同步電動(dòng)機(jī)交-交變頻裝置在1700mm熱連軋主傳動(dòng)上的應(yīng)用

1、    同步電動(dòng)機(jī)交-交變頻裝置在1700mm熱連軋主傳動(dòng)上的應(yīng)用1引言本1700mm熱連軋工程是公司“十五”產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要項(xiàng)目，該項(xiàng)目采用了具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鞍鋼asp中薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)工藝，主要生產(chǎn)1.5（1.2）12.7mm×9001500mm的中寬帶鋼，一期工程年產(chǎn)量250萬t，在該項(xiàng)目中采用了多項(xiàng)新工藝、新技術(shù)，其中軋機(jī)的主傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、全交流化是提高設(shè)備傳動(dòng)能力，減少維護(hù)量，提高可靠性的重要措施。經(jīng)過多方考察論證，軋機(jī)主傳動(dòng)部分采用了siemens公司成熟的simadyn-d交-交變1 引言 

2、60;  本1700mm熱連軋工程是公司“十五”產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要項(xiàng)目，該項(xiàng)目采用了具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鞍鋼asp中薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)工藝，主要生產(chǎn)1.5（1.2）12.7mm×9001500mm的中寬帶鋼，一期工程年產(chǎn)量250萬t，在該項(xiàng)目中采用了多項(xiàng)新工藝、新技術(shù)，其中軋機(jī)的主傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、全交流化是提高設(shè)備傳動(dòng)能力，減少維護(hù)量，提高可靠性的重要措施。經(jīng)過多方考察論證，軋機(jī)主傳動(dòng)部分采用了siemens公司成熟的simadyn-d交-交變頻全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)，功率單元由國內(nèi)金自天正智能控制股份有限公司配套，傳動(dòng)的保護(hù)、合/分閘邏輯及面板操作監(jiān)視、通訊、速

3、度配合等公用控制部分采用了siemens公司最新推出的tdc控制器。全線主傳動(dòng)由1架帶有立輥的粗軋機(jī)和6臺(tái)精軋機(jī)組成。主要電機(jī)數(shù)據(jù)如附表所示。2 系統(tǒng)構(gòu)成    由于在同樣的傳動(dòng)功率下，同步電動(dòng)機(jī)因功率因數(shù)高所需配置的傳動(dòng)功率裝置容量比異步電動(dòng)機(jī)減少約15%，且弱磁調(diào)速時(shí)的過載能力也比采用異步電動(dòng)機(jī)高，弱磁特性平滑，適合軋機(jī)類要求過載能力大的沖擊負(fù)荷使用，軋機(jī)主傳動(dòng)全部采用了凸極式同步電動(dòng)機(jī)；在交-交變頻的主回路接線方式上，主要考慮到避免3次和3倍頻諧波在電機(jī)定子繞組中流通，影響電機(jī)運(yùn)行的力能指標(biāo)。采用電機(jī)定子繞組星接、變頻功率裝置星接，星點(diǎn)各

4、自獨(dú)立的接線方式，這種接線方式同時(shí)帶來了利用交流偏置技術(shù)，達(dá)到減少整流變壓器二次電壓，提高裝置電壓安全裕量的效果。功率變換裝置采用電網(wǎng)自然換流邏輯無環(huán)流可逆三相橋式變流器組成，精軋機(jī)傳動(dòng)主回路原理圖如圖1所示。圖1 精軋機(jī)傳動(dòng)主回路原理圖     每套系統(tǒng)由6個(gè)定子側(cè)功率柜（每相兩柜并聯(lián)），一個(gè)勵(lì)磁功率柜，一個(gè)輔助開關(guān)柜和一個(gè)simadyn-d柜組成，采用2500a/4000v晶閘管元件，電壓安全系數(shù)2.42，電流安全系數(shù)2.17（均流系數(shù)按照0.9計(jì)算）。3 交-交變頻電路工作原理   

