攀钢1450热连轧交交变频矢量控制系统

攀钢1450热连轧交交变频矢量控制系统 摘 要 ：本文介绍了交交变频全数字矢量控制系统在攀钢热轧主传动中的应用，重点阐述了该系统在实际应用中的构成和控制原理。 关键词： 交交变频 矢量控制 控制系统 一、引言 攀钢热轧板厂主传动原采用机组供电，可控硅励磁。98年年修改造，主传动励磁改用美国AVTRON公司生产的数字传动励磁系统，其系统的稳定性和动态响应等方面的指标较以前有了大幅度的提高，但是受系统和电机的限制，能耗高、控制性能差、设备故障率高、电机出力等问题并没有得到改善，直接影响产品质量和品种的扩大，难以适应市场的需求。99年，冶金自动化研究院与攀钢合作，将攀钢l450热连轧主传动R2、F1～F6由直流传动系统改为交交变频同步电动机矢量控制系统。 二、控制系统简介 热连轧交交变频全数字矢量控制主传动调速系统由高压供电设备、整流变压器、交交变频整流柜、同步电动机等组成。其它配套设备还包括励磁变压器、同步变压器、HSCB、MCB、保护设备等，由它们共同组成一个完整的系统。 该系统整流变压器采用不同形式的连接方式，即d/d0和d/y11，这使变压器二次侧绕组相位相差一定的电角度,这样做可以减少电网的谐波。电动机的激磁绕组（即转子绕组）由四台整流变压器供电，有两台分别为粗轧R2的上下辊的励磁供电；两台给精轧F1—F6的励磁供电，两台整流变压器互为备用，正常情况下一台运行，每台电机转子激磁回路由单独的六脉冲整流桥供电。每套变频器由六个可控硅柜组成，两两变频器并联组成一相变频器，分为主、从柜，每个变频柜是一套三相桥式无环流反并联连接的单相输出的交-交变频器，由六个单相交-交变频器柜组成一套输出Y连接方式的三相交-交变频器。电动机采用东电（粗轧）和哈尔滨（精轧）直流激磁凸极式转子交流同步电机。R2机架上/下辊传动各有一台电机传动，功率均为5000KW，精轧每个机架各有一台电机传动，F1～F4功率为5000KW, F5～F6功率为4000KW，所有电机均采用Y形接线方式。 该系统控制柜主要有交交变频柜、励磁柜、继开柜、吸收柜、SIMADYN D控制柜，各控制柜的主要功能简介如下： ·交交变频柜：完成电机定子侧功率的变换和电量的检测； ·励磁柜：完成同步电机励磁功率的变换、电量的检测及励磁过压的吸收； ·继开柜：负责向控制系统提供各种电源和输入输出继电器隔离； ·吸收柜：完成交交变频器的输入/输出线路的过压吸收； ·SIMADYN D控制柜：由框架、电源、处理器板、接口板等组成。每套传动由一台SIMADYN D控制，其主要控制功能有速度控制、矢量控制、相电流控制、激磁控制、工艺控制、触发控制、操作保护、故障诊断和显示报警等。 三、矢量控制基本原理 在同步电动机中，同样也是两个磁场相互作用产生电磁转矩，与直流电动机不同的是交流电动机定子磁势Fs、转子磁势Fr 及二者合成磁势产生的气隙磁势FC(Φm)均是以同步角速度ωS在空间旋转的矢量，三者的空间矢量关系如图1所示。 由图可知, Fr、Fs 与的夹角不等与90°, 并且Fr 、Fs在控制过程中会引起二者的相互影响，容易造成系统振荡或使动态过程加长。矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，改善其上述缺点。它的基本思想是在普通的同步电动机上设法模拟直流电动机转矩控制规律（TD=CMΦdiA、CM=（NP/2π）*（Na/a）：CM为直流电动机转矩系数）在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量iM 和产生转矩电流分量iT，并使两分量互相垂直、彼此独立，然后分别进行调节。转矩的控制是调速的关键，由电机的统一电磁转矩公式： TD=KM *Fs* Fr*Sinθrs 式中：KM ——比例系数，与电机的结构有关 　Fs 、Fr——定、转子磁势幅值 　θrs——定、转子磁势的夹角 当同步机三相定子绕组中通入对称电流iA、iB、iC时，则形成基波合成磁势FS，其旋转方向由三相电流的相序决定，旋转角速度等于定子电流的角频率ωS。通过控制定子磁势FS的幅值及在空间的位置，保证气隙磁通Φm恒定，达到调节电机转矩的目的。控制FS幅值的大小，可以通过控制各相电流的瞬时幅值大小来实现，而FS在空间上的相位可以通过控制各相电流的瞬时相位来实现。因此只要能对电机定子电流（iA、iB、iC）的瞬时控制就能实现对电机转矩的准确而有效的控制。由于在定子侧的各物理量（电压、电流、电动势、磁动势）都是交流量，以同步转速旋转，控制、调节和计算都不方便。