★大冶特殊钢有限公司樊平江

关键词：直流电气传动；能效优化；运行稳定性；数字化控制；负载平衡

钢铁生产中直流电气传动系统的能效及运行稳定性直接影响着生产效率及产品质量。钢厂生产线上的轧机与传输等关键设备普遍采用直流传动系统，传统的模拟控制技术已难以满足现代化生产需求。以初轧机为例，其直流电气传动系统在长期运行中面临能效低下与稳定性不足等问题，需通过采用新一代数字化控制技术进行系统改造，以提升设备运行效率及稳定性。

1　系统结构设计与分析

针对直流电气传动系统的结构设计，该方案采用分层分布式架构，以SL150数字控制系统为核心，构建完整的控制体系^[1]。如图1所示，主回路系统采用双机并联供电方案，配置9700kVA主变压器，并采用2×4850kVA结构设计，四台可控硅整流器并联运行，保证大功率输出能力。系统基于光纤以太网实现数据交互，最小控制周期达2ms，满足快速响应需求。驱动系统集成电机驱动与测速反馈及制动控制功能，采用2850kW直流电机，通过高精度编码器实现转速精确测量。系统在电源与驱动及控制各环节采用均流技术、光电隔离与抗干扰等多重保护措施，形成了一套完整的数字化直流传动解决方案。

图1直流电气传动系统主回路结构图

2　能效优化控制策略

2.1　直流调速系统优化

直流调速系统采用6RA80数字化调速装置，通过DCC功能的可编程特性设计高精度控制算法。调速系统设计中引入基于状态观测器的转速控制策略，通过建立电机状态空间模型，实现对转子速度及电磁转矩的实时估计^[2]。电机状态空间模型可表示为式（1）：

式中：x为状态变量；u为控制输入；w为干扰；v为测量噪声；A、B、C和G为系统矩阵。控制系统基于状态反馈设计最优控制律，通过调节电枢电压及励磁电流，使电机工作点始终保持在最佳效率区域。转速控制器采用串级PI结构，内环为电流环，外环为速度环，各环节的控制参数通过极点配置法优化设计。

2.2　负载平衡控制算法

负载平衡控制采用基于转矩观测器的主从协调控制策略，转矩观测器通过测量电机电枢电流及励磁电流，结合电机数学模型实时计算实际转矩值。负载观测器基于现代控制理论设计，构建扰动力矩的数学模型如式（2）所示：

式中：T_d为扰动转矩；J为转动惯量；B为粘性摩擦系数；ω为转速；TL为负载转矩。通过对扰动转矩的精确估计及补偿，设计快速响应的转矩控制回路。负载平衡算法采用主从式控制结构，主机负责速度控制，从机根据转矩偏差信号动态调整输出转矩，实现电机组的转矩均衡^[3]。同时引入前馈补偿机制，提高系统对负载突变的响应能力。

2.3　制动能量回收设计

制动能量回收系统采用基于能量流优化的控制策略，设计双向功率变换电路。能量回收电路采用四象限运行的IGBT功率模块，通过PWM控制技术实现能量的双向流动，直流母线电压控制设计超前-滞后复合控制结构。电压外环采用超前补偿提高系统动态响应速度，电流内环采用自适应滞环控制方法实现电流快速跟踪。两个控制环节的时间尺度配置比为10:1，确保母线电压的动态稳定性。系统集成基于功率预测的能量管理算法，通过建立制动功率预测模型，提前计算制动能量大小，实现对能量流向的精确控制。在电能质量控制方面，设计具有阻尼优化功能的LCL型滤波器。滤波器通过合理配置三个储能元件的参数，实现对高频开关谐波的有效抑制。同时通过引入有源阻尼控制策略，避免滤波器的谐振问题，保证回馈电流的高质量。

3　运行稳定性提升方案

3.1　动态响应特性优化

动态响应特性优化采用预测控制与补偿控制相结合的方法。控制系统基于直流电机的动态数学模型，构建预测优化控制器，预测控制器在滚动时域内求解最优控制序列。预测模型表示为式（3）：

式中：x(k)为状态向量；u(k)为控制向量；d(k)为外部扰动；A、B、C和D为系统矩阵。控制器通过在线求解滚动优化问题，预测系统未来状态并生成最优控制序列。设计中采用递推形式的解算方法，降低计算复杂度^[4]。补偿控制部分引入基于广义积分的补偿器结构，对系统的非线性特性进行补偿，提升控制精度。

3.2　负载扰动抑制技术

负载扰动抑制技术采用复合型抗扰控制器设计方案。控制器结构包含非线性状态观测器及非线性反馈控制律两部分。状态观测器采用扩张状态观测器结构，将系统未建模动态及外部扰动作为扩张状态进行实时估计。观测器动态方程设计为式（4）：

