轧机新型扭振遥测系统及抑振控制研究
随着高强度薄带轧制产量和质量的不断提高,轧机所承受的负荷也随之增加,导致主传动机电系统事故频发,尤其是近年来的连轧机。对于轧机扭振的抑制措施,根据电机电流计算轧机电机的输出转矩信号,很难实现有效的控制。因此,解决这一问题的关键是对主传动系统的转矩信号进行在线监测,并将其引入抑振控制系统。目前,我国已研制出用于轧机扭振在线监测的高频感应电源扭振遥测系统。高频感应电源装置的静态电源环和旋转接收环不仅需要同轴放置,还需要保证7-10mm的间隙。现场安装、校准、调试和维护不方便有许多缺点。因此,轧机扭振在线监测系统的供电是制约其长期在线监测的瓶颈和问题,亟待解决。根据轧机安装环境的特点,研制了一种新型轧机扭振遥测系统。针对轧机扭振遥测系统的特殊应用场景,致力于解决传统轧机扭振遥测系统安装、校准、调试、维护不方便、供电不稳定等问题。将开发的新型轧机扭振遥测系统应用于轧机主传动的抑振控制中,提出了一种基于实测扭矩信号和自抗扰控制的低外部干扰自振抑制措施。本文的主要研究工作是:主要内容如下:(1)现有轧机扭振遥测系统存在的问题。现有轧机扭振遥测系统在运行中存在内外环位置偏移、联轴器结构电磁参数变化、系统谐振点变化、安装、校准、调试和维护不便等问题。针对旋转轴设备应用场景的特殊性,根据轧机扭振遥测系统现场工作环境的特点,提出了一种新型耦合结构的轧机扭振遥测系统。一次侧多绕组线圈的形式拓宽了系统的调谐范围,U型磁芯将一次侧和二次侧线圈之间的磁场结合在一起,增强了线圈之间的磁场分布,改善了线圈耦合效果,一次和二次耦合线圈的垂直放置可以解决传统同轴放置耦合结构的一系列应用问题。通过仿真和实验,验证了新型轧机扭振遥测系统具有较好的稳定性。(2) 旋转轴扭振遥测系统电源研究A.针对无线电能量传输系统在铁磁金属介质影响下电磁参数变化引起的失谐和涡流效应引起的功率损耗,根据电磁学理论,建立了铁磁金属介质影响下轧机扭振遥测系统无线电能量传输的电磁耦合数学模型,推导了系统关键参数的解析表达式,铁磁金属介质对涡流效应和电磁参数的影响机理揭示了无线电能量传输系统。该建模方法不仅能反映系统的电磁耦合特性,还能根据模型对系统进行具体的参数设计和能效优化控制。b、 针对系统变化影响系统传输效率和功率的问题,根据系统电路拓扑,分析了系统的阻抗特性,史密斯圆图设计了阻抗匹配策略,计算了满足阻抗匹配条件的外围电路参数。本文深入分析了轧机扭振遥测系统耦合结构在铁磁金属介质影响下的无线电能量传输特性,揭示了其共振机理和分频现象的产生机理,得出了系统最大效率传输的影响条件,并提出了二次侧电流能准确跟踪传输效率最高点的频率跟踪策略,解决了传统跟踪一次侧电流容易跟踪分裂点,导致系统不能以最大传输效率工作的问题。c、 为了适应轧机扭振遥测系统的应用场景,建立了铁磁金属介质影响下的无线供电系统模型。该系统的三维模型是通过ANSOFT Maxwell和仿真软件建立的。仿真分析了铁磁金属介质对系统传输特性的影响。根据分析结果,提出了抑制涡流的磁屏蔽措施,仿真和实验表明,该措施能显著改善铁磁金属介质中涡流效应的不利影响。实验结果结果表明,磁屏蔽措施可以有效地降低系统的涡流损耗约31%。d、 搭建无线电能量传输实验平台,验证系统设计方案的可行性。新型轧机扭振遥测系统的无线电能量传输方案是针对轧机扭振遥测系统的特殊工作场景而设计的一套无线电能量供给方案。系统设计包括:电磁耦合机构设计、逆变电源设计、整流电路设计、频率跟踪控制电路设计和阻抗匹配电路设计。最后,通过实验验证了系统的有效性。实验结果表明,磁屏蔽措施和控制策略可以使系统在金属介质影响下的整体传输效率提高43%左右。(3) 搭建了扭振遥测系统的信号传输系统。扭振遥测系统监控轧机主传动系统的扭矩信号。它需要以无线信号传输的形式从轧机传动轴传输到地面主控单元。选择WIFI通信,以确保扭矩遥测系统扭矩信号稳定、短距离传输的要求。为了降低系统能耗,本文选择双串口通道实现双信号的无线传输,既保证了两个信号的高效传输,又不受干扰,同时将系统功耗降至最低,从而减轻了无线电源的负担,实现了无线通讯下的信号传输功能。首先,WIFI模块发射机采集二次侧频率跟踪输出信号和传动轴上的转矩电压信号,然后通过WIFI无线通信将其传输至WIFI模块接收机模式由于PLL的输出和应变仪的传输都是模拟信号,需要将结果经过ADC转换处理后发送到MCU,以便通过WIFI串口模块实现信号的无线传输。地面主控单元接收到信号后,恢复扭矩信号,然后通过网络传输到计算机进行采集、显示和分析。(4) 轧机扭振抑制装置的研制将研制的新型轧机扭振遥测系统应用于轧机主传动,提出了一种基于自抗扰控制的振动抑制措施。通过理论研究和对实测轧机扭矩信号的分析,提出热连轧机的振动能量主要由主驱动电机提供,然后将轧机主传动系统的转矩信号引入抑振控制系统,以抑制轧机传动系统的转矩波动,降低振动。通过仿真和试验验证了这些措施的良好效果,大大减轻了轧机的振动,为轧制高质量的薄带钢提供了保证。本研究为轧机扭振遥测系统提供了一种新的无线供电方案,解决了传统轧机扭振遥测系统的安装、校准和拆卸问题,解决了因旋转轴引起的一次和二次线圈位置偏移和失谐问题。将测得的扭矩信号引入轧机主传动系统的减振控制,提高了轧机主传动系统的减振效果,为轧机主传动系统的扭振监测和抑制提供了保证。