负载之弹性和间隙对调速系统的影响及对策.doc

负载Z弹性和间隙对调速系统的影响及对策弹性和间隙 弹性振荡 抑制方法 工程实例1引言通常在分析和设计调速系统时，都不考虑机械传动轴的弹性，也不计及机械传动链中间隙的 影响，认为它们是刚体，称这样的负载为刚性负载，这条件在大多数情况下成立若机械轴细长, 它的弹性影响不能忽略，则该负载为弹性负载弹性负载和机械间隙会带来轴扭振，影响运行平 稳件，甚至损坏机械调速系统必须采収措施來抑制扭振，这是调速传动的重耍课题z—有些 机械传动机构本身是刚体，但负载转矩的人小与电动机转角增量成比例，它也属丁弹性负载，也 会产生扭振，同样需要抑制笔者在调速领域多年的工作中曾遇到三类弹性负载，木文介绍它们产生扭振的机理及抑制方 法这三类弹性负载是：多质量传动系统、有弹性和间隙机械联系的多电机传动系统和弹性张力 系统1) 多质量传动系统电动机通过机械轴驱动负载机械机械轴都有弹性，需要扭转才能传输转矩，转矩与扭转角 成比例通常机械轴短粗，扭转角很小，轴两端的瞬时转速和转角相同，可以把电动机转子和机 械转动部分看成一个整体，则称这类负载为刚性负载，这类传动系统为单质量系统如果机械轴 细长，扭转角大，轴两端的I瞬时转速和转角不同，不能把电动机转子和机械转动部分看成一个整 体，则称这类负载为弹性负载，这类传动系统为多质量系统。

若只冇一个弹性轴联接电动机和负 载，则为两质量系统；若有两个弹性轴联接电动机和负载，例如一•个轴联接电动机和齿轮机座, 另一个联接齿轮机座和负载机械，则为三质量系统多质量系统的典型实例是大型轧钢机主传动, 驱动电动机位丁•电气室内，轧机机架和轧辘位于电气室外，通过i根长轴來传递转矩多质量系 统本身有一个或多个谐振点——临界转速，如果这谐振点与调速系统的频率特性配合不好，就会 使整个调速系统产生共振——扭振，严重时会损坏机械，共至扭断轴，这样的重大事故在轧钢厂 曾多次发生2) 有弹性和间隙机械联系的多电机传动系统在传动系统中常遇到多台电动机通过机械轴联在一起，共同驳动负载情况，称之为多电机传 动如果几台电动机彼此相距较远，联接轴细长，传递转矩所需扭转角大，轴两端的瞬时转速和 转角不同，称这样的机械联系为弹性联系，它也存在机械谐振点为保证电动机Z间的负载平衡, 在多电机传动的调速控制系统中都设有负荷均衡环节如果负荷均衡环节设计不当，会出现电动 机负载虽平衡但机械轴却在扭I川振荡的悄况，损害机械机械轴需通过联轴器与电动机和联，带 来机械间隙，它也会使电动机的瞬时转速和转角不同，导致扭振特别是在机械联轴位于减速机 后的低速轴时(这情况很普遍)，折算到电机轴后联轴器与齿轮的间隙被放大，影响更严重。

有些 机械，例如宽跨距起重机械的行走机构，它的每个轮子由一台电动机驱动，电动机Z间并无机械 联轴，但它们Z间的转速和转角通过轮子与轨道Z间的摩擦和起巫机的机械结构相互约束，也属 有弹性和间隙机械联系的多电机传动，也存在扭振问题3) 弹性张力系统在带(线)材加丁生产线中都有张力机械，它们的任务是通过收放材料来建立张力，绷紧带(线) 材，使生产能平稳、连续进行图1为卷取机示意图，电动机驱动卷筒绷紧带材电动机的转矩 T全部用来建立张力FT,转速n是从属变星，取决丁•从主机來的带材线速度V和卷径D,主机 与卷取机通过张力被联接在一•起，这也是一种机械联系如果带材不能被拉伸，例如金属带，对 应于一定的V和D,转速n便被确定，称这样的机械联系为刚性张力联系如果带材有一定弹性，可以被拉仲，例如塑料带，对应于一定的V和D,转速n在被确定的值附近还有变化空间, n增大一点，带材便被拉长一些，张力与拉伸长度（转角增量）成比例，称这样的机械联系为弹性 张力联系如果卷取机与主机相距较远，在它们之间的带材下垂，即使带材不能拉伸，卷取机转 速n也有变化空间，n增人一点，带材的下垂虽减小一些，张力加人，张力与转角增量近似成比 例，也是弹性张力联系。

