劉洪軍，黃志剛，劉 珧 ，李 健
(寶山鋼鐵股份有限公司，上 海 201999)
摘要：某熱軋廠粗軋R 1 上、下根主電動機(jī)均為直流電動機(jī)，采用直流模擬調(diào)速裝置。由于長期運(yùn)行后模擬控制系統(tǒng)的零漂增大，以及可控硅性能的劣化，R 1 粗軋機(jī)電氣傳動系統(tǒng)故障頻發(fā)。于 2 0 1 5年 對 R 1 粗軋機(jī)電氣傳動系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字化改造，直流電動機(jī)、電樞整流變壓器及勵磁整流變壓器利舊，對電樞整流器、勵磁整流器及控制系統(tǒng)進(jìn)行了更新，采用西門子6R A 8 0 數(shù)字直流調(diào)速裝置，并采用西門子S I M O T I O N D 4 5 5控制器，完成直流電動機(jī)本體及輔助回路的控制。并結(jié)合一典型故障案例介紹了大容量直流傳動系統(tǒng)的故障原因分析、處理方法及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。
關(guān)鍵詞：電樞；勵磁；控制邏輯；6R A 8 0& 斷路器
l 系統(tǒng)簡介
某熱軋廠于1990年投產(chǎn)，粗 軋 R 1 上、下輥主電動機(jī)均為直流電動機(jī)，額定功率為 2 850 k W 。上、下輥電樞整流器由 1 臺三線圈整流器變壓器集中供電；電樞整流器采用5 組可控硅正反組整流橋并聯(lián)來擴(kuò)容 ;采用西門子S I M A D Y N _ C 模擬控制系統(tǒng)，由 1 臺西門子S5-115 P L C 負(fù)責(zé)傳動輔助控制。由于電氣傳動系統(tǒng)已運(yùn)行2 5 年，模擬電路長期運(yùn)行后零漂增大，可控硅性能劣化，R 1 上、下輥電氣傳動系統(tǒng)故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響了企業(yè)物流平衡。
2 改造后電氣傳動系統(tǒng)
該熱軋廠于 2 0 1 5年 對 R 1 電氣傳動系統(tǒng)進(jìn)行了改造，除電動機(jī)及整流變壓器留用外，其余的都進(jìn)行了改造，改造后系統(tǒng)控制框圖如圖1所示， 主回路如圖2 所示。
改造后控制系統(tǒng)采用西門子 S I M O T I O N D 455，直流調(diào)速裝置采用西門子Simmies 6R A 8 0， S I M O T I O N是西門子全新運(yùn)動控制系統(tǒng)，將運(yùn)動 控制、邏輯控制及工藝控制功能集成于一身，為生 產(chǎn)機(jī)械提供了完整的解決方案。6R A 8 0 是西門子新一代的數(shù)字化直流調(diào)速器，它比上一代產(chǎn)品在功能及可靠性方面有了很大提高，6R A 8 0 特點(diǎn)有：
(1) 主回路結(jié)構(gòu)緊湊，防護(hù)等級提高。
(2) 具有豐富通訊接口 ，配置有 Profibus、 Profinet 通訊接口。
(3 ) 具有豐富故障自診斷功能，用 S t a t e t調(diào)試 ，如配置M M C 卡 ，控制參數(shù)及D C C 程序存儲在 M M C 中，備件更換時不需要再下載參數(shù)。
(4 )支 持 D C C 功能，不需要額外增加工藝板。D C C 有強(qiáng)大的面向各種工藝需求的指令庫，各種邏輯控制和工藝控制均可用D C C 功能實(shí)現(xiàn)，功能強(qiáng)悍。
2 . 1 改造后R 1 電氣傳動系統(tǒng)配置與接口
(1 ) R 1 上、下輥每臺直流調(diào)速系統(tǒng)各采用1 臺西門子S I M O T I O N D 4 5 5控制器，分別負(fù)責(zé)上、 下輥直流電動機(jī)的速度控制、E M F 控制、邏輯控制及相關(guān)保護(hù)等功能 。