★大冶特殊鋼有限公司樊平江

關鍵詞：直流電氣傳動；能效優化；運行穩定性；數字化控制；負載平衡

鋼鐵生產中直流電氣傳動系統的能效及運行穩定性直接影響著生產效率及產品質量。鋼廠生產線上的軋機與傳輸等關鍵設備普遍采用直流傳動系統，傳統的模擬控制技術已難以滿足現代化生產需求。以初軋機為例，其直流電氣傳動系統在長期運行中面臨能效低下與穩定性不足等問題，需通過采用新一代數字化控制技術進行系統改造，以提升設備運行效率及穩定性。

1　系統結構設計與分析

針對直流電氣傳動系統的結構設計，該方案采用分層分布式架構，以SL150數字控制系統為核心，構建完整的控制體系^[1]。如圖1所示，主回路系統采用雙機并聯供電方案，配置9700kVA主變壓器，并采用2×4850kVA結構設計，四臺可控硅整流器并聯運行，保證大功率輸出能力。系統基于光纖以太網實現數據交互，最小控制周期達2ms，滿足快速響應需求。驅動系統集成電機驅動與測速反饋及制動控制功能，采用2850kW直流電機，通過高精度編碼器實現轉速精確測量。系統在電源與驅動及控制各環節采用均流技術、光電隔離與抗干擾等多重保護措施，形成了一套完整的數字化直流傳動解決方案。

圖1直流電氣傳動系統主回路結構圖

2　能效優化控制策略

2.1　直流調速系統優化

直流調速系統采用6RA80數字化調速裝置，通過DCC功能的可編程特性設計高精度控制算法。調速系統設計中引入基于狀態觀測器的轉速控制策略，通過建立電機狀態空間模型，實現對轉子速度及電磁轉矩的實時估計^[2]。電機狀態空間模型可表示為式（1）：

式中：x為狀態變量；u為控制輸入；w為干擾；v為測量噪聲；A、B、C和G為系統矩陣。控制系統基于狀態反饋設計最優控制律，通過調節電樞電壓及勵磁電流，使電機工作點始終保持在最佳效率區域。轉速控制器采用串級PI結構，內環為電流環，外環為速度環，各環節的控制參數通過極點配置法優化設計。

2.2　負載平衡控制算法

負載平衡控制采用基于轉矩觀測器的主從協調控制策略，轉矩觀測器通過測量電機電樞電流及勵磁電流，結合電機數學模型實時計算實際轉矩值。負載觀測器基于現代控制理論設計，構建擾動力矩的數學模型如式（2）所示：

式中：T_d為擾動轉矩；J為轉動慣量；B為粘性摩擦系數；ω為轉速；TL為負載轉矩。通過對擾動轉矩的精確估計及補償，設計快速響應的轉矩控制回路。負載平衡算法采用主從式控制結構，主機負責速度控制，從機根據轉矩偏差信號動態調整輸出轉矩，實現電機組的轉矩均衡^[3]。同時引入前饋補償機制，提高系統對負載突變的響應能力。

2.3　制動能量回收設計

制動能量回收系統采用基于能量流優化的控制策略，設計雙向功率變換電路。能量回收電路采用四象限運行的IGBT功率模塊，通過PWM控制技術實現能量的雙向流動，直流母線電壓控制設計超前-滯后復合控制結構。電壓外環采用超前補償提高系統動態響應速度，電流內環采用自適應滯環控制方法實現電流快速跟蹤。兩個控制環節的時間尺度配置比為10:1，確保母線電壓的動態穩定性。系統集成基于功率預測的能量管理算法，通過建立制動功率預測模型，提前計算制動能量大小，實現對能量流向的精確控制。在電能質量控制方面，設計具有阻尼優化功能的LCL型濾波器。濾波器通過合理配置三個儲能元件的參數，實現對高頻開關諧波的有效抑制。同時通過引入有源阻尼控制策略，避免濾波器的諧振問題，保證回饋電流的高質量。

3　運行穩定性提升方案

3.1　動態響應特性優化

動態響應特性優化采用預測控制與補償控制相結合的方法。控制系統基于直流電機的動態數學模型，構建預測優化控制器，預測控制器在滾動時域內求解最優控制序列。預測模型表示為式（3）：

式中：x(k)為狀態向量；u(k)為控制向量；d(k)為外部擾動；A、B、C和D為系統矩陣。控制器通過在線求解滾動優化問題，預測系統未來狀態并生成最優控制序列。設計中采用遞推形式的解算方法，降低計算復雜度^[4]。補償控制部分引入基于廣義積分的補償器結構，對系統的非線性特性進行補償，提升控制精度。

