交流变频调速系统在棒材热连轧机上的应用

【摘 要】：分析了棒材轧钢厂精轧机上交流变频调速系统主传动的特点，详细阐述了交流变频调速技术应用于热连轧主传动控制系统时电动机、逆变器容量、整流单元容量、制动方式及制动单元和制动电阻容量的选择方法。概述了交流变频调速控制系统应用于热连轧机主传动系统调试时应注意的问题及其解决方法。 关键词：交流变频 矢量控制 双电枢电机 1 前言 三钢集团闽光股份有限公司棒材轧钢厂1995年投产，年设计产量24万t。经过1999年和2000年技术改造，2003年轧钢产量为72万t。为适应轧制品种的优化，2004年进行大修技术改造，计划技术改造后年产量为80万t，轧机电机扩容改造是技改工程中一项重要工程项目。 本项目主要内容之一是精轧机组将4台大功率轧机电动机进行扩容，轧机电动机功率从800kW，额定电压660 V，额定转速900r／min，最高转速1500r／min扩容为1350kW，主传动电机为双绕组交流变频电机，额定电压690V、额定电流1410A，额定转速996r／min，最高转速1500r／min。交流变频全数字控制系统采用SIEMENS6SE70整流单元、逆变器加装制动单元和制动电阻的方案，配备通讯板，与上位PLC系统组成PROFIBUS-DP通讯网络，这样系统可大量减少连接电缆，降低工程造价，同时也大幅度提高了系统的可靠性、开放性。用交流变频全数字控制系统替代直流调速控制系统降低了日常对电机的维护量，降低了正常生产中的事故率，是主传动控制系统的发展方向。 2 系统设计与系统构成 2.1 棒材热连轧机的运行特点 棒材热连轧机主传动的负载类型是恒转矩、冲击负载。在精轧机组中，由于实现无张力轧制，控制时间短，要求调速系统的静/动态性能比较高，系统响应要有完好的快速性，上下游机架的调速性能要匹配。 由于精轧机组间均有活套，精轧主传动控制系统既要满足主轧线的速度级联控制的要求，又要满足活套套高位置闭环的控制要求，因此我们采用国际领先的智能型全数字控制系统和高速的PROFIBUS-DP工业现场总线，有效地解决了系统对快速性、可靠性、稳定性的要求，大幅度提升了系统的抗干扰能力。 2.2 交／直流控制系统对比 在电机功率确定后，最终采用了交流变频传动控制方案。交/直流控制系统对比如下。 直流调速控制简单，调速性能好，但是也存在以下缺点：①直流电动机结构复杂，成本高，故障多、维护困难，经常因火花大而影响生产；②换向器的换向能力限制了电动机容量和速度，直流电动机的极限容量和速度之积S＝10⁶kW•r／min，而本项目中S＝1350×1500＝2.025×10⁶kW•r／min＞10⁶kW•r／min，因此设计制造困难，甚至根本制造不出来；③为改善换向能力，要求电枢漏感小，转子短粗，导致GD²增大，影响系统的响应性能，此项目中在动态性能高的场合下，不得不采用双电枢或三电枢，带来造价高，占地面积大；④直流电动机除励磁外，全部输入功率都通过换向器流入电枢，电动机效率低，转子的散热条件差，冷却费用大。 交流电动机没有上述缺点，但调速困难。近年来，随着电力电子技术的发展，电力电子功率器件大功率化；变频装置的高性能化，早期的变频调速系统，基本上是采用Ｖ/ƒ控制方式，无法得到快速转矩响应，低速性能也不好（负载能力差）。现在高性能变频调速系统由于采用了“矢量控制”技术，使得交流调速的性能已达到直流传动的水平。虽然交流变频调速系统比直流调速系统投资成本高，但交流电动机投资要比直流电动机投资省。 2.3 电动机的选型 2.3.1 电动机容量计算 根据生产工艺和机械专业的要求，以及对过去经验数据的总结，以末架轧机为例，需要的轧制力矩折算到电机轴约为8000N•m，轧机工作辊径为336.918mm，减速比i＝1.214，电机转速为1300r／min，电机效率为0.96，对应最高轧制速度为19m／s，则要求电机功率为 式中：P_N为电动机额定功率，kW，T_N为额定力矩，N•m；n_N为电动机额定转速，r／min；η为电动机效率，％。 以上数据为轧制力矩对电机的要求，考虑到轧机和电机的空载损耗和电机的标准设计，最终确定电机型号为YPT560-6，额定功率1350kW，额定频率50Hz，频率范围0～85Hz，额定电压690V，额定电流1410A，额定转速996r／min，最高转速为1500r／min，电机效率为0.96，功率因数COSψ＝0.84。 2.3.2 交流变频电动机的要求 采用全数字变频器控制系统是利用脉宽调制技术（PWM）模拟正弦波，对电动机会产生一定的影响，因此选择电动机要充分考虑以下几个问题。 1）选择电动机要与变频调速系统设计综合考虑，就本系统而言，采用双绕组电动机就是考虑到变频器的功率单元是并联的。 2）变频器输出的电压波形是脉宽调制波（PWM），因此谐波分量大，输出谐波对电动机的影响主要有电动机附加发热、导致电动机的额外温升。 