一种机械转动惯量的电气参数测量方法

摘要

本发明公开了一种机械转动惯量的电气参数测量方法，主要包括：电机的单机调试；基于单机调试的结果，进行包含加减速斜率dn/dt的确定、机械量与电量的标幺计算、电机的带设备转矩测量、转矩曲线分析和多次带设备转矩测量的数学计算的处理，完成机械转动惯量的电气参数测量。本发明所述机械转动惯量的电气参数测量方法，可以克服现有技术中适用范围小、计算过程复杂和可靠性低等缺陷，以实现适用范围大、计算过程简单和可靠性高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金领域中的电气自动化控制部分，具体地，涉及一种机械转动惯量 的电气参数测量方法。

背景技术

在冶金行业中的连轧机、平整机、拉矫机、重卷机、横切机、酸洗机、镀锌线、 镀锡线、光亮退火线、彩涂线等的生产机组中，各机组通过速度匹配使得带钢表面保 持一定的张力。为保持各机架间钢带的张力保持稳定，需要对变速过程中的张力变化 予以控制和补偿。

目前采取的方法有直接张力闭环补偿和前馈的动态转矩补偿两种方法。

直接张力闭环补偿的方法是采集张力控制点的张力反馈信号，与张力给定进行比 较后经PID运算作为非基准机架的速度偏差补偿信号，通过非基准机架的速度调节使 带钢张力恢复到设定值。这种方法的缺陷是：时序上带钢张力波动先产生，然后再通 过调节进行校正。由于控制上的时间滞后，对于高速、张力要求高的生产设备，已经 发生的较大张力波动将造成带钢跑偏，严重时将迫使机组停机。这种方法仅应用在设 计线速度较低、变速过程缓慢的生产场合。

为使变速过程的转矩补偿与张力波动同步，目前较通用的方法是在检测出速度给 定变化时，按照速度给定变化的矢量方向，给出对应的附加转矩设定，以抵消加减速 过程需要的机械转矩，从而使带钢表面张力保持稳定。这种方法的缺点是加速和减速 补偿转矩依赖于机械转动惯量的计算和电机控制转矩的计算。当计算出现偏差时，将 无法对张力控制过程的分析过程进行可靠分析，较大的偏差所带来的张力波动，将影 响加工过程的带钢表面质量，严重时带钢跑偏停机。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在适用范围小、计算过程 复杂和可靠性低等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种机械转动惯量的电气参数测量方法， 以实现适用范围大、计算过程简单和可靠性高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种机械转动惯量的电气参数测量 方法，主要包括：

a、电机的单机调试；

b、基于单机调试的结果，进行包含加减速斜率dn/dt的确定、机械量与电量的标 幺换算、电机的带设备转矩测量、转矩曲线分析和多次带设备转矩测量的数学计算的 处理，完成机械转动惯量的电气参数测量。

进一步地，所述步骤a，具体包括：

单机调试的要求是在电机没有任何负载的情况下，其速度闭环阶跃响应在速度输 出不饱和的情况下，调节时间小于500ms，超调量小于2％额定值，整个速度段无振 荡。

进一步地，在步骤b中，所述加减速斜率dn/dt的确定的操作，具体包括：

每个机组的设计加速时间和减速时间是固定的，也就是说每台电机机的dn/dt将 预先规定；

由于调试需要和工艺需要调整加减速时间，需要按比例计算dn/dt的数值。

进一步地，在步骤b中，所述机械量与电量的标幺换算的操作，具体包括：

机械量的转动惯量与电机的输出转矩关系如下：

$M=\frac{{\mathrm{GD}}^2}{9.55}\times \frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}};$

$M=\frac{{\mathrm{GD}}^2}{9}·55\times \frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}};$

其中，M＝加速或减速的电机输出转矩，单位Nm；GD²＝机械设备的转动惯量， 单位kgm²；单位dn/dt是固定的(通常全 线加减速时间为10-15s)；GD²为机械系统的固有转动惯量；加速或减速转矩M为固 定值，该数值能够通过电气传动装置读出标幺的百分比数值。

进一步地，在步骤b中，所述电机的带设备转矩测量的操作，具体包括：

当电机进入爬行速度后，电气传动的升降速斜率按照设备设计的dn/dt斜率进行 升速和降速斜坡设定，按该斜率给出速度给定，测量并记录电气传动输出转矩的变化；

测量需要注意的是不要使转矩输出饱和，饱和输出的转矩不能代表变速时的转 矩；机械设备设计正常且dn/dt设置恰当时，是不会出现转矩输出饱和的。

进一步地，在步骤b中，所述转矩曲线分析的操作，具体包括：

记录的曲线中含有加速或减速过程的转矩，还有克服包含机械摩擦的负载转矩和 搅油风阻的转矩；

在曲线分析中应将高速稳定时的电磁转矩作为摩擦、搅油、风阻转矩进行变速转 矩的抵消，抵消时需考虑加速过程和降速过程的区别，其作用力方向与设备运行方向 相反；

抵消后的加速或降速阶段的电气转矩就是在该变速斜率下所需的动态补偿转矩。

进一步地，在步骤b中，所述多次带设备转矩测量的数学计算的操作，具体包括：

为使得动态补偿转矩测量值更加具有统计上的科学性，需要采取多次测量后的均 方根计算；

计算后的数值作为张力控制的加减速阶段动态转矩补偿。

本发明各实施例的机械转动惯量的电气参数测量方法，由于主要包括：电机的单 机调试；基于单机调试的结果，进行包含加减速斜率dn/dt的确定、机械量与电量的 标幺换算、电机的带设备转矩测量、转矩曲线分析和多次带设备转矩测量的数学计算 的处理，完成机械转动惯量的电气参数测量；可以采用固定加速斜率和固定减速斜率， 测量在生产控制过程中所需要的加速和减速补偿转矩，使机械数据与电气数据相对 应，使多机架配合运行过程中的调速控制得以超前补偿；从而可以克服现有技术中适 用范围小、计算过程复杂和可靠性低的缺陷，以实现适用范围大、计算过程简单和可 靠性高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实 施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明机械转动惯量的电气参数测量方法中机械转动惯量的电气参数测量 升速曲线示意图；

