2500mm中厚板主傳動控制系統(tǒng)設(shè)計與分析

陳大力，梅軍進(jìn)，王忠連

（1. 廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，韶關(guān) 512126；2. 黃石理工學(xué)院，黃石 435003 3. 韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)有限公司，曲江 512123 ）

0 引言

韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)某軋鋼廠中板改造工程中主軋機(jī)傳動由原來的兩臺2500kW的直流電動機(jī)改為兩臺4200kW交－交變頻同步電機(jī)，R1上/下輥整流變壓器容量8400KVA。主整流變壓器均采用原、副邊三分裂繞組油浸式變壓器。兩臺整流變壓器接法錯開300以減少高次諧波[1]；上/下輥勵磁變壓器分別為一臺副邊雙分裂繞組油浸式變壓器，容量1000KVA。軋機(jī)主傳動電機(jī)主要參數(shù)如下：

1 同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示，交流同步電機(jī)采用自同步控制方式，定子電流由磁場定向控制系統(tǒng)分解為兩個獨立的直流分量，即電流的轉(zhuǎn)矩分量IM和激磁分量IT。與直流調(diào)速相同,轉(zhuǎn)矩分量設(shè)定值由速度調(diào)節(jié)器決定，激磁分量設(shè)定值由電機(jī)功率因數(shù)COSφ及電流模型計算出來。與同步電機(jī)同軸相聯(lián)的光電編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號Cosλ和Sinλ，由轉(zhuǎn)子模型單元計算出負(fù)載角Cosδ和Sinδ，以及勵磁電流給定值Ifd。轉(zhuǎn)子位置角λ與負(fù)載角δ相加可得磁場定向旋轉(zhuǎn)角Φ。根據(jù)當(dāng)前電機(jī)運行的實際反饋值及系統(tǒng)設(shè)定值，計算出給定電流的轉(zhuǎn)矩分量及激磁分量，給定電壓的轉(zhuǎn)矩分量和激磁分量，再經(jīng)過矢量的旋轉(zhuǎn)變換和2/3變換，形成三相定子電流給定值Ia、Ib、Ic ，這些值送入帶電流斷續(xù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)， 電壓前饋控制的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)[2,3]。

表1 4200kW交－交變頻同步電動機(jī)電機(jī)參數(shù)

2 SIMADYN D控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用西門子公司的SIMADYN D全數(shù)字控制系統(tǒng)實現(xiàn)電機(jī)控制，并以通訊線加以連接，在系統(tǒng)中實現(xiàn)監(jiān)視和統(tǒng)一管理。SIMADYN D控制系統(tǒng)完成電機(jī)的調(diào)速控制，包括同步電機(jī)的矢量控制、電機(jī)的啟?？刂坪碗姍C(jī)保護(hù)，建立了通訊網(wǎng)將SIMADYN D設(shè)備及上位機(jī)有機(jī)地連接起來，實現(xiàn)本地現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，故障顯示、診斷及綜合控制和集中管理[4]。

圖1 同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)

SIMADYN－D控制系統(tǒng)包括一套完整的硬件及軟件，系統(tǒng)圖如圖2所示：主機(jī)箱為24插槽(SR24.1)，系統(tǒng)接收光電碼盤反饋回的速度及位置信號，在PM6模板內(nèi)完成速度控制及工藝運算，在另一PM6模板內(nèi)完成矢量變換控制運算，然后形成定子三相電流的設(shè)定值及轉(zhuǎn)子激磁設(shè)定值，輸入給EP22及PM6+ITDC模板，由EP22進(jìn)行三相電流調(diào)節(jié)運算，由PM6+ITDC模板完成轉(zhuǎn)子激磁電流調(diào)節(jié)運算。并輸出晶閘管功率柜的觸發(fā)脈沖，通過晶閘管功率柜控制同步電機(jī)，具體硬件配置如下：