其 中 ，① R 1 下輥 S I M O T I O N D 4 5 5控 制 器 的 D P 1 口與基礎(chǔ)自動化B A 通訊，接受來自B A 的控制指令，并 向 B A 發(fā)送控制系統(tǒng)狀態(tài)信息;② D P 2 口與電樞 6R A 80、勵磁 6R A 80及遠(yuǎn)程 I/O 的通訊；③以太網(wǎng)接口X 1 2 7與粗軋傳動工程師站通訊，可在線調(diào)試與監(jiān)控 ；④ X 150_2#P r〇finet 接口與 R 1 上輥 D 455 的X 150_3#Profinet 接口相連，實(shí) 現(xiàn) R 1 上下輥負(fù)荷平衡控制；⑤ D X 150_3#P r〇finet接口與粗軋P D A通訊，可實(shí)現(xiàn)在線跟蹤與記錄；⑥ D R I V E -C L I Q _X 100接口與T M 1 5及 S M C 3 0 相連，把編碼器、快開 H S C B 等 信 號 傳 送 給 D 445;⑦ D R I V E -C L I Q _X 1 0 1與 T M 3 1 相連，把直流電動機(jī)電樞電流、電壓等信號傳送給 '445,并輸出高壓開關(guān)跳閘指令等。
(2) 每臺直流電動機(jī)的電樞繞組由 4 臺6R A 8 0裝置并聯(lián)控制，每臺 6R A 8 0 進(jìn)線側(cè)各配置短路阻抗為4X 的交流電抗器及1 臺斷路器。把4 臺 6R A 8 0 中 1 臺設(shè)定為主裝置，其余3臺設(shè)定為從裝置，主、從裝置采用并行接口 X 165/X 166進(jìn)行通訊。正常運(yùn)行時，D 4 4 5控制器把相關(guān)控制字、電樞電流給定及反電勢給定同時發(fā)送給4 臺6R A 8 0 ,由主 6R A 8 0 負(fù)責(zé)電流閉環(huán)控制，并把可控硅移相脈沖通過并行接口傳送給所有從裝置，實(shí)現(xiàn)主、從裝置同時觸發(fā)。
(3) 勵磁繞組由 1 臺額定直流電流為400A的 6RA80控制 ，配置1個 TM15模塊 。勵磁6R A80 進(jìn)線側(cè)也配置 1 臺斷路器，在勵磁 6R A 80交、直流回路配置過電壓保護(hù)。勵 磁 6RA80 接受D445發(fā)送的控制字與勵磁電流給定，勵磁 6RA80 工作在電流控制方式下。
(4 ) 每臺直流電動機(jī)配置 1 臺 快 開 HSCB ，負(fù)責(zé)電樞繞組的短路保護(hù);通過分流器檢測電樞總電流，通過直流電壓互感器檢測電樞電壓;采用帶超速保護(hù)的增量式編碼器，一路通過S MC30 接口去D445,另一路通過脈沖放大器隔離放大后去 BA 。
(5) 在系統(tǒng)保護(hù)方面，進(jìn)線高壓開關(guān)、整流變壓器、整流器、直流電動機(jī)本體、電動機(jī)輔助回路的保護(hù)比較完善，具體如表 1 所示。
(6) R 1 直流傳動系統(tǒng)起停控制設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)6RA80有所不同，對起?？刂朴忻鞔_要求，起動順序是：① 起動 AUX ，確認(rèn)輔助回路運(yùn)行無異常; ②發(fā)電樞整流變壓器 35kV 高壓開關(guān)HVA 合閘指令，確認(rèn)HVA 合閘到位(勵磁6 kV 高壓開關(guān)近控操作，新系統(tǒng)不參與控制）；③發(fā)勵磁整流器低壓進(jìn)線斷路器合閘指令，確認(rèn)斷路器合閘到位; ④發(fā)電樞合閘指令，確認(rèn)每個電樞 6RA80 進(jìn)線斷路器及快開HSCB 合閘。當(dāng)所有開關(guān)都合閘到位且無異常時，勵 磁 6RA80 開始工作，電動機(jī)勵磁繞組有電流流過 ;⑤接受BA 的 enable指令與速度給定，直流電動機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。
停機(jī)順序與起動順序相反 :① ba 發(fā)出停止指令，速度給定為零，直流電動機(jī)速度降下來，確認(rèn)速度給定與速度反饋均為零;②發(fā)電樞分閘指令 ，確認(rèn)電樞6RA80 進(jìn)線斷路器分閘，快開HSCB不分閘；③發(fā)勵磁進(jìn)線斷路器分閘指令，確認(rèn)斷路器分閘;④發(fā)電樞整流變壓器 35k V 高壓開關(guān)HVA 分閘指令，確 認(rèn) HVA 分閘；⑤ 發(fā) AUX 輔助回路OFF 指令，確認(rèn)輔助回路停止運(yùn)行。
2.2改造后電氣傳動系統(tǒng)的特點(diǎn)與功能
(1 ) 監(jiān)控與調(diào)試方便。
