全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置在線材精軋機組上的應(yīng)用

1、全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置在線材精軋機組上的應(yīng)用周世成張忠慧摘要介紹一種電流源交直交變頻器型全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置在棒線材連軋生產(chǎn)線線材精軋機組主傳動上的應(yīng)用，說明其配置、功能、工作原理及特點。由于應(yīng)用此種變頻調(diào)速裝置，簡化了設(shè)計、安裝及調(diào)試過程，提高了電氣設(shè)備的控制性能及運行可靠性，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。關(guān)鍵詞大功率交流變頻調(diào)速裝置矢量控制負載換相Application of fully digital giant power AC frequency converter for the wire rod finishing blockZhou Shicheng(Engineering D

2、esign Institute of Dalian Iron and Steel Group Co Ltd Dalian 116031)Zhang Zhonghui(Wire Rod and Bar Branch of Dalian Iron and Steel Group Co Ltd)Abstract To introduce the application of a kind of fully digital giant power AC frequency converter based on the current source DC link converter for the m

3、ain drive of wire rod finishing block in wire rod and bar continuous rolling mill production line and describe its configuration, function, operating principle and characteristics. Adoption of this kind of frequency converter simplifies the course of engineering design, installation and commissionin

4、g, improves the control performance and operating reliability of the electrical equipment and ensures the quality of products. Key words giant power AC frequency converter; vector control; load commutation在具有90年代國際先進技術(shù)裝備水平的國家"八五"重點技改建設(shè)工程大連鋼鐵集團有限責任公司30萬t高精度合金鋼棒線材連軋生產(chǎn)線的10機架線材無扭精軋機組的主傳動系統(tǒng)中，我們

5、應(yīng)用了全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)，采用SIEMENS公司的SIMOVERT S電流源交直交變頻器型全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置(LCI)控制同步電動機，測速反應(yīng)采用脈沖發(fā)生器，構(gòu)成全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速傳動控制系統(tǒng)，即所謂的無換向器電動機系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)工藝對線材精軋機組主傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速高及調(diào)頻范圍寬的要求。1SIMOVERT S的配置及功能SIMOVERT S電流源交直交變頻器型全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置是一種具有90年代國際先進技術(shù)水平的組合式全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置，主要用于控制大功率、高轉(zhuǎn)速的同步電動機。整套裝置主要由功率單元、控制單元及勵磁單元3局部組成，其軟硬件配置及控制框

6、圖如圖1所示。圖1SIMOVERT S軟/硬件配置及控制框圖UTR/USV/UUK/ULS/ERD/USM/TUE監(jiān)視功能包；EAL邏輯控制功能包；AST順序控制功能包；BED操作員控制功能包；KLT通信控制功能包；NRG速度閉環(huán)控制功能包；MN1/2電流閉環(huán)控制功能包；SMS矢量控制功能包；TS12矢量控制板；OP1操作面板；ERW勵磁給定功能包；MER勵磁電流閉環(huán)控制功能包；1逆變器側(cè)電壓互感器；2逆變器側(cè)電流互感器；3整流器側(cè)電流互感器；4勵磁單元；5光電轉(zhuǎn)換器件；6觸發(fā)單元；x電機參數(shù)；CJ觸發(fā)角計算；A監(jiān)控信息引至DIA過程診斷功能包；VM電壓模型及實際值檢測1.1功率單元在線材精軋

7、機組應(yīng)用的SIMOVERT S中，其功率單元由兩套完全電氣隔離的6脈波電流源交直交變頻器組成，從而構(gòu)成12脈波電流源交直交變頻器。每套6脈波變頻器主要由整流器、直流耦合電路及逆變器3局部組成，其中整流器、逆變器均采用SITOR晶閘管模塊組成三相全控橋式整流電路；直流耦合電路中的平波電抗器采用環(huán)氧樹脂澆注型鐵芯電抗器。由于SIMOVERT S的調(diào)頻范圍較寬，因此，逆變器側(cè)的電流互感器及電壓互感器均采用霍爾效應(yīng)變換器。1.2控制單元SIMOVERT S的控制單元采用SIMADYN D全數(shù)字控制系統(tǒng)，它是一種可以自由組態(tài)的多微處理器高速全數(shù)字控制系統(tǒng)，也是SIMOVERTS的核心局部，主要用于實現(xiàn)S