3.2　負載擾動抑制技術

負載擾動抑制技術采用復合型抗擾控制器設計方案。控制器結構包含非線性狀態觀測器及非線性反饋控制律兩部分。狀態觀測器采用擴張狀態觀測器結構，將系統未建模動態及外部擾動作為擴張狀態進行實時估計。觀測器動態方程設計為式（4）：

式中：z₁、z₂和z₃為觀測器狀態；β₁、β₂和β₃為觀測器增益；fal(·)為非線性函數。狀態觀測器設計中采用參數自適應機制，通過在線辨識算法實時估計系統參數變化，觀測器增益動態調整策略基于李雅普諾夫穩定性理論設計。擾動補償控制采用非線性組合的反饋控制律，引入基于雙曲正切函數的平滑飽及控制，實現對觀測擾動的快速補償。系統通過設計高增益非線性觀測器及動態補償器的優化配合，構建對負載擾動的多層次抑制機制。

3.3　電流波動控制策略

電流波動控制策略采用基于內模原理的多重復合控制方法。控制器設計中將電流波動建模為具有固定周期特性的擾動信號，通過構建內模補償器實現對周期性波動的精確跟蹤與抑制。控制器結構中引入基于Q濾波器的延遲補償環節，通過調節Q濾波器的截止頻率及相位特性，優化系統的動態響應性能^[5]。重復控制器采用前饋-反饋解耦結構，前饋通道基于零相位濾波技術實現對擾動信號的超前補償，反饋通道采用自適應增益調節策略，根據電流波動幅值動態調整控制參數。系統的雙閉環控制結構中，內環電流控制采用死區補償型PI調節器，外環限流控制引入基于飽及度觀測的自適應調節機制，通過動態調整控制參數實現電流的精確跟蹤與波動抑制。

4　系統實驗與性能評估

4.1　實驗平臺搭建

在鋼廠生產現場構建的實驗平臺采用層次化架構設計。核心控制層搭建基于西門子SIMOTIOND455控制器與SL150數字化系統的綜合控制平臺，并配置多組直流調速裝置與測試設備。控制系統采用光纖網絡進行數據傳輸，實現控制信號的高速可靠傳遞。數據采集系統包含電流、電壓與轉速等多路信號測量裝置，采用16位高精度數據采集卡，采樣頻率可達50kHz。動態測試部分配置高性能功率分析儀，用于系統能耗與電能質量分析。測速系統采用2048線增量式編碼器，通過光電隔離模塊實現信號隔離與抗干擾處理。負載模擬系統采用可編程負載裝置，能夠模擬各種工況下的負載特性變化。

4.2　能效提升效果驗證

直流電氣傳動系統在不同運行工況下進行了能效測試，測試工況涵蓋空載與部分負載及滿負載運行狀態，運行時間持續24小時，采集系統運行數據形成測試數據表。

表1系統能效測試數據

系統能效測試數據如表1所示，顯示在各個運行工況下的綜合技術指標。改造后的傳動系統在空載及輕載工況下表現出明顯的節能優勢，低載荷運行時的能效提升尤為顯著。通過采用先進的控制策略及能量管理方案，系統在各種負載條件下均實現較高的運行效率，電能質量指標也得到顯著改善。

4.3　運行穩定性評估

運行穩定性測試在多種典型工況下進行，包括穩態運行與動態響應及負載擾動等工況的測試數據。

表2運行穩定性測試數據

系統穩定性測試結果如表2所示，展現出直流電氣傳動系統在動態響應性能及穩態運行指標方面的全面提升。改進后的控制系統在負載波動與速度調節及位置控制等方面均表現出優異的特性，尤其在負載突變工況下，系統的抗擾動能力及快速恢復性能得到顯著增強。

5　結語

通過對鋼廠初軋機直流電氣傳動系統的技術改造實踐，成功實現了系統能效及運行穩定性的顯著提升。采用SL150數字系統的改造方案，結合優化的控制策略及負載平衡算法，可以顯著改善設備運行性能。實驗結果表明，改造后的系統在動態響應與控制精度及運行穩定性等關鍵指標上均達到預期目標，對推進鋼鐵行業直流電氣傳動系統的技術升級具有重要的參考價值。后續研究將進一步探索系統優化策略，持續提升系統性能。

作者簡介：

樊平江（1972-），男，湖北黃石人，工程師，大專，現就職于大冶特殊鋼有限公司，研究方向為工業電氣自動化。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2025年7月刊