無論 D 4 4 5還是 6R A 8 0 均配置有豐富通訊接口，D 4 4 5配 置 兩 路 Profibus通訊接口、兩個工業(yè)以太網(wǎng)接口以及3 個 Profinet接口，6R A 8 0 配 置 1 路 Profibus 通訊接口、1 路 Peer to peer 接口、1 路R S 32接口 ，通過配置 1 塊 C B E 2 0卡可擴(kuò)展Profinet通訊。通 過 P D A 對系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)控，方便故障分析與處理;通過傳動工程師站可以遠(yuǎn)程對粗軋主傳動系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試及監(jiān)控。
( 2 ) 上、下輥負(fù)荷平衡控制。
R 1 上、下輥乳機(jī)負(fù)荷平衡控制功能在R 1 下輥 D 4 4 5控制器中完成，如 圖 3 所示。上輥實(shí)際轉(zhuǎn)矩通過Profinet通 訊傳送給R 1 下輥，R 1 上輥實(shí)際轉(zhuǎn)矩減去下輥實(shí)際轉(zhuǎn)矩得到轉(zhuǎn)矩偏差值，先經(jīng) 過 100 m s 濾波，通過負(fù)荷平衡P I 調(diào)節(jié)器后輸出附加速度給定，附加速度給定的限幅為電動機(jī)額定速度的 ± 1 0 % 。當(dāng) P 調(diào)節(jié)器輸出為正時，表明上輥電動機(jī)轉(zhuǎn)矩大;此時下輥電動機(jī)速度給定不變，上輥電動機(jī)速度給定要減去附加速度給定，相應(yīng)降低了上輥電動機(jī)總速度給定，上輥電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也下降，實(shí)現(xiàn)與下輥電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的平衡。當(dāng) b 調(diào)節(jié)器輸出為負(fù)時，表明下輥電動機(jī)轉(zhuǎn)矩大;此時上輥電動機(jī)速度給定不變，下輥電動機(jī)速度給定要加上附加速度給定，從而降低了下輥電動機(jī)總速度給定，相應(yīng)下輥電動機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，實(shí)現(xiàn)與上輥電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的平衡。
(3) 負(fù)荷觀測器功能。
在常規(guī)速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，速度環(huán)時間常數(shù)比電流環(huán)大一個數(shù)量級。在突加負(fù)荷時，電動機(jī)電流實(shí)際值迅速增加，由于電流內(nèi)環(huán)負(fù)反饋的阻滯效應(yīng)，電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不能迅速提高，需要通過速度環(huán)提高電流給定來提升電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，故動作遲緩。根據(jù)現(xiàn)代控制理論，可通過負(fù)荷觀測器[1]來模仿擾動負(fù)載力矩，疊加在速度調(diào)節(jié)器的輸出，作為總力矩給定，從而可降低乳機(jī)咬鋼或拋鋼后的沖擊速降，縮短速度恢復(fù)時間。負(fù)荷觀測器控制原理如圖4 所示。
( 4 )電樞4 臺6RA80裝置采用2+2冗余配置方式。
電樞回路4 臺 6RA80裝置采用2+2冗余配置方式，任意 1 臺或2臺無論主裝置或從裝置故障，該系統(tǒng)自動切除故障裝置，自動調(diào)整總電流限給定，乳機(jī)可無停機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)以上功能 ，主、從 6RA80裝置的參數(shù)設(shè)定如表2 所示。
3 典型故障案例
自2 015年改造以來，R1直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，只是在 2017年8月發(fā)生一起R 1 上輥直流電動機(jī)的勵磁繞組匝間短路的故障。
3.1 故障簡述
20 1 7年 8 月 2 9 日，某熱軋廠R 1 粗軋機(jī)在凌晨 2 點(diǎn) 5 1 分跳電，上輥直流電動機(jī)勵磁整流器報(F60004”（電網(wǎng)電壓異常）、“F60010”（電樞電流不平穩(wěn)$故障，復(fù)位后故障消除，重 新 對 R 1 送電后恢復(fù)生產(chǎn);凌晨3 點(diǎn) 0 1 分、5 點(diǎn) 4 0 分又發(fā)生了兩次故障，且 3 點(diǎn) 0 1 分的故障造成同一 35 k V 母線上其他軋機(jī)和S V C 同時欠電壓跳電。
