Zusammenfassung: Das Mittelblechwalzwerk der Jinan Iron & Steel Co., Ltd. installierte 2005 ein neues Vierwalzen-Vorwalzwerk. Die elektrische Hauptantriebssteuerung basiert auf dem volldigitalen System SIMADYN D. Nach der Inbetriebnahme traten im Produktionsprozess Probleme wie mangelnde Stabilität, große Stromdifferenzen zwischen Ober- und Unterwalzen während des Walzenstichs sowie laute Vibrationen und Geräusche des Unterwalzenmotors auf. Dieser Artikel analysiert die starken Vibrationen und Geräusche des Motors und schlägt entsprechende Lösungsansätze vor, die für den Umgang mit ähnlichen Situationen in der Zukunft von großer Bedeutung sind. Schlüsselwörter: Motorvibrationen; elektrische Steuerung; volldigitales System; Lastverteilung 1 Einleitung Das Mittelblechwalzwerk der Jinan Iron & Steel Co., Ltd. (im Folgenden: Mittelblechwalzwerk Jinan Iron & Steel) installierte 2005 ein neues Vierwalzen-Vorwalzwerk. Die elektrische Steuerung basiert auf dem volldigitalen System Siemens SIMADYN D. Nach der Inbetriebnahme traten jedoch folgende Probleme auf: (1) Mangelhafte Systemstabilität. (2) Das System kann die Lastverteilung mitunter nicht gewährleisten, was zu einer großen Stromdifferenz zwischen den Motoren der oberen und unteren Walze führt. (3) Der Motor der unteren Walze ist periodisch laut, insbesondere während des Walzvorgangs. Um diese Probleme zu beheben, wurde die Ursache durch eine Schwingungsanalyse des Motorgehäuses und die Analyse des vom PDA während des Walzprozesses aufgezeichneten Spannungsverlaufs ermittelt. Dadurch wurde das Problem gelöst, die Motorschwingungsgeräusche beseitigt und ein stabiler Systembetrieb sichergestellt. 2. Systemskürzung Der Hauptantriebsmotor der Vierwalzenanlage ist ein AC-Synchronmotor, der von einem AC/AC-Frequenzumrichter angetrieben wird. Die Steuerung erfolgt über das volldigitale Vektorregelungssystem SIEMENS SIMADYN D. 2.1 Hauptschaltplan des AC/AC-Frequenzumrichters 2.1.1 Stromversorgungssystem Die Primärseite des Hauptgleichrichtertransformators des Motors wird mit 35 kV, die Primärseite des Erregertransformators mit 6 kV versorgt. Der Stator-Hauptstromkreis wird über einen 35-kV-Hochspannungsschalter versorgt, der jeden Motor einzeln mit Strom versorgt. Gleichzeitig sind die Hauptgleichrichtertransformatoren, die die oberen und unteren Walzenmotoren versorgen, versetzt geschaltet, um Oberschwingungen im Netzteil zu reduzieren. Der Erregerkreis wird von einem sekundärseitigen Doppeltransformator gespeist, der beide Motoren versorgt. Das Einliniendiagramm des Netzteilsystems ist in der Abbildung dargestellt. Der Niederspannungs-Steuerkreis des Motors wird mit 35 kV über einen 25-kVA-Synchrontransformator versorgt. 2.1.2 Übersicht über die Hauptstromkreisstruktur: Der AC/AC-Umrichter besteht aus drei reversiblen Dreiphasen-Brückenumrichtern mit natürlicher Netzkommutierung und ohne Ausgleichsstrom, die den Phasen A, B und C des Synchronmotorstators entsprechen. Jede Phase ist zu einer Dreiphasen-Brückenschaltung verbunden. Der Dreiphasen-AC/AC-Umrichter arbeitet in logikfreier Dreiphasen-Neutralpunktkonfiguration und wird von einem sekundärseitigen Dreifach-Gleichrichtertransformator gespeist. Die Gleichrichtertransformatoren der einzelnen Motoren sind versetzt angeordnet, um Oberschwingungen höherer Ordnung im Netzteil zu reduzieren. Die Ausgangsklemmen sind in Sternschaltung ausgeführt, und die Statorwicklungen der Motoren sind dreiphasig sternförmig geschaltet. Der Sternpunkt des Motors und der Sternpunkt des Wechselrichters sind unabhängig. Das Schaltbild des Hauptstromkreises ist in der Abbildung dargestellt. Die Vorteile dieser Schaltung sind: Die AC-Vorspannungstechnik kann eingesetzt werden, wodurch die Sekundärspannung des Gleichrichtertransformators reduziert, der Sicherheitsfaktor der Thyristorspannung erhöht, die Wechselrichterleistung verringert und Oberschwingungen dritter Ordnung im Motor eliminiert werden. 