5、60;三相交-交變頻電路是直流驅(qū)動(dòng)可逆整流電路的自然延伸，相當(dāng)于3臺(tái)可逆整流裝置按照星形連接后，將三相對(duì)稱的電流給定信號(hào)進(jìn)行功率變換和放大，每組整流裝置的觸發(fā)導(dǎo)通、電網(wǎng)電壓換向的基本原理都和我們熟知的三相橋式可逆整流電路相同，但由于采用了電路星點(diǎn)和電機(jī)星點(diǎn)相互隔離的接線方式及需要不失真地放大一個(gè)三相對(duì)稱電流，帶來了以下的特殊性：    （1）至少要有不同輸出相的正反兩組橋中的四個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流。    （2）同一組橋內(nèi)的兩個(gè)晶閘管靠雙窄觸發(fā)脈沖保證同時(shí)導(dǎo)通，兩組橋之間則是靠觸發(fā)脈沖有足夠的寬度

6、（>30°），以保證任意時(shí)刻觸發(fā)換向時(shí)，同時(shí)有四個(gè)脈沖存在。    （3）由于每相的可逆整流裝置都需要交替輸出正向和反向的電流，以便形成三相交流電流輸出，因此可逆整流裝置是按照輸出頻率頻繁工作在正向整流、正向逆變、反向整流、反向逆變狀態(tài)，而正反組換向時(shí)的死區(qū)會(huì)影響電流過零點(diǎn)的平滑性，從而使輸出的最高頻率受到了限制，但可逆整流裝置正反組頻繁交替工作的特點(diǎn)，也使得同樣容量的可逆整流裝置用于交-交變頻比用于直流傳動(dòng)，理論上過載能力會(huì)增加約倍。    （4）因正反組換向時(shí)的死區(qū)限制了輸出頻率的提高，并會(huì)使電

7、流過零不平滑而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)（引起電流過零不平滑的另一個(gè)原因是電流斷續(xù)所導(dǎo)致的移相特性的非線性），為此需要采用新的零電流檢測機(jī)理，使零電流檢測時(shí)間由直流傳動(dòng)的57ms減少到1ms左右。新的零電流檢測機(jī)理是基于直接檢測晶閘管兩端的電壓，同時(shí)用管子的觸發(fā)脈沖信號(hào)作為連鎖判斷的條件。其基本判斷邏輯為：當(dāng)該管子有觸發(fā)脈沖時(shí)，若管壓降不為零表示該管子已關(guān)斷，若管壓降為零，表示該管子導(dǎo)通，當(dāng)所有的管子均關(guān)斷時(shí)，判斷為零電流信號(hào)，從而消除了在直流傳動(dòng)中常規(guī)判斷零電流信號(hào)所必須的檢測延時(shí)和安全延時(shí)的時(shí)間，但由于直接將檢測管壓降的高壓回路引入判斷零電流的低壓檢測回路，需要采用可靠的光電耦合隔離措施。4 

8、控制系統(tǒng)    控制系統(tǒng)采用了氣隙磁場定向的矢量控制原理，這是目前高性能交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速普遍采用的方法，其基本原理來源于電機(jī)的統(tǒng)一理論，即任何電機(jī)的轉(zhuǎn)矩都是由兩個(gè)相對(duì)靜止的磁場相互作用產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)矩的統(tǒng)一方程如下：    式中：tm為轉(zhuǎn)矩，d、q分別為d軸、q軸磁鏈值，id、iq分別為d軸、q軸磁化電流值。    如果空間矢量iq與d正交，則 即磁通和電流相互解耦，矢量控制的本質(zhì)就是通過定向和矢量變換，將實(shí)際加到電機(jī)上的三相交流量變換為d、q坐標(biāo)系的直流量，然后在相對(duì)靜

