与持续时间也缩短，从而明显减小了速度波动，维持了轧制的稳定运行。
图4 上下辊、轧制材料的联合体结构图
图5 上下辊、轧制材料的联合体传动数学模型
转贴于3 故障处理
3.1 对速度环的控制参数的进行切换控制
笔者把该r1上辊电机的设计参数与国内同类热轧r1轧机的参数进行比较，如附表所示。该厂r1上下辊电机的转动惯量小，大约只有国内同类r1轧机的55%，从而整个r1上辊机电总转动惯量也明显减小。这样的优点是减小了电机的体积与制造成本，可以满足更高动态要求。但是当电机的转动惯量减小，即图6中gd2减少，当承受冲击负荷时动态速降增加，对板形及轧机的稳定运行带来一定的影响，甚至会卡钢。