日鋼1 580mm交－交變頻出現的故障及處理方法

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（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，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。主傳動電機采用6 000kW凸極同步電動機，由三相交－交變頻器供電，全數字多處理器控制系統SIMADYN－D控制，是典型的交－交變頻矢量控制傳動系統。主傳動控制系統結構圖如圖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等組成。轉子（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，這使變壓器二次側繞組相位相差一定的電角度，這樣做可以減少電網的諧波。每個變頻柜是1套三相橋式無環流反并聯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?？刂葡到y由全數字多處理器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、開關接通／斷開連鎖和故障控制等功能。

圖1 主傳動控制系統結構圖Fig.1 Structure diagram of main drive control system

2 R1上下輥系統間負荷平衡

熱軋帶鋼生產線粗軋R1上下輥的2臺電動機，采用2套完全相同的獨立的速度調節系統。每套系統各驅動1臺電動機，當傳動處于空載時，上下輥之間無機械聯系，靠軋機速度設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。當材料正常咬入并進行軋制后，為消除由于下輥轉速略高于上輥而導致的負載轉矩偏差，及消除線速度差對軋制翹頭高度的影響，適時地依據實際負載修正速度設定偏差，控制系統框圖見圖2。其中，負荷平衡調節（見圖2b）中包括負荷平衡調節器、上下輥附加速度設定計算2部分。

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

2.1 負荷平衡調節

分別取上輥及下輥速度調節器的輸出T2及T1，用它們近似地代表軋制轉矩的實際值，取絕對值及計算偏差，當偏差超過閾值時，負荷平衡調節器的輸出產生附加速度設定，修改2個系統的速度給定，平衡2臺電動機轉矩。負荷平衡調節器通常設置為比例積分調節器，但由于負荷平衡調節出現振蕩不能太快，因而引起轉矩波動，影響軋制質量，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 附加設定計算

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

圖3和圖4分別為負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荷平衡未投入之前上下輥定子電流相差較大，負荷平衡投入后消除了上下輥之間定子電流的偏差。

圖3 負荷平衡未優化前的軋機電流Fig.3 Mill current before optimizing the load balance

圖4 負荷平衡優化后的軋機電流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數（最大定子電流為5 463A）；其中，曲線1為上輥主電機定子線電流，曲線2為下輥主電機定子線電流。

3 故障分析及處理措施

3.1 勵磁過電壓

正常軋鋼生產時，當軋機出口速度加速到200m／min時，主傳動跳電操作盤OP2N顯示勵磁直流側電壓過高，即報“勵磁過電壓”故障，電機速度振蕩。根據該故障現象，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。做電機開環試驗，測量主回路三相晶閘管觸發脈沖，沒有發現異常，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，發現軋機未運行，A相已有電壓；測量主回路接口板SE20.2發現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出現問題，更換后故障消除。

對更換下線的霍耳元件LV100進行檢查，發現LV100輸出對正負電源的阻抗相差很大，內部電路出現異常LV100A相電壓不正常，導致檢測回路發生故障，這是造成主傳動跳電的根本原因。

在電機低速啟動（速度在5%以下）時，由于不需要用到三相電壓的反饋值，所以此時電機并沒有跳電。電機轉速介于最大轉速的5%～8%時，電機由電流模型和電壓模型共同進行控制，并逐步轉向電壓模型控制。此時由于電流模型還在起作用，所以電機還沒有失控；但隨著電流模型作用減弱，A相電壓不平衡產生的影響越來越嚴重，電機的振動加劇。當軋機出口速度加速到200 m／min時，主傳動跳電，也就是在矢量控制系統從電流模型控制轉向電壓模型控制以后發生了跳電。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，再經過磁通調節器和PI調節，得到電機轉子勵磁電流Ie變小。當轉子勵磁電流Ie變得足夠小時，轉子側回路近似開路，感應出高電壓，導致“勵磁過電壓”跳電。

3.2 電機定子三相電壓不平衡

正常軋鋼生產時，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，電機速度振蕩。復位后運行，故障依舊。檢查電機、電纜及晶閘管均正常，用示波器檢查晶閘管正反組觸發脈沖也正常。用PDA記錄三相定子電壓和電流曲線，發現R相電流總是在反組晶閘管導通時出現波動振蕩，如圖5所示；因此懷疑可能是反組晶閘管觸發脈沖觸發不好引起的，將反組的脈沖盒全部拆下測量，發現反組2＃晶閘管脈沖盒的電阻很大，加DC 3V觸發電壓后，晶閘管時通時斷，而正常情況下加DC 2V電壓時，晶閘管就能導通。更換反組2＃晶閘管觸發脈沖盒后，傳動系統運行正常，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數（最大定子電流為5 375A）；其中曲線1，2，3分別為電機R，S，T三相定子電壓，曲線4，5，6分別為電機R，S，T三相定子電流。

3.3 電機定子三相電流不平衡

正常軋鋼生產時，主電機突然跳電，分析記錄的電機速度、轉矩電流，發現跳電前電機線電流有20%的波動現象，并且最后因過流跳電。重新合閘采集三相輸出電流，發現T相電流異常，見圖7。

圖7 主電機三相電壓電流波形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數（最大定子電流為5 375A）；其中，曲線1，2，3分別為電機R，S，T三相定子電壓，曲線4，5，6分別為電機R，S，T三相定子電流。

PDA記錄定子繞組三相電流、三相電壓進行監視，發現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相回路或實際電流檢測回路有問題，停機檢查，發現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。經過處理，開機后檢查三相電流平衡，運行正常。如圖8所示。分析認為，T相電流實際值檢測板中整流二極管V16損壞（見圖9），導致系統不能正常檢測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數（最大定子電流為5 375A）；其中，曲線1，2，3分別為電機R，S，T三相定子電壓，曲線4，5，6分別為電機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的關鍵檢測元件，用于系統側測速反饋及轉子定位，其好壞直接關系到傳動系統的性能，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。反映在傳動系統上是飛車、過流、震蕩等。交－交變頻傳動系統中設置有開環方式功能，可以檢查速度反饋回路以及磁通位置角和轉子位置角是否重合。圖10是編碼器一側軸承損壞時的波形。

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速的百分數（最大轉速為470r／min），定子電流實際值為最大定子電流的百分數（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為電機定子線電流實際值。

編碼器軸承損壞故障表現在主電機是速度抖動，并且有異響。PDA記錄速度和電流波形均有波動，如圖10所示。開始懷疑軋機的支撐輥有掉肉的現象，因為最初是電機每轉2圈有一個波動，而支撐輥的周長正好是工作輥的2倍，但經過檢查支撐輥未損傷。對PDA波形認真分析后發現，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了問題，檢查編碼器發現有一側軸承卡堵，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 結論

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

［1］馬小亮.大功率交－交變頻調速系統及矢量控制技術［M］.第3版.北京：機械工業出版社，2003.

［2］李崇堅.交流同步電機調速系統［M］.北京：科學出版社，2006.

［3］天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊［M］.第2版.北京：機械工業出版社，2005.