因此需借助坐标变换（3/2、2/3、VR、K/P），使各物理量从静止坐标转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转坐标系上观察，电机定子的各空间矢量变成了静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就成了直流量。可以根据转矩公式，找到转矩和被控矢量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的值。由于这些量都是虚构的，物理上是不存在的，因此还需经过坐标反变换使其实际值等于给定值。整个矢量控制过程可用图2所示的方框来表示。 四、控制系统特点 4.1系统通信 攀钢1450热连轧主传动系统已经配置了一个完整的二级自动化系统。功能较为完善，几年来运行情况良好。因而本次主传动改造要在保留原来二级自动化系统的基础上进行，实现新的主传动控制系统同原来的自动化系统的接口，尽量不改动原自动化系统的硬件和软件。 整个系统的通信按不同的任务分为3个层次进行设计: (1)本地通信主要完成传动控制设备的现场数据采集、本地操作以及故障自诊断等任务。 (2) 信息管理通信负责系统各类信息的收集、处理、存储、检索以及输出。 (3)传动系统与上一级控制系统之间进行数据传输，以实现连轧机架连续生产过程控制、系统协调及最佳控制。 单个机架的控制系统要实现其本身的电机控制、逻辑操作、电机保护及故障诊断等任务，这样需有一套独立的本地通信网，以实现其本身的控制任务。 控制系统上配置了两块CS7通用通信板实现本地通信功能。一块分别完成与远程ET200和COROS通讯，另一块分别完成上位机PLC和程序监控机的通讯。 4.2系统集中监控 控制系统运行监视技术采用SIEMENS公司的COROS软件，COROS软件是SIEMENS公司的经典画面软件，能实现参数监控，信息报警，数据、信息存储等功能；通过PROFIBUS FMS网可以同时监视多个控制系统，对轧机控制系统进行统一的信息管理和故障集中显示。在系统中专门设计了一条总线来完成信息管理和故障信息的传送，每个控制系统配置一块通讯板CS7+SS5挂靠在SINCE L2 FMS总线上，同时配有工业PC机实现对整个系统的故障收集、显示、诊断保存及对系统运行状态的显示。 为集中显示设计的画面、报表完成运行参数监视、故障报警、温度显示等功能，共有7副画面： 1）主画面，轧机的传动画面，选择机架号。 2）显示各子画面的功能名称，选择自画面。 3）单机架主传动画面，显示主传动的各种运行参数及个开关的分合状态。 4）矢量控制画面，显示矢量运算的各种数据。 5）温度监视画面，显示定子、转子、冷却系统的温度和定子温度曲线。 6）传动各运行参数的棒形图。 7）故障显示、报警画面，对发生的故障按时间先后以红色显示出来，若故障已消失则以白色显示出来，并可以记忆历史故障，以便于故障分析。 4.3零电流检测技术 由于交交变频器基于可逆整流，对变频器对零电流信号的检测灵敏度要求较高。该系统采用全关断光电检测零电流技术，根据对变频器中每一个可控硅管压降状态进行检测，来判断零电流信号，使无环流切换死区时间小于1.1ms，其原理图如图3所示。 五、SIMADYN D控制系统 本系统中SIMADYN D的四块处理器模板共同作用实现交交变频的矢量变换运算。系统接收光电码盘反馈回的速度及位置信号，在PM5模板内完成速度控制及工艺运算，在PS16模板内完成矢量变换控制运算，然后形成定子三相电流的设定及转子激磁设定值，输入给EP22及PG16模板，由EP22进行三相电流调节运算，PG16模板完成转子激磁电流调节运算。并输出晶闸管功率柜的触发脉冲，通过控制晶闸管的导通来控制同步电机。 系统还分别给各个处理器设计了管理程序，用来管理通过系统内部总线的处理器之间的数据交换；通过现场总线与远程I/O站的数据交换；远程SIMADYN D设备之间的数据传输以及与用于实现故障诊断、运行监控的0P47之间的信息传递，同时，系统还支持运行中的在线调试，并有专门的通讯管理程序。 六、结束语 交交变频矢量控制技术经过近30多年的发展，现在运行效果良好，它将随着时代的发展而逐步走向成熟，使交流调速成为电气传动领域中的主流，逐渐取代直流调速系统。 参考文献 1. 西门子SIMADYN D参考手册，1996 2. 马小亮，大功率交-交变频调速及矢量控制技术，北京，机械工业出版社，1996 3．李志民，张遇杰著，同步电动机调速系统，北京，机械工业出版社，1996 4．李向欣等著，攀钢热连轧主传动改造工程电控系统原理图及软件系统原理图，北京，北京冶金自动化研究院，1999 5．李华得著，现代交流电机变频调速系统，北京，石油工业出版社，1994