技術(shù)人員對R 1 上輥電動機(jī)運(yùn)行波形進(jìn)行檢查 ，發(fā)現(xiàn)故障前上輥直流電動機(jī)勵磁繞組電流波動很大，而且持續(xù)了幾個小時，圖 5 是第一次跳電前 R 1 上輥電動機(jī)運(yùn)行的波形。對 R 1 上輥電動機(jī)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)勵磁繞組受熱變形，有嚴(yán)重焦糊味，且 有 2 個分支繞組有匝間短路與接地現(xiàn)象。幸好剛改造下線的R 2 直流電動機(jī)的勵磁繞組與R 1 上輥電動機(jī)的一致，對故障勵磁繞組進(jìn)行更換與試驗(yàn)后，恢復(fù)正常運(yùn)行。
3 .2 故障原因
本次故障的直接原因是由于R 1 直流電動機(jī)已運(yùn)行 2 5 年 ，現(xiàn)場環(huán)境惡劣，以及粗軋機(jī)沖擊負(fù)荷大，長期運(yùn)行造成勵磁繞組匝間絕緣下降。由于改造后系統(tǒng)沒有配置勵磁繞組接地保護(hù)與溫度保護(hù)，不能及時對直流電動機(jī)勵磁繞組進(jìn)行保護(hù)。隨著勵磁繞組匝間短路的出現(xiàn)，勵磁電流波動大，勵磁裝置多次報勵磁過電流故障，但操作人員在故障復(fù)位后仍繼續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致故障進(jìn)一步擴(kuò)大。
3.3故障分析
2 0 1 7年 8 月 2 9 日凌晨3 點(diǎn) 0 1 分 ，R 1 軋機(jī)咬鋼沖擊電樞電流約為11 000 A ，此時電樞整流變壓器三線圈變壓器工作在1 2脈動狀態(tài)，35 k V 側(cè)5 次、7 次諧波含量很低，5 次、7 次諧波電壓分別約為 1.8 1 % 、0. 8 2 % & 當(dāng) R 1 上輥直流電動機(jī)勵磁繞組匝間短路擴(kuò)大時，勵磁電流急劇波動，勵磁整流器報故障，
R 1 上輥直流電動機(jī)電樞整流器停機(jī) ，同時 D 445發(fā)跳電樞整流器進(jìn)線高壓開關(guān)H V A 的信號。因 H V A 跳閘信號傳遞及高壓開關(guān)動作大約需要60 m s ，此時 R 1下輥電樞整流器仍然在工作，而 R 1 上輥電樞整流器已停止工作，電樞整流變壓器實(shí)際工作在6 脈動方式。即35 k V 側(cè)諧波電壓顯著增加 ，5 次諧波電壓約為10. 9 7 % ，7次諧波電壓約為 4. 8 % 。與此同時，由于 35 k V 高壓開關(guān)帶載分?jǐn)嗾髯儔浩鬟@樣大的感性負(fù)載，產(chǎn)生關(guān)斷過電壓。在這兩個因素的影響下，
R 1 整流變壓 器 35 k V 側(cè)發(fā)生相間閃絡(luò)放電，導(dǎo)致同母線其他軋機(jī)和S V C 裝置因 35 k V 電壓跌落而欠電壓跳電。
3 . 4 故障經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)
( 1 ) 對于運(yùn)行近 3 0 年的直流主電動機(jī)，需完善大電動機(jī)的保護(hù)功能，增設(shè)直流電動機(jī)勵磁繞組的接地檢測與溫度保護(hù)功能。
( 2 ) 完善大電動機(jī)故障復(fù)位管理規(guī)定，對于主傳動系統(tǒng)的重故障，允許生產(chǎn)方或運(yùn)保復(fù)位1 ~2 次 ，否則需要呼叫點(diǎn)檢進(jìn)行系統(tǒng)檢查，并確認(rèn)無異常后方可再次送電。
4 結(jié)論
本文介紹了某大型直流電動機(jī)電氣傳動系統(tǒng)數(shù)字化改造方案與系統(tǒng)配置，重點(diǎn)介紹了改造后電氣傳動系統(tǒng)的配置、特點(diǎn)與功能，并結(jié)合典型故障案例介紹了故障原因分析、故障處理方法及故障啟示。希望能夠?qū)︻愃齐姎鈧鲃酉到y(tǒng)數(shù)字化改造方案的選型、控制功能的優(yōu)化、故障處理與維護(hù)提供一'定的借鑒意乂。
參考文獻(xiàn)
[ 1 ] 趙弘，李擎 ,李華德.負(fù)荷觀測器在軋機(jī)扭振抑制中的應(yīng)用[J ].大電機(jī)技術(shù)，2006(2):29 31.