2.2 Beschreibung der SIMADYN D-Hardwarekonfiguration: Im Hauptantriebssystem des Vierwalzen-Vorwalzwerks im Mittelblechwerk von Jinan Iron and Steel ist jeder Synchronmotor der Ober- und Unterwalzen mit einem SIMADYN D-Steuerungssystem ausgestattet, das die jeweiligen Motorsteuerungs-, Schutz- und Fehlerdiagnoseaufgaben übernimmt. Die Hardware des SIMADYN D-Steuerungssystems besteht aus doppelhohen, nach europäischem Standard gefertigten, hoch störungsresistenten und fehlertoleranten Steckplatinen. Die Platinen sind funktional in Allzweck-Prozessorplatinen, Spezialprozessorplatinen, Speicherplatinen, digitale Ein-/Ausgabeplatinen und analoge Ein-/Ausgabeplatinen unterteilt und können je nach Aufgabenanforderungen beliebig konfiguriert werden. Externe Schaltsignale werden über Ein-/Ausgabemodule angeschlossen. Diese Standard-Schnittstellenmodule gewährleisten elektrische Trennung, Signalanpassung und -wandlung. Peripheriegeräte für Betriebsüberwachung und Wartung werden über Bus- oder serielle Schnittstellen angeschlossen. SIMADYN D bietet zudem verschiedene Kommunikationsmethoden zur Datenübertragung mit anderen Geräten und Systemen, darunter die Kommunikation zwischen Steuergerät und Host-Rechner, die Kommunikation zwischen Steuergeräten sowie die Datenübertragung mit dem untergeordneten Rechner. Die Hardwarekonfiguration des SIMADYN D-Systems ist im beigefügten Diagramm dargestellt. 2.3 Beschreibung der SIMADYN D-Steuerungssystemsoftware: In diesem Projekt arbeiten die vier Prozessormodule von SIMADYN D zusammen, um die Vektortransformationsberechnung des AC/AC-Frequenzumrichter-Synchronmotors zu realisieren. Das System empfängt die vom fotoelektrischen Encoder zurückgemeldeten Geschwindigkeits- und Positionssignale, führt die Geschwindigkeitsregelung und Prozessberechnungen im PM6-Modul durch und berechnet die Vektortransformationssteuerung in einem weiteren PM6-Modul. Anschließend werden die Sollwerte für den dreiphasigen Statorstrom und die Rotoranregung ermittelt und den Modulen EP22 und PM6+ITDC zugeführt. Das EP22 berechnet die Anpassung des dreiphasigen Stroms, das PM6+ITDC die Anpassung des Rotoranregungsstroms. Zusätzlich werden Triggerimpulse an den Thyristor-Leistungsschrank ausgegeben, der den Synchronmotor steuert. 3 Analyse und Lösung des Vibrationsproblems des unteren Walzenmotors im Vierwalzenwalzwerk von Jinan Iron and Steel 3.1 Phänomen: Nach der Inbetriebnahme des Vierwalzenwalzwerks im Mittelblechwerk von Jinan Iron and Steel traten eine unzureichende Systemstabilität und eine große Stromdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Walzenmotor auf. Der untere Walzenmotor vibrierte beim Durchlauf des Stahls lautstark. 