9、止的d、q坐標(biāo)系下按照常規(guī)直流電機(jī)雙環(huán)調(diào)速的方法進(jìn)行控制，輸出在d、q坐標(biāo)系下的電流給定，然后再經(jīng)過坐標(biāo)變換為實(shí)際的a、b、c系統(tǒng)下的交流量，由交-交或交-直-交大功率變換裝置進(jìn)行功率放大后注入電機(jī)，便實(shí)現(xiàn)了實(shí)際的交流電動(dòng)機(jī)按照直流電動(dòng)機(jī)磁通和電流相互解耦的方式運(yùn)行。所謂氣隙磁場定向就是指反映磁通的d軸，也就是電機(jī)內(nèi)部合成氣隙磁場所在的軸線。系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示。圖2 系統(tǒng)控制原理圖    圖2中符號(hào)的說明如下：表示設(shè)定值，i,表示定子電流，m表示同步電動(dòng)機(jī)，n表示速度，i1,2,3表示相電流，m1表示電壓模型，表示磁通量，u1,2,3表示

10、相電壓，m2表示電流模型，ie表示勵(lì)磁電流，r表示轉(zhuǎn)子位移角，vd表示矢量轉(zhuǎn)換，iact表示電流實(shí)際值，s表示轉(zhuǎn)子位置設(shè)定輸入，iu表示激磁電流，cosm表示電機(jī)電流偏移因數(shù)，s表示磁通軸向角度，表示轉(zhuǎn)子軸向角度。    氣隙磁場定向矢量控制的關(guān)鍵就是如何正確地計(jì)算實(shí)際氣隙磁通的幅值和相角，以便按照電機(jī)內(nèi)部所發(fā)生的電磁現(xiàn)象的逆過程進(jìn)行矢量變化處理，如果定向計(jì)算不準(zhǔn)確，人為進(jìn)行的變換處理就不能正確反映電機(jī)內(nèi)部實(shí)際發(fā)生的物理過程，從而給控制造成偏差，磁通定向計(jì)算的基本思想如下：    以電壓模型為主，電壓模型采用實(shí)際的

11、電機(jī)三相電壓和電流信號(hào)，通過以下公式獲得：    式中: us、us和is、is由電壓、電流實(shí)際信號(hào)經(jīng)3/2變換獲得，rs和ls分別為定子繞組電阻及電感。    經(jīng)矢量分析后可得:     式中：和s分別為氣隙磁鏈?zhǔn)噶康拇笮『头较颉?#160;   電流模型通過電流設(shè)定值、磁通設(shè)定值和電機(jī)軸上安裝的測速編碼器，由單變量閉環(huán)求解，其主要思路仍然是利用設(shè)定值計(jì)算出希望的氣隙磁通幅值和相角（這也是電流模型不準(zhǔn)確的主要原因），但由于將

12、12坐標(biāo)系下的給定量變換到d-q坐標(biāo)系下進(jìn)行磁路運(yùn)算，并考慮了動(dòng)態(tài)過程中阻尼繞組對(duì)磁路的影響，提高了電流模型計(jì)算的準(zhǔn)確度，通過采用單變量閉環(huán)運(yùn)算，提高了模型計(jì)算的精度。    電流和電壓模型根據(jù)電機(jī)的輸出頻率進(jìn)行平滑過渡，一般額定轉(zhuǎn)速10%以下采用電流模型，額定轉(zhuǎn)速20%以上采用電壓模型。    控制系統(tǒng)的另一個(gè)特殊問題是三相電流調(diào)節(jié)器，由于矢量控制要求交-交變頻器的輸出電流隨時(shí)變化（穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)為正弦變化），這樣電流調(diào)節(jié)器僅采用常規(guī)的pi反饋調(diào)節(jié)，就會(huì)有跟蹤誤差，使輸出電流滯后于給定電流，從而影響矢量控制的效果，因