機(jī)箱：提供24個槽位用于插裝標(biāo)準(zhǔn)模板，并提供兩個內(nèi)部通訊總線，實現(xiàn)硬件模板之間的內(nèi)部通訊。

微處理器模板：根據(jù)處理器的不同功能，選配三塊處理器模板PM6及一種專用的電流調(diào)節(jié)處理器模板EP22，實現(xiàn)如下功能：

P1_PM6：通用處理器模板，用于速度控制。

P2_PM6：通用處理器模板，用于矢量運算。

EP22：特殊處理器模板，專門用于定子電流調(diào)節(jié)。

P3_PM6：通用處理器模板，用于勵磁電流控制及輯控制和保護(hù)功能。

輸入輸出模板：選配輸入輸出板EA12、EB11，其中：

EA12用于模擬量的輸出

EB11用于數(shù)字量的輸入輸出

通訊緩沖板：選用MM11通訊緩沖板，它支持L及C兩種系統(tǒng)總線。

通訊板：選用CS7作為通用通訊模塊，其上配置不同通訊子板完成不同通訊功能。

軟件存儲子板：選用MS5存儲器。

系統(tǒng)中采用CS7通訊模板，一方面通過PROFIBUS聯(lián)網(wǎng)高壓室及電機(jī)室的遠(yuǎn)程站（ET200）交換高壓開關(guān)、操作信號及電機(jī)保護(hù)等信息。并接受上位機(jī)的監(jiān)控。另一方面通過這一模板對各處理器進(jìn)行編程。

3 SIMADYN D控制系統(tǒng)軟件功能

SIMADYN D控制系統(tǒng)實現(xiàn)交交變頻同步電機(jī)矢量變換運算。通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)與遠(yuǎn)程I/O站的數(shù)據(jù)交換，SIMADYN D設(shè)備與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸以及與用于實現(xiàn)故障診斷、運行監(jiān)控畫面之間的信息傳遞由通訊網(wǎng)絡(luò)完成。

SIMADYN-D軟件同樣具有模塊化的靈活特點，目前使用的STRUC軟件為STRUC-G V4.2.X版。其特點在于所有編程工作均為圖形化，而且包容量大。工程中主要應(yīng)用的控制軟件有：

圖2 SIMADYN D控制系統(tǒng)

功能塊(FB):功能塊是控制軟件中的最小單元，它是實現(xiàn)各種控制的基礎(chǔ)，目前STRUC提供的功能塊有很多種，如閉環(huán)控制功能塊，大功率直流傳動控制功能塊，數(shù)學(xué)運算功能塊，邏輯運算功能塊，輸入輸出功能塊，通訊功能塊，信號轉(zhuǎn)換功能塊，診斷服務(wù)功能塊等。

功能包(FP):功能包是由功能塊組成，并依據(jù)實際應(yīng)用要求加以連接編輯的功能框圖。每個功能包可以有99頁，在每頁上調(diào)用及編輯4-5個功能塊，因此每個功能包最多有495個功能塊。

主程序(MP):依據(jù)SIMADYN-D硬件配置，設(shè)置其相應(yīng)的軟件參數(shù)，是SIMADYN-D軟件運行的基礎(chǔ)和前提。

SIMADYN D具有以下功能:速度控制；電樞電流控制；矢量控制 ；磁場控制；順序控制功能；扁頭定位功能；負(fù)荷平衡控制；本地操作及信息的顯示功能；故障情況下傳動系統(tǒng)的急停和快停；電樞控制的邏輯無環(huán)流切換；參變量的切換。

4 控制系統(tǒng)通訊

SIMADYN D控制系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)框圖如圖3所示。

SIMADYN D本地通訊

SIMADYN D配置CS7通用通訊板，SS52通訊子板掛靠在CS7通訊板完成本地通訊任務(wù)：

實現(xiàn)SIMADYN D通過現(xiàn)場總線與遠(yuǎn)程I/O ET200之間的數(shù)據(jù)傳輸，完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及控制信號傳送。為每臺軋機(jī)的控制裝置選配兩套ET200遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，分別完成高壓側(cè)與電機(jī)側(cè)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。

圖3 SIMADYN D控制系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)框圖

信息管理及系統(tǒng)監(jiān)控：為每臺SIMADYN D控制設(shè)備配置兩塊通訊子板SS4。一塊SS4實現(xiàn)SIMADYN D 與調(diào)試用PC機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，支持Service IBS服務(wù)軟件的在線訪問，以協(xié)助現(xiàn)場調(diào)試。另一塊SS4與SIEMENS公司專用操作面板OP2N進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)信息管理及傳動系統(tǒng)的故障收集、顯示、診斷以及對系統(tǒng)運行狀態(tài)的顯示。完成運行參數(shù)監(jiān)視、故障報警、開環(huán)調(diào)試運行等功能。