3.2 Analyse: Die Motorvibrationen können durch interne mechanische Probleme des Motors oder durch elektromagnetische Störungen aufgrund von Eingangsstrom und -spannung verursacht werden. Daher muss zunächst die Ursache der Vibrationen ermittelt werden. Die Wellenform des Vibrationsgeräuschs des Motorgehäuses wurde wie folgt gemessen: Die Frequenz des Motorgeräuschs wurde bei verschiedenen Drehzahlen gemessen, wobei die Frequenz des unteren Walzenmotors im Wesentlichen bei 50 Hz lag. Die kombinierte Spannungswellenform der oberen und unteren Walzenmotoren während des Stahlwalzens wurde mit einem PDA aufgezeichnet: Die Wellenformanalyse mit den beiden oben genannten Softwareprogrammen ergab, dass die Spannungswellenform des unteren Walzenmotors oszilliert. Die Periodendauer beträgt ca. 0,02 s (X2-X1), also 50 Hz. Daher wird zunächst angenommen, dass die Motorvibrationen durch die Versorgungsspannung des unteren Walzenmotors verursacht werden. 3.3 Um festzustellen, ob die Motorschwingung durch die Versorgungsspannung verursacht wird, wurden folgende Messungen und Analysen durchgeführt: (1) Die Rückkopplungsspannung des unteren Walzenmotors wurde direkt an der dreiphasigen Schnittstelle ABC SE20.2 mit einem Oszilloskop gemessen. Es wurde festgestellt, dass die Spannungsschwingung in der obigen Abbildung durch die Rückkopplungsschwingung der Phase B verursacht wird und die Spannungsverläufe der Phasen A und C normal sind. (2) Die Spannungsverläufe an jedem Thyristor wurden direkt mit einem Oszilloskop über einen 1:10-Transformator gemessen (die Spannungsverläufe an allen 12 Thyristoren konnten paarweise an den Nullstromanschlüssen L1, L2, L3, L+ und L- ermittelt werden). Aus den Verläufen ging hervor, dass die Spannungen an L+ und L2 der unteren Walzenphase B abnormal waren, d. h. die dritte Röhre (V13) der positiven Gruppe oder die sechste Röhre (V26) der negativen Gruppe leitete nicht. (3) Der Thyristorschaden wurde durch den Austausch der Thyristoren behoben. (4) Die Stromversorgung wurde abgeschaltet, der Impuls eingeschaltet und überprüft, ob der Triggerimpuls an den Thyristoren anlag. Nach der Überprüfung aller Komponenten wurde festgestellt, dass am Impulsverstärker der Röhre V26 kein Triggerimpuls anlag. Nach eingehender Untersuchung wurde schließlich festgestellt, dass der entsprechende Pin von V26 an der Harding-Buchse von X1 auf der Impulsverteilerplatine der unteren Rollen-B-Phasen-Stromschiene locker war und der Triggerimpuls daher den Impulsverstärker von V26 nicht erreichte. Folglich konnte V26 nicht getriggert werden, was dazu führte, dass ein Brückenzweig nicht in jedem Stromzyklus (50 Hz, 0,02 s) leitete, was periodische Pulsationen in der Spannungswellenform der B-Phase verursachte. (5) Nach dem Austausch des Harding-Steckers des Impulstriggerkabels von SD zum freien Anschluss X2 der Impulsverteilerplatine wurden die Triggerimpulse aller Siliziumbauteile erneut gemessen; sie waren nun alle vorhanden. Nach dem Wiedereinschalten wurde die Maschine gedreht und die Spannungsverläufe der B-Phase sowie der Gesamtspannung gemessen. Alle Werte waren normal, die oberen und unteren Walzen liefen gleichmäßig. Das Motorgeräusch war beseitigt. Das Problem war behoben. (6) Der normale Spannungsverlauf ist unten dargestellt: 4. Fazit: Durch die Optimierung des Programms des elektrischen Steuerungssystems und die Bearbeitung jeder Schnittstelle konnte das Motorschwingungsgeräusch beseitigt und die Systemstabilität verbessert werden, wodurch die Lastverteilungsregelung realisiert wurde. Dies ermöglichte einen stabilen Betrieb des Walzwerks und eine schnelle Erreichung der Produktionskapazität und -effizienz. Durch die Analyse und Behebung des Schwingungsgeräuschs des unteren Walzenmotors des Vierwalzen-Vorwalzwerks der Jinan Iron and Steel Group haben wir erste Erfahrungen im Umgang mit Schwingungen von Hochleistungs-Wechselstrommotoren gesammelt, die für die Bewältigung ähnlicher Situationen in der Zukunft von großer Bedeutung sind.