轧制过程中高性能负荷力矩响应的交流电机控制方法研究

发布时间：2020-10-11 12:51

　　 近20年来,轧制工业过程中的电气传动系统已由直流电机控制转向了交流电机控制。特别是大型宽带钢热连轧和冷连轧生产线上,基本都采用了交流电机拖动。原因主要是在于交流电机便于维护,同等功率下体积小、转动惯量小、功率利用率高的优点。对于大型宽带钢连轧生产线,交流电机控制基本是三种类型。其一是轧机主传动设计同步电动机拖动,目的是利用同步电动机工作在过励磁的状态下,使电动机处于容型负载性质,有利于工厂的无功补偿,控制方法基本上是采用空间矢量控制;其二是对于中等功率状态下的拖动系统,例如立辊轧机、卷取机、飞剪等设备的传动控制,目的是利用交流异步电机转动惯量小,便于启动和快速的负荷响应,控制方法基本上是采用磁场定向、电流解耦的矢量控制;其三是对于功率小、电机多的辅助传动系统,例如传输辊道设备的拖动,基本上是采用公共直流母线的变频控制系统。轧制过程中拖动系统具有一种显而易见的共性特点,就是负荷频繁突变,例如主轧机咬钢和抛钢、飞剪的剪切动作、卷取机的咬钢上卷等。由于此特点,也为交流电机应用于轧制过程拖动控制带来了伴随性的缺点。即动态速降不可避免,无论采取何种控制手段,速度的动态调整精度必将受限,而对于连续轧机机组,速度的匹配及动态响应性能要求很高,此项缺点必须要予以解决。由理论分析可知交流电机控制系统属于典型的非线性控制系统,使用经典的控制理论应用于速度、张力(力矩)控制时,动态响应性能也会受到限制,不能与直流电机控制系统相媲美。为了利用交流电机拖动系统的优点,克服它自身带来的不足,本文主要研究电气传动系统的外补偿控制方法,达到大型宽带钢连轧机各主要拖动设备控制性能要求,主要创新点及工作如下。提出且设计了一种软测量负荷观测器,从速度给定上给出外补偿控制,在无负荷直接检测装置的前提下,解决了动态速降问题,提高动态速度补偿的精度。由于轧制负荷的突变,虽然有轧制压力的直接检测仪表,而机械和电磁感应原理带来的滞后响应必然存在,会造成外补偿方法达不到预期效果。本文所设计的负荷观测器是基于交流电机自身的电磁力矩突变观测组成,而电机的电磁力矩的变化不仅在于负荷突变时出现,在正常的加减速调整时也会出现,又由于加减速造成的电磁力矩变化是不能由轧制力检测获得,二者之间也无直接的线性关系,故设计软测量负荷观测器,从众多的电磁力矩变化因素中,无滞后地准确获得轧制负荷突变信息,从而给出准确的外补偿控制量。提出且设计了一种卷取张力补偿控制器,在无张力传感器直接检测的前提下,实现了被控对象参数时变时自适应的张力跟踪控制,提高了卷取张力控制精度和自适应性。原因是在轧制过程中,卷取机张力控制精度十分重要,关系到钢卷的卷型、板形质量以及生产的顺行等问题。卷取机在咬钢上卷后,卷径将由小变大连续变化,在不同规格宽度下,转动惯量将产生明显的时变,致使张力控制对象模型时变,此时若采用经典的固定参数线性调节器控制,不能达到全局的张力动态最优化控制,高性能张力响应精度会因此受到限制。本文设计了基于多模型切换自适应控制进行分段补偿;基于自抗扰控制原理的卷取张力跟踪器以及外补偿控制,利用自抗扰理论自身的跟踪性能、扩张状态观测器弱化对象模型参数需求的特点,提高了控制器的自适应性。提出一种无源控制与气隙磁场定向控制相结合的电励磁同步电动机控制策略,提高了调速系统控制品质和减少了功率变换器的容量。首先针对由于负荷突变的电枢反应使电励磁同步电动机磁场定向矢量控制动态过程中,转矩和磁链不能解耦,调速系统的动态品质下降以及定子电压升高、感性功率角变大致使逆变器的电压、容量增加的问题,采取气隙磁场定向与不追求实时解耦的无源控制解决。其次是弱化交流电机模型非线性控制的复杂性,采取定子励磁电流、转矩电流、转子激磁电流混合调整克服由于轧制负荷频繁突变时,功角震荡和不稳定的问题,提出了无源性控制与气隙磁场定向的组合设计方法,从理论上证明了控制器的稳定性,稳定裕度与机械阻尼、定子电阻的关系。无源性控制的优点是直接利用电机能量关系,保留电机的非线性结构,抵消无功力简化控制器设计,实现系统的全局稳定性,无奇异点问题。文中对于所提出的方法均给出了详细的理论描述和分析,进行了仿真研究和结果分析,并给出了有关高性能交流电机控制方法的综述、分析、归纳与总结。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG335
【部分图文】：

）忽略磁路饱和影响；）忽略铁芯损失；??）不考虑温度和频率对绕组电阻的变化影响；??）交流异步电动机均视为绕线式电机，定转子每相匝电机内部电磁关系、依据磁动势等效、功率不变的原交流异步电动机在三相静止ＡＢＣ坐标系、两相静止Ｄ转ＭＴ坐标系中的电动机数学模型，三相交流异步电基本物理模型如图３－１、图３－２、图３－３所示，图中定成轴线圈，ＷＡ、Ｗｂ、ｗａ、Ｍｂ、Ｗｅ为分别为定转子相、／。为分别为定转子相电流，电压电流方向为相电压、电流为正时，产生的磁动势矢量与绕组轴线一致。《Ｄ、、／ｑ分别为定转子三相绕组在地区坐标系中等效轴线／Ｍ、／Ｔ、Ｗｍ、Ｗｔ、／ｍ、／ｔ分别为定转子三相绕组在两相等效轴线圈电压、电流。??Ｉｍｊ??

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【参考文献】

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本文编号：2836615