系統(tǒng)過程控制通訊：每臺SIMADYN D控制設(shè)備配置SS52通訊子板，支持SINEC L2-DP通訊協(xié)議，通過SINEC L2-DP網(wǎng)絡(luò)完成與上位機(jī)的通訊，實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的控制。

5 主要保護(hù)裝置

5.1 過電壓保護(hù)

定子回路過電壓保護(hù)：變壓器二次側(cè)安裝RC吸收及高能壓敏電阻吸收，吸收變壓器操作及高壓開關(guān)動作過電壓。變頻器輸出側(cè)安裝RC吸收及高能壓敏電阻吸收，吸收電機(jī)啟停及變頻器升降過電壓。晶閘管元件設(shè)置RC電路吸收換向過電壓。設(shè)置電子過電壓保護(hù)，用LEM電壓互感器檢測電壓值。當(dāng)電壓超過1.4倍額定電壓時，封鎖系統(tǒng)，跳閘保護(hù)。

轉(zhuǎn)子回路過電壓保護(hù)：轉(zhuǎn)子晶閘管整流電路設(shè)置變壓器二次側(cè)高能壓敏電阻，晶閘管元件RC吸收及直流輸出側(cè)RC吸收電路，保護(hù)晶閘管不過壓損壞。轉(zhuǎn)子回路安置了可控硅滅磁系統(tǒng)和常接電阻，防止轉(zhuǎn)子回路開路或定子在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)造成過電壓。

設(shè)置電子過電壓保護(hù)，用LEM電壓互感器檢測轉(zhuǎn)子電壓值。當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓值超過1.3倍uemax時，控制系統(tǒng)封鎖并跳閘保護(hù)。

5.2 過電流保護(hù)

定子過電流保護(hù)：電機(jī)額定電流 IN

最大電流，考慮電機(jī)過載倍數(shù)

電機(jī)過負(fù)荷跳閘：電機(jī)堵轉(zhuǎn)，當(dāng)電流達(dá)到最大值 Imax 超過60S時，控制系統(tǒng)發(fā)出封鎖信號，停車保護(hù)。電機(jī)瞬時跳閘：I = 1.3*Imax 時，高壓開關(guān)動作。

轉(zhuǎn)子過電流保護(hù)：轉(zhuǎn)子額定電流 IeN

轉(zhuǎn)子最大電流 Iemax = 2.5 IEn；當(dāng)轉(zhuǎn)子電流值達(dá)到Iemax 超過 t= 60s , 控制系統(tǒng)封鎖；當(dāng)轉(zhuǎn)子電流值達(dá)到I≥1.3 I emax，轉(zhuǎn)子開關(guān)動作。

5.3 過速度保護(hù)

交流同步電機(jī)軸端裝有測速裝置。

- 額定轉(zhuǎn)速 nN

- 最高轉(zhuǎn)速 nmax

n = 110% nmax ，超速報警。

n = 115% nmax ，超速跳閘。

6 結(jié)論

2500mm中厚板交交變頻主傳動系統(tǒng)的運行技術(shù)指標(biāo)如下：變頻器額定容量：9000kVA；變頻器輸出電壓：0～1650V；變頻器輸出頻率：0～12Hz；變頻器過載能力：115%；長期；200 %，1分鐘；靜態(tài)調(diào)速精度：≤±0.01 %；速度控制響應(yīng)時間：≤80mS；電流控制響應(yīng)時間：≤10mS；動態(tài)速降：≤0.25%S；變頻器綜合效率：98.5%；主軸定位精度：±0.5度；上、下輥負(fù)荷平衡滿足工藝要求。

[1] 葉志浩,張曉鋒,李紅江,楊鋒,等.交交變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)諧波轉(zhuǎn)矩分析[J].武漢理工大學(xué)報,2005,29(6):943-946

[2] 彭建飛,王樹錦,徐麗榮,劉曉龍.基于DSP的單相無環(huán)流交交變頻控制系統(tǒng)研制[J].電力電子技術(shù),2009,40(9):54-57.

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