8、IMOVERT S功率單元及勵磁單元的各種高速開閉環(huán)控制、運算、檢測、監(jiān)視、報警及診斷等功能，其全部功能均由基于圖形組態(tài)的控制軟件來實現(xiàn)，并由各微處理器按功能分類進行實時處理，控制采樣時間可以小于1ms。SIMADYN D主要由硬件及軟件兩局部組成。1.2.1硬件配置SIMADYN D的硬件結(jié)構(gòu)采用模塊組合方式，其全部功能由控制軟件定義。各硬件模塊均采用標準化模塊，主要有電源板、微處理器板、IO板、IO接口板、程序存儲器板、通信板、通信緩沖器板、觸發(fā)器板、診斷板、光電輸入板、光電輸出板及OP1操作面板等，所有硬件模塊均安裝在SIMOVERT S控制柜內(nèi)的標準機架上，而OP1操作面板那么安裝在S

9、IMOVERT S控制柜的門上。由于應(yīng)用了專業(yè)化及標準化集成技術(shù)，大大簡化了硬件結(jié)構(gòu)，因此在SIMADYN D內(nèi)部只需幾種不同類型的硬件模塊即可實現(xiàn)SIMOVERT S的全部控制及保護功能。SIMADYN D的各微處理器板之間以及微處理器板與其他外設(shè)控制板之間均通過局部總線及通信總線進行內(nèi)部高速數(shù)據(jù)通信；而SIMOVERTS與其他傳動控制系統(tǒng)之間及SIMOVERT S與上級自動化控制系統(tǒng)之間那么通過IO板、IO接口板及通信板等硬件模塊實現(xiàn)內(nèi)外部高速數(shù)據(jù)通信。從控制單元到功率單元的觸發(fā)及檢測信號采用光電耦合技術(shù)，即采用光纖電纜及光電轉(zhuǎn)換器件進行傳輸。1.2.2軟件組態(tài)及功能SIMADYN D的控

10、制軟件通常稱作用戶程序，其結(jié)構(gòu)也采用模塊組合方式。在用戶程序中，有多種類型的功能塊(FB)，例如像開環(huán)控制塊、閉環(huán)控制塊、邏輯控制塊、算術(shù)塊、IO控制塊及通信控制塊等，每個功能塊分別完成特定的控制任務(wù)，它們是用戶程序的最小組態(tài)單元。將各功能塊進行正確的參數(shù)化賦值及有機連接，即構(gòu)成了軟件功能包(FP)，而各種軟件功能包的有機組合又構(gòu)成了用戶程序。在SIMOVERT S的用戶程序中，主要有監(jiān)視、邏輯控制、操作員控制、通信控制、閉環(huán)控制及矢量控制等軟件功能包，每個軟件功能包均實現(xiàn)一定的系統(tǒng)控制功能。全部用戶程序均采用STRUC G圖形組態(tài)語言進行組態(tài)開發(fā)。各軟件功能包按功能類別均衡分配，分別由各微處

11、理器進行實時處理，即所謂的多微處理器、多任務(wù)并行處理技術(shù)，從而可以實現(xiàn)對SIMOVERT S的高速控制。在線材精軋機組應(yīng)用的SIMOVERT S中，其全部控制及保護功能均由MP-A200用戶程序來實現(xiàn)。根據(jù)功能類別，可以將整套用戶程序分為供電控制、開閉環(huán)控制及勵磁控制3組軟件功能包。(1)供電控制在供電控制中，用UTRUSVUUKULSERDUSMTUE等監(jiān)視功能包實現(xiàn)對由SIMOVERT S構(gòu)成的全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速傳動控制系統(tǒng)各主要功率器件例如高壓斷路器、功率單元、勵磁單元、變流變壓器及同步電動機等的綜合監(jiān)視及控制；用邏輯控制功能包EAL綜合各監(jiān)視功能包、順序控制功能包AST的控制信號

12、及操作員控制功能包BED和通信控制功能包KLT的命令字，實現(xiàn)對SIMOVERT S主電路及輔助電路分合閘的順序控制，它是供電控制的核心；用操作員控制功能包BED實現(xiàn)對SIMOVERT S的就地控制，并組態(tài)SIMADYN D的OP1操作面板的輸入及顯示功能；用通信控制功能包KLT與CS51通信板相配合，實現(xiàn)SIMOVERT S與上級自動化控制系統(tǒng)之間的連網(wǎng)通信。(2)開閉環(huán)控制在開閉環(huán)控制中，用閉環(huán)控制功能包NRG實現(xiàn)對整流器速度環(huán)的閉環(huán)控制及監(jiān)視，用閉環(huán)控制功能包MN12實現(xiàn)對整流器電流環(huán)及觸發(fā)單元的閉環(huán)控制及監(jiān)視；用矢量控制功能包SMS與TS12控制板相配合，實現(xiàn)對逆變器正常運行時負載換相的