图2为本发明机械转动惯量的电气参数测量方法中机械转动惯量的电气参数测量 降速曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实 施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1和图2所示，提供了一种机械转动惯量的电气参数测 量方法。

本发明的技术方案，采用固定加速斜率和固定减速斜率，测量在生产控制过程中 所需要的加速和减速补偿转矩，使机械数据与电气数据相对应，使多机架配合运行过 程中的调速控制得以超前补偿。本发明的技术方案，在如多机架连轧机组中的张力控 制中起到动态变速过程张力保持稳定的重要作用。

本发明的技术方案，包括以下步骤：

⑴电机的单机调试：单机调试的要求是在电机没有任何负载的情况下，其速度闭 环阶跃响应在速度输出不饱和的情况下，调节时间小于500ms，超调量小于2％额定 值，整个速度段无振荡。这个要求对于当前的电气传动控制来说是较容易就能够实现 的。单机调试的可靠性将保障后期测量的准确性。

⑵加减速斜率dn/dt的确定：每个机组的设计加速时间和减速时间是固定的，也 就是说每台电机机的dn/dt将预先规定。如由于调试需要和工艺需要调整加减速时间， 可按比例计算dn/dt的数值。

⑶机械量与电量的标幺换算：

机械量的转动惯量与电机的输出转矩关系如下：

$M=\frac{{\mathrm{GD}}^2}{9.55}\times \frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}};$

$M=\frac{{\mathrm{GD}}^2}{9}·55\times \frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}};$

其中，M＝加速或减速的电机输出转矩，单位Nm；GD²＝机械设备的转动惯量， 单位kgm²；单位dn/dt是固定的(通常全 线加减速时间为10-15s)；GD²为机械系统的固有转动惯量；加速或减速转矩M为固 定值，该数值能够通过电气传动装置读出标幺的百分比数值。

⑷电机的带设备转矩测量：当电机进入爬行速度后，电气传动的升降速斜率按照 设备设计的dn/dt斜率进行升速和降速斜坡设定，按该斜率给出速度给定，测量并记 录电气传动输出转矩的变化。这个步骤的测量需要注意的是不要使转矩输出饱和，饱 和输出的转矩不能代表变速时的转矩。机械设备设计正常且dn/dt设置恰当时，是不 会出现转矩输出饱和的。

⑸转矩曲线分析：记录的曲线中含有加速或减速过程的转矩，还有克服机械摩擦 的负载转矩和搅油风阻等转矩。在曲线分析中应将高速稳定时的电磁转矩作为摩擦、 搅油、风阻转矩进行变速转矩的抵消，抵消时需考虑加速过程和降速过程的区别，其 作用力方向与设备运行方向相反。抵消后的加速或降速阶段的电气转矩就是在该变速 斜率下所需的动态补偿转矩。

⑹多次带设备转矩测量的数学计算：为使得动态补偿转矩测量值更加具有统计上 的科学性，可采取多次测量后的均方根计算。计算后的数值作为张力控制的加减速阶 段动态转矩补偿。

例如，参见图1和图2，本发明的技术方案，具体可以包括以下步骤：

⑴按机组设计升速斜率(如10s)设定电气传动加速斜坡时间。

⑵启动电机并设定电气传动按照爬行速度(如5％)运转电机。

⑶斜坡前的速度设定值从例如的5％突加到20％，记录转矩变化曲线。

⑷对如图1的加速转矩变化曲线进行分析：

①为速度曲线从爬行速度按设定斜率到达设定速度的过程。

②为升速阶段测量得出的电气传动标幺百分比转矩值；

③可视为摩擦、绞油、风阻等的阻力转矩；

将②减去③得到的就是加速转矩值④。

⑸减速补偿测量，升到高速后按减速速率突加给定到低速，如图2所示，对减速 转矩变化曲线进行分析：

为速度曲线从较高速度按设定斜率到达设定爬行速度的过程。

②为升速阶段测量得出的电气传动标幺百分比值；

③可视为摩擦、绞油、风阻等的阻力转矩；

将③加上②得到的就是加速转矩值④。

⑹经多次测量，对图1和图2中的④进行均方根计算，得出加减速所需要的补偿 转矩值。

⑺当dn/dt变化时，将转矩动态补偿值乘以dn/dt的变化系数，便可直接用于控制 计算。

本发明的技术方案，可以将机械转动惯量所需的加速转矩与电机输出电气转矩相 对应，使机械量与控制电量统一标幺换算；使得前馈动态转矩补偿的补偿转矩更加具 有实测的依据，使控制更准确，分析过程更加清晰；从而减小变速过程的张力波动， 提高带钢的表面质量，避免张力波动造成的带钢跑偏。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依 然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等 同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。