若带材较厚H硬，这时电动机的转矩除了川來产生怅力外，还有很人一 部分用來克服带材的弹性弯曲力矩，电动机转快一点，带材卷紧一点，弯曲力矩加人，电动机转 慢一点，带材乂弹冋去，卷乂松开，这部分转矩也与转角增量近似成比例，这类负载也可看作弹 性张力负载2多质量传动系统电动机转子M和负载机械（例如轧机的轧馄和轧件）R经弹性轴S连在一起，构成一个两質暈 传动系统，示意图绘于图2图中T1和el是电机M的转矩和角速度，T2和cd2是负载R的转 矩和角速度,J1和J2分别是电机转子和轧辘的惯量，0和K是轴扭转角利弹性系数图1卷取机示意图eJ' 7f. S k 3Y J*M , c ， R图2两质量系统示意图Aa)=dOdt式⑴中：TL是轧制负载转矩，认为它是常数，dTL/dt =0o 由式⑴推导出从电动机转矩到角速度的传递函数GL⑸为G(山_ 恥)_ 1+(4/加 ]L 一丽忑如⑴小⑵式(2)中CJ=J1/(J1+J2)是J1在(J1+J2)中占的比例 若轴S是短粗的刚性轴，弹性系数K=O0,贝IJ：⑶这时的GL(s)是在分析调速系统时常用的表达式，它是一个积分环节，积分时间常数为(J1+J2), 其对数幅频特性M@)是斜率为-20db/dec的立线,并在ocL=l/(Jl+J2)处穿越Odb线，相频特性①⑹) 为-90。

的直线若轴S是细长的弹性轴，它的GL/s)式(2)基本上是同样的积分环节，但M(w)和F(w)特性在两处 冇突变：在 附近，M(co)突降至-codb,它不影响稳定；%二丁幻匚厶在 (wu>wd)附近，M(co)突升至+8db,它对稳定有影响，称o)u为轴系固有振荡角频率，也称谐振角频率或临界角速度上述分析基于轴系质量都集中在M和R两处的理想情况，实际上轴系质量不完全集中，而是沿 轴线分布，另外中间还有接手等质量，所以实际的M((o)和F(s)与理想结呆略有区别，在cod和 (DU处的M(co)值不是-codb和+codb,而是有限值，此外在比cdu更高频率处述有几个幅值较小的 谐振频率，rh于它们频率高、幅值小，一燉不会给系统带來冇害影响某轴系实际的M(e)和F((d) 图绘于图3图3实际轴系的M(co)和①@)釆川相对值计算后，转速调节环椎图示于图4(a),图中ASR是转速调节器，ATL是转矩环(在 直流调速系统中是电枢电流环，在交流调速系统中是矢量控制系统的转矩电流环或直接转矩控制 系统的转矩僻・何•控制环)，GL(s)是从电机转矩到角速度的传递函数式(2), BSF是陷波滤波器 (band-stop filter)o经ASR的PI调节器校正后，无BSF时的转速环开环对数幅频特性示于图4(b)。