13、矢量控制及監(jiān)視，低速運行時斷續(xù)換相觸發(fā)脈沖的控制及監(jiān)視；用過程診斷功能包DIA實現(xiàn)對SIMOVERT S相關(guān)過程控制量及信號的實時診斷顯示，即首先將各過程控制量及實時信號存儲在DIA的跟蹤存儲器中，然后可以通過DA轉(zhuǎn)換器隨時輸出，供故障分析診斷用。(3)勵磁控制在勵磁控制中，用閉環(huán)控制功能包ERW實現(xiàn)對勵磁單元給定值的綜合計算；用閉環(huán)控制功能包MER實現(xiàn)對勵磁單元電流環(huán)和觸發(fā)單元的閉環(huán)控制及監(jiān)視，而且既能實現(xiàn)強勵控制，又能實現(xiàn)弱磁控制，以滿足生產(chǎn)工藝對SIMOVERT S的調(diào)速要求。這種軟硬件結(jié)構(gòu)使得SIMOVERT S整個控制單元的控制任務(wù)能夠清晰、平衡、有效地在各微處理器板之間進行分配，大

14、大提高了工作效率，簡化了SIMOVERT S的系統(tǒng)組態(tài)、安裝調(diào)試、操作運行及故障診斷等過程。我們既可以通過SIMOVERT S控制柜上的OP1操作面板實現(xiàn)對該裝置的就地操作，也可以通過SIMADYN D的CS51通信板從上級自動化控制系統(tǒng)(或PC機)對SIMOVERT S進行遠程操作。1.3勵磁單元SIMOVERT S的勵磁單元同功率單元一樣，也采用SITOR晶閘管模塊組成三相全控橋式整流電路，實現(xiàn)6脈沖三相全控整流。2SIMOVERT S的工作原理在SIMOVERT S中，功率單元整流器的晶閘管采用電源的交流電壓換相，逆變器的晶閘管采用負載同步電動機的定子反電勢換相；SIMOVERT S輸出

15、電流的輻值由整流器控制，輸出電流的頻率由逆變器控制。在額定轉(zhuǎn)速以下采用恒磁調(diào)壓調(diào)頻調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速之上，采用恒壓弱磁調(diào)頻調(diào)速；此外，還可以實現(xiàn)強勵控制。在同步電動機起動的初始階段或運行過程中，當其轉(zhuǎn)速低于額定值的10時，由于電動機定子的反電勢較小，致使逆變器的負載換相方式不能正常工作，此時需靠斷續(xù)換相電路控制整流器進入逆變狀態(tài)，將直流耦合電壓周期性地反向，迫使直流耦合電流短時為零，從而使逆變器已導通的晶閘管恢復阻斷能力，然后再適當控制整流器，重新建立直流耦合電流，并觸發(fā)逆變器下一對要導通的晶閘管，從而實現(xiàn)強制換相。當采用強制換相時，逆變器以=0°運行，這樣會有效改善功率因數(shù)，補償由于

16、電流斷續(xù)而產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩降低及輸出轉(zhuǎn)矩脈動。當電動機轉(zhuǎn)速升至超過其額定值的10時，電動機定子的反電勢超前，那么SIMOVERT S自動切除斷續(xù)換相電路，轉(zhuǎn)為負載換相。整流器的控制方式采用速度及電流閉環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)，類似于直流調(diào)速技術(shù)，同步控制電壓取自電源側(cè)的電壓互感器。逆變器的控制方式采用矢量控制技術(shù)，其負載換相及強制換相控制均由矢量控制功能包SMS實現(xiàn)，晶閘管的觸發(fā)脈沖由同步電動機的反電勢控制。在逆變器的運行過程中，采用霍爾效應(yīng)變換器型的電壓互感器檢測電動機定子電壓矢量的幅值及角位置，并進行綜合補償計算后產(chǎn)生同步電動機電壓模型的磁通矢量，然后通過計算該磁通矢量的角位置，完成對逆變器晶閘管的