13、此必須引入電壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，事先計(jì)算出產(chǎn)生電流所需加入的電壓給定，并通過調(diào)試確保前饋補(bǔ)償量基本滿足控制量要求，而電流pi調(diào)節(jié)器輸出只起校正控制誤差的作用，電壓前饋的計(jì)算公式為：u1=rs i1lsi2u2=rs i2+lsi1+    式中：u1和u2為定子電壓給定量，i1和i2為定子電流給定量，為角速度，rs和ls分別為定子繞組電阻及電感，為氣隙磁鏈?zhǔn)噶康拇笮　?#160;   上述控制思想采用simadyn-d全數(shù)字、可自由配置的模塊化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，程序基于unix的圖形化編程軟件，采用struc&#

14、160;g編制，用strucview進(jìn)行閱讀，采用ibs5.01進(jìn)行調(diào)試，并可借用excel表的宏命令生成參數(shù)化文檔。    simadyn-d控制柜包含sr24.3主機(jī)箱，由與p1處理器綁接的it41輸入輸出模塊接受光電碼盤返回的測速信號(hào)和位置信號(hào)，并完成速度控制和通訊任務(wù)；由p2處理器和兩塊與之綁接的it42輸入輸出模塊完成矢量變換運(yùn)算，并最終形成定子三相電流設(shè)定值和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流設(shè)定值，輸入給ep22+is1及p3處理器+itdc模板，由ep22完成三相電流調(diào)節(jié)，并由與之綁接的is1接口模板完成定子三相脈沖的形成、隔離與放大；由p3處理器完成轉(zhuǎn)子勵(lì)磁

15、電流的控制，和部分與ep22的信號(hào)交換、內(nèi)部控制信號(hào)的輸出等，由與之綁接的itdc接口模板完成轉(zhuǎn)子勵(lì)磁脈沖的形成、隔離與放大；采用在cs7通訊母板中插入ss4、ss52、ss52通訊子模板形成一個(gè)dust1通訊接口，用于編程調(diào)試，兩個(gè)profibus通訊接口，用于連接本柜的et200s遠(yuǎn)程i/o和tdc傳動(dòng)控制器，完成對(duì)交-交變頻功率柜各種保護(hù)和聯(lián)鎖信號(hào)的采集和與外部啟停、給定和故障聯(lián)鎖信號(hào)的通訊。    tdc控制器也是以機(jī)架為基礎(chǔ)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，但在保留simadyn-d系統(tǒng)多處理器并行優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡練，只有一個(gè)機(jī)箱和兩種cpu，i/o

16、模板和通訊模板，集成度更高，采用了開放的vme背板總線技術(shù)，采用基于windows的圖形化編程軟件cfc編程，cfc軟件安裝在step7環(huán)境下運(yùn)行。    在精軋區(qū)域的6個(gè)機(jī)架共用一個(gè)tdc控制器，負(fù)責(zé)完成整個(gè)機(jī)架的啟停邏輯，急停操作、速度給定、速度給定斜坡設(shè)定、外部信號(hào)聯(lián)鎖（電機(jī)、變壓器、潤滑系統(tǒng)等）及與精軋l1主控制器的通訊，與精軋區(qū)域相關(guān)傳動(dòng)設(shè)備的通訊，并通過與op17操作面板通訊完成對(duì)各機(jī)架的本地操作、運(yùn)行監(jiān)視、故障報(bào)警、溫度指示和在dsg模式下的速度開環(huán)調(diào)試功能。5 結(jié)束語    濟(jì)鋼1700mm熱連軋主傳動(dòng)系統(tǒng)的速度控制靜態(tài)精度達(dá)到了0.01%，速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)小于50ms，電樞電流響應(yīng)時(shí)間小于10ms，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于 0.8%，達(dá)到了連軋機(jī)組主傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要求，其硬件配置和軟件控制水平都代表了當(dāng)前傳動(dòng)領(lǐng)域的世界水平，是軋機(jī)主傳動(dòng)控制的代表之作。作者簡介丁鑫（1982-） 男