从此图中看到，在轴系固有振荡频率处开环对数幅频特性值突然升高，若该值人T Odb,转 速环就可能出现振荡,产生轴扭振轴弹性系数K越小,3U越低,系统动态响应越快,转速环 开环对数幅频特性穿越频率(DC越高，这两个因索都使(DU和(DC越接近，在COU处的幅频值越高, 越容易产生轴扭振b)对数幅频特性(无BSF)图4转速环框图和对数幅频特性在转速反馈通道中引入陷波滤波器BSF是抑制扭振的冇效措施BSF是选频滤波环节，它阻I匕 某个预先选定频率(陷波频率)的信号通过，而对其它频率信号的通过无影响陷波滤波器BSF 框图示于图5(a),它的对数频率特性示丁图5(b),在设定的陷波频率处其幅频值突然下降，而在 其它频率处幅频俏=1把BSF的陷波频率选在轴系固有振荡频率o)u处，能减小转速环开环对数 幅频特性在am处的幅值，使之小于()db,从『U抑制振荡，另一方面它不影响该幅频特性其它频 率段，不降低穿越频率sc值，不影响系统快速性图5中：Ta和Tb——积分器时间常数；V—比例系数；w和z——可调系数(调节范围0〜1)…• • f ♦• • •・• •newt •・♦ ▼• •• ••• • ♦ 0 ♦ •1一・.・• •• •• • a •■ ■• •• • > •■ ♦MOMi云"f■ MB ・* • •FW ■ ■• ••:・>• •• •■ ■• ••■A• ■• • • • • ■ • •• • lag • a■ • • t I • •■ • • • 1 •■ • ■ ■ ■ •■・ ■ ■ f(b)频率特性图5 BSF框图和频率特性由框图5(a)可以推导出BSF的频率特件列动=殳=忙呼0)+丿叱 (1 + 吹n (w—($£)+丿叱(1 +讷町由该频率特性知：⑴若z=l,则F(co)=l, nf=n , BSF不起滤波作用，相当于无BSF环节，转速n直接反馈到ASR； ⑵满足o-TaTbco2=0条件的频率是陷波频率cof陷波频率值用町调系数w设定；⑶在w=wf时F((d)=z, nf=zn, (0 > |w+j3Vp(l+w)Ta|吋,F(w)=l, nf =n, BSF 不 起滤波作用；(5) 比例系数Vp越小，式(4)分子和分母二次多项式中一次项的系数Vp(l+w)Ta越小，陷波频带 宽度越窄。

调试时，令调速系统加减速，记录转炬或转炬电流波形，若发现波形上叠加有固定频率的脉动, 则农明存在扭振测量脉动频率，把BSF的陷波频率设定为该脉动频率值(调w),通过调正系数 z改变陷波频率衰减程度及通过调Vp改变陷波频带宽度，使脉动幅值降到最小以某7000RW同步电动机轧机主传动系统为例：没有陷波滤波器前，转速实际值波动约为1%, 转矩电流波动7.5%；加入陷波滤波器后，转速的波动减小到0.35%,转矩电流波动减小到1% 陷波滤波器BSF除了插入在转速反馈通道中外，还可插入在转速调节器ASR和转矩环ATL Z 间，效果一样对于2个以上质量系统，危险的轴系固有振荡频率不止一个，可以在调速系统中 设置几个BSF,每个BSF抑制一个振荡频率3有弹性和间隙机械联系的多电机传动系统有弹性和间隙机械联系的多电机传动系统的典型实例是多电机提升传动，两电机传动示意图 绘于图6两台电动机通过减速机减速后分别驱动两个吊钩，共同提升一个重物，为保持两吊钩 在提升过程中位置平衡，两套传动机构通过一根细长的机械轴联在一起，它既有弹性又有间隙图6冇机械轴的两电机传动示意图这类传动的控制要求是在平稳提升过程中保持两台电动机负载均衡。

在很多设计参考资料中 都建议釆用通过转炬环(在玄流调速系统中是电枢电流环，在交流调速系统中是矢量控制系统的 转矩电流环或直接转矩控制系统的转矩砰•砰控制环)的主从控制系统(TLBS),示于图7,主系 统是由转速环ASR和转矩环ATL1构成的双环系统，由它控制整个传动系统的转速，从系统跟 随主系统运行，它的控制任务是负载均衡，无转速环，只冇转矩环ATL2,转矩给定来白主系统 转速调节器输出T1*,山于两个转矩环的转矩给定相同，从而保证两电机的实际转矩相等现有 设备大多采用该方案，运行结杲表明该系统具有良好的静态和动态负荷均衡能力，但其中许多存 在轴扭振、机械噪声大、运行不够平稳情况由•图7 TLBS系统框图3」TLBS系统产生扭振的原因在分析中把整个转矩环看成一个时间常数为s的小惯性环节，山于s远小于扭振周期，可以 近似认为扭振时转炬实际值无滞后的跟随其给。