式中：z₁、z₂和z₃为观测器状态；β₁、β₂和β₃为观测器增益；fal(·)为非线性函数。状态观测器设计中采用参数自适应机制，通过在线辨识算法实时估计系统参数变化，观测器增益动态调整策略基于李雅普诺夫稳定性理论设计。扰动补偿控制采用非线性组合的反馈控制律，引入基于双曲正切函数的平滑饱及控制，实现对观测扰动的快速补偿。系统通过设计高增益非线性观测器及动态补偿器的优化配合，构建对负载扰动的多层次抑制机制。

3.3　电流波动控制策略

电流波动控制策略采用基于内模原理的多重复合控制方法。控制器设计中将电流波动建模为具有固定周期特性的扰动信号，通过构建内模补偿器实现对周期性波动的精确跟踪与抑制。控制器结构中引入基于Q滤波器的延迟补偿环节，通过调节Q滤波器的截止频率及相位特性，优化系统的动态响应性能^[5]。重复控制器采用前馈-反馈解耦结构，前馈通道基于零相位滤波技术实现对扰动信号的超前补偿，反馈通道采用自适应增益调节策略，根据电流波动幅值动态调整控制参数。系统的双闭环控制结构中，内环电流控制采用死区补偿型PI调节器，外环限流控制引入基于饱及度观测的自适应调节机制，通过动态调整控制参数实现电流的精确跟踪与波动抑制。

4　系统实验与性能评估

4.1　实验平台搭建

在钢厂生产现场构建的实验平台采用层次化架构设计。核心控制层搭建基于西门子SIMOTIOND455控制器与SL150数字化系统的综合控制平台，并配置多组直流调速装置与测试设备。控制系统采用光纤网络进行数据传输，实现控制信号的高速可靠传递。数据采集系统包含电流、电压与转速等多路信号测量装置，采用16位高精度数据采集卡，采样频率可达50kHz。动态测试部分配置高性能功率分析仪，用于系统能耗与电能质量分析。测速系统采用2048线增量式编码器，通过光电隔离模块实现信号隔离与抗干扰处理。负载模拟系统采用可编程负载装置，能够模拟各种工况下的负载特性变化。

4.2　能效提升效果验证

直流电气传动系统在不同运行工况下进行了能效测试，测试工况涵盖空载与部分负载及满负载运行状态，运行时间持续24小时，采集系统运行数据形成测试数据表。

表1系统能效测试数据

系统能效测试数据如表1所示，显示在各个运行工况下的综合技术指标。改造后的传动系统在空载及轻载工况下表现出明显的节能优势，低载荷运行时的能效提升尤为显著。通过采用先进的控制策略及能量管理方案，系统在各种负载条件下均实现较高的运行效率，电能质量指标也得到显著改善。

4.3　运行稳定性评估

运行稳定性测试在多种典型工况下进行，包括稳态运行与动态响应及负载扰动等工况的测试数据。

表2运行稳定性测试数据

系统稳定性测试结果如表2所示，展现出直流电气传动系统在动态响应性能及稳态运行指标方面的全面提升。改进后的控制系统在负载波动与速度调节及位置控制等方面均表现出优异的特性，尤其在负载突变工况下，系统的抗扰动能力及快速恢复性能得到显著增强。

5　结语

通过对钢厂初轧机直流电气传动系统的技术改造实践，成功实现了系统能效及运行稳定性的显著提升。采用SL150数字系统的改造方案，结合优化的控制策略及负载平衡算法，可以显著改善设备运行性能。实验结果表明，改造后的系统在动态响应与控制精度及运行稳定性等关键指标上均达到预期目标，对推进钢铁行业直流电气传动系统的技术升级具有重要的参考价值。后续研究将进一步探索系统优化策略，持续提升系统性能。

作者简介：

樊平江（1972-），男，湖北黄石人，工程师，大专，现就职于大冶特殊钢有限公司，研究方向为工业电气自动化。

参考文献：

[1]赵兵.矿用电气传动故障诊断系统研究[J].中国新技术新产品,2024,(11):11-14.

[2]李耀恒,盖江涛,张楠,等.电传动履带车辆电气系统稳定性分析及优化提升策略[J].兵工学报,2024,45(10):3397-3414.

[3]陈祥.攀钢1#板坯连铸机拉矫机电气系统升级改造[J].冶金设备,2021,(S2):51-53+120.

[4]周诗林.出口斯里兰卡内燃动车组电气系统[J].内燃机与配件,2020,(21):79-80.

[5]边军.西门子直流传动整流器的几种拓展应用[J].甘肃冶金,2019,41(1):104-109.

摘自《自动化博览》2025年7月刊