17、觸發(fā)脈沖的同步定位，實現(xiàn)對同步電動機的電壓模型的矢量控制，使逆變器每次都選擇在電動機轉(zhuǎn)子的磁通矢量與定子的磁通矢量互相成90°角的時刻進行換相，這樣就保證了電動機的輸出轉(zhuǎn)矩最大，效率最高。而勵磁單元的控制方式那么采用電流閉環(huán)的單環(huán)控制系統(tǒng)。在正常運行時，逆變器通過同步電動機定子電壓及電流的實際值來確定轉(zhuǎn)速實際值，當同步電動機的轉(zhuǎn)速低于其額定值的10時，那么采用脈沖發(fā)生器提供附加的轉(zhuǎn)速實際值。3SIMOVERT S的特點及應(yīng)用在國外設(shè)計聯(lián)絡(luò)、技術(shù)培訓、設(shè)備安裝、冷熱負荷調(diào)試及試生產(chǎn)過程中，我們對SIMOVERT S在工程設(shè)計、安裝調(diào)試及運行維護等方面的應(yīng)用進行了初步探索及消化吸收，感覺

18、到線材精軋機組主傳動系統(tǒng)所用的SIMOVERT S在軟硬件結(jié)構(gòu)、功能組態(tài)及操作方式等方面具有許多新特點，概括如下。(1)組態(tài)靈活由于SIMOVERT S的軟/硬件均采用自由組態(tài)方式，因此，可以根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求隨時方便、靈活地組態(tài)所需要的各種控制系統(tǒng)。(2)功能全面由于SIMOVERT S的控制單元采用了SIMADYN D全數(shù)字控制系統(tǒng)，具有豐富、全面的控制，監(jiān)視及故障診斷功能，因此，大大減少了調(diào)試、維護及檢修所需的時間，增加了有效工作時間。(3)性能優(yōu)越由于SIMOVERT S應(yīng)用了矢量控制技術(shù)、多微處理器并行處理技術(shù)及12脈波電流源交直交變頻器技術(shù)，使得SIMOVERT S具有優(yōu)越的控制性

19、能，充分滿足了生產(chǎn)工藝對線材精軋機組主傳動系統(tǒng)的要求。(4)操作簡單由于采用了友好的窗口界面，且附有各種提示及在線幫助信息，因此極大地方便了用戶的操作。(5)運行可靠由于SIMOVERT S的全部控制、監(jiān)視及保護功能均由軟件實現(xiàn)，從而大大減少了硬件故障隱患點；而且由于其軟硬件均采用模塊組合技術(shù)，因此當發(fā)生故障時，大大降低了故障的危害程度及影響范圍；此外由于從控制單元到功率單元的觸發(fā)及檢測信號采用光電耦合技術(shù)傳輸，因此增強了抗強電磁干擾能力，確保了觸發(fā)的正確性及可靠性。總之，以上各點保證了SIMOVERT S運行的高可靠性。(6)降低干擾由于采用了12脈波電流源交直交變頻器技術(shù)，根本消除了SIM

20、OVERT S所產(chǎn)生的5、7次高次諧波，其他各次高次諧波含量也有不同程度的降低，使電網(wǎng)及同步電動機中的諧波電流大致可以降為6脈波變頻器的12，從而大大降低了SIMOVERT S對電網(wǎng)所造成的高次諧波影響，有效改善了電網(wǎng)質(zhì)量。在棒線材連軋生產(chǎn)線中，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，線材精軋機組主傳動全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速傳動控制系統(tǒng)的典型工作狀況主要有：(1)額定工作狀況電壓=2×1450V；電流=2×1205A；功率=5500kW；轉(zhuǎn)速=720r·min1；頻率=36Hz；勵磁電壓=86V；勵磁電流=390A；轉(zhuǎn)矩=72.9kNm；工作制=S9。(2)強勵工作狀況電壓=2×1450V；電流=2×1932A；功率=8800kW；轉(zhuǎn)速=720r·min1；頻率=36Hz；勵磁電壓=121V；勵磁電流=549A；轉(zhuǎn)矩=116.7kNm；工況為峰值時持續(xù)時間為60s。(3)弱磁工作狀況電壓=2×2000V；電流=2×1405A；功率=8800kW；轉(zhuǎn)速=1600r·min1；頻率=80Hz；勵磁電壓=76V；勵磁電流=348A；轉(zhuǎn)矩=52.5kNm；工況為峰值時持續(xù)時間為60s。針對電流源交直交變頻器的輸出電流波形為梯形，存在輸出轉(zhuǎn)矩脈動及過載能力