3）变频器输出电压变化du／dt对电动机绝缘的影响越来越严重。du／dt取决于两个方面：一是电压跳变台阶的幅值，它与变频器的电压等级和主电路结构有关；二是逆变器功率器件的开关速度，开关速度越高，du／dt越大。本系统属于二电平PWM电压型变频器，相电压的跳变达到直流母线电压为1.35×690＝931V，考虑到开关频率和线间电容对du／dt的影响，du／dt≤1100V／μs。 4）共模电压也称零序电压，是指电动机定子绕组的中心点与地之间的电压。共模电压中含有与开关频率相对应的高频分量，高频的电压分量会通过输出电缆和电动机的分布电容产生对地的高频漏电流，影响逆变器功率电路的安全。电动机通过产生的漏电流，一部分通过定子绕组和机壳之间的分布电容，再经过机壳流入地；另一部分通过绕组和转子之间的分布电容，经过轴承再到机壳，然后到地。后者的作用相当于轴电流，会引起电动机轴承的“电蚀”，影响电动机轴承的寿命。对轴电流的处理，目前成熟的技术是采取轴承绝缘的办法。为了进一步减少轴承电流，应使用屏蔽电动机电缆，并且电动机外壳应很好的接地。这种高频漏电流也是一种干扰源，对周围敏感的电子元件是噪声，如果使用屏蔽电动机电缆，也可以起到防噪声作用。 2.4 系统构成 2.4.1 系统组成 交流变频调速系统主要由整流变压器、整流单元、逆变器、制动单元和制动电阻组成，控制系统单线图如图1所示。整流单元把交流电转换为电压稳定的（根据工作方式和电压误差）直流电，为逆变器提供直流电。整流单元的功率部分由一个6脉冲晶闸管桥组成，它的控制系统是全数字调节器，由电压环和电流环双闭环组成，自动调节中间回路的电压。逆变单元利用PWM（脉宽调制）方法将中间回路直流电压生产一个三相交流变频系统；逆变器的功率部分由IGBT电力电子功率元件构成6脉动的变流电路，其中并联的6个二极管是电动机能量回馈电路，本系统中电动机为同相双绕组，而且电机功率较大，目前IGBT的容量有限，因此两个逆变器并联运行为它供电。逆变器控制系统是一个转子磁场定向的交流异步电动机矢量控制系统，虽然有两个功率单元，但只有一个控制系统，功率元件的驱动由相应同步电路处理。制动系统采用能耗制动方式，由制动单元和制动电阻组成，当电动机减速时，电动机的机械能转换成电能回馈到中间电容中，制动单元和制动电阻把回馈能量消耗掉，不会引起电容器过电压。 若采用单绕组电机，也可使用两个逆变器并联运行的方案，不过需要在逆变器的输出侧加装平衡电抗器用于实现2台逆变器的负载平衡。 根据棒材热连轧机的特点，从节能的角度出发，采用整流单元+公共直流母线+逆变器+制动单元+制动电阻的控制方案更为合理，但考虑到事故状态，整流单元或变压器、高压柜发生故障时，甩机架轧制不好进行处理，造成故障停车时间过长，损失更大。因此，此工程不采用公共直流母线控制方案更合理。 2.4.2 逆变器的选型和计算 根据生产工艺要求和电动机数据，负载电动机有1.15倍长期工作和1.5倍过载1min的能力。电动机长期工作电流＝1.15×1410＝1621.5A；电动机短期工作电流＝1.5×1410＝2115A。 根据变频器工作特性，如果不需要过载运行则变频器可长期运行在额定电流，如果要求过载则变频器只能长期工作在变频器额定电流的0.91倍。 如要求过载1.36倍，则过载运行时间为60s，周期300s。得出逆变器的额定电流I_un＝1621／0.91＝1781A；逆变器的过载电流I_max＝1.36×1621＝2204A。 根据电动机额定电压选择逆变器的电压等级为3AC 660～690V的逆变器。若选用SIEMENS公司的MASTER DRIVE 1500kW装置，则逆变器的额定电流I_un＝1580A；逆变器的基本电流I_baseload＝1438A；逆变器的过载电流I_max＝2149A；逆变器的输入电流I_in＝1738A。 由以上计算可以看出1500kW的逆变器能力稍显不足：长期运行过负载的系数＝1580／1410＝1.12≤1.15；短时过负载的系数＝2149／1410＝1.52＞1.5。 但是结合本项目4台轧机负荷并不是完全一样，出成品机架和不出成品机架的负荷是有区别的，为考虑备件的统一性，完成两台1600kVA整流变压器利旧，而且1.5倍的过载能力也是极限数据，是电动机的考核参数。因此选用1500kW逆变器。 2.4.3 制动单元选型和计算 当电动机减速或停机时，电动机将处于再生发电状态，系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，逆变器的6个回馈二极管将这种电能回馈到直流侧，这部分能量将导致中间回路的电容器电压上升，这种电压被称为“泵升”电压，当“泵升”电压超过电容器所允许的电压值时（保护值），系统就必须停止工作。 在本系统中采用<