1850mm六輥鋁冷軋機(jī)IEGT主傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

陳福利，黃曉峰，林清俊

1 生產(chǎn)線概述

該冷軋機(jī)生產(chǎn)線年生產(chǎn)能力5萬噸，產(chǎn)品厚度最薄為0.1mm，板材寬度為800到1710mm。最高軋制速度為1500m/min。主傳動(dòng)采用高壓異步電機(jī)，額定容量為4000kW，變頻器采用日本TMEIC公司生產(chǎn)的大功率IEGT變頻器。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 IEGT元件

IEGT（ Injection Enhanced Gate Transistor 的縮寫） 是注射增強(qiáng)型門極晶體管，是日本東芝公司生產(chǎn)的一種大功率電壓觸發(fā)型電力晶體管，其額定電壓為4500V,額定電流為4000A。與普通晶閘管只能控制開通不同， IEGT 元件既能控制開通，又能控制關(guān)斷，開關(guān)頻率為500Hz。

IEGT是一個(gè)三端器件，對外引出三個(gè)端子，分別為集電極C、發(fā)射極E、和柵極G，其基本結(jié)構(gòu)及圖形符號如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)及符號

IEGT是電壓驅(qū)動(dòng)帶MOS柵極能控制大電流的電力電子新器件。日本東芝公司開發(fā)的IEGT利用了電子注入增強(qiáng)效應(yīng)，通過采取增強(qiáng)注入的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了低通態(tài)電壓，使之兼有IGBT和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn)：低飽和壓降，寬安全工作區(qū)，低柵極驅(qū)動(dòng)功率（比GTO低兩個(gè)數(shù)量級）和較高的工作頻率。IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景（如能將單套IEGT變頻器的容量提高到12MVA以上，則會(huì)有很好的應(yīng)用及發(fā)展前景），具有低損耗、高速動(dòng)作、高耐壓、在源柵驅(qū)動(dòng)智能化等特點(diǎn)。

2.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)的控制對象

主傳動(dòng)系統(tǒng)控制的對象為4000kW的主電機(jī)。

傳動(dòng)設(shè)備因使用了高性能的速度測量工具－速度解析器（Resolver）使速度的控制精度達(dá)到了±0.01%。其轉(zhuǎn)矩控制精度為±10%，電流控制精度為±2%，速度的控制范圍為1:100,速度的數(shù)字量分辨率為1/25000。變頻器的整體效率可達(dá)98.5%。主電機(jī)的控制方式為速度控制。

圖2 主傳動(dòng)的水冷系統(tǒng)圖

2.3 純水冷卻單元

主傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖中畫出了主傳動(dòng)系統(tǒng)的冷卻回路及設(shè)備：傳動(dòng)柜由一進(jìn)一出的冷卻水管來冷卻，冷卻水管最終接至純水冷卻單元。

純水冷卻單元（如圖2右下方的虛線框）為一整體設(shè)備，其作用為帶走各相IEGT元件及水電阻的熱量。電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，IEGT元件的發(fā)熱量并不大，純水溫度上升較慢；當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，IEGT元件的發(fā)熱量增大，純水溫度上升較快，需要外接工業(yè)水經(jīng)熱交換器來冷卻純水。進(jìn)入變頻柜的純水允許的最高溫度為32℃，額定流量為1850L/min，由兩臺(tái)泵驅(qū)動(dòng)，開一備一。一臺(tái)泵因故障停轉(zhuǎn)后，另一臺(tái)自動(dòng)啟動(dòng)，純水流量低于1530L/min時(shí)報(bào)故障。工業(yè)水的額定流量2000L/min，允許的最低流量1700L/min，經(jīng)容量為844kW的熱交換器冷卻純水，進(jìn)入熱交換器的工業(yè)水允許的最高溫度為33℃，其溫度用溫度計(jì)來測量。進(jìn)入變頻柜的純水允許的最高溫度為41℃，其溫度由電阻溫度傳感器RTD來測量。純水冷卻單元的上方有一儲(chǔ)水槽，容量150L，用于補(bǔ)充純水管道中的純水，并帶有液位檢測，40L和80L分別液位的報(bào)警點(diǎn)和故障點(diǎn)。純水冷卻單元的任何故障都會(huì)使變頻器報(bào)故障從而使主電機(jī)停轉(zhuǎn)。

2.4 電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（MPS）

電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)MPS的主要作用是保護(hù)電機(jī)，其控制系統(tǒng)的PLC為東芝V系列PLC，控制系統(tǒng)由以下模塊組成： RTD數(shù)字量輸入模塊RT318，模擬量輸入模塊AD338，數(shù)字量輸入模塊DI334，繼電器輸出模塊RO363S，東芝V系列PLC模塊S3PU55， Profibus DP從模塊PF312， I/O總線模塊IF721，I/O總線模塊EN751。

1）主電機(jī)上裝有電阻溫度傳感器RTD（其測量范圍為-50℃～270℃），其反饋信號接入RT318模塊（其計(jì)數(shù)值為800～4000，即0.1℃/計(jì)數(shù)）來完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，用來顯示主電機(jī)定子、軸承的溫度。主電機(jī)定子溫度的報(bào)警值和故障值分別為140℃和150℃，軸承溫度的報(bào)警值和故障值分別為90℃和95℃，當(dāng)定子或軸承的溫度超過了此報(bào)警值或報(bào)故障值，MPS斷開與傳動(dòng)柜的聯(lián)鎖，通過傳動(dòng)柜報(bào)聯(lián)鎖故障使主電機(jī)停轉(zhuǎn)。

2）使能與主傳動(dòng)啟動(dòng)和運(yùn)行聯(lián)鎖，當(dāng)這些聯(lián)鎖不滿足時(shí)，主電機(jī)不能啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)。

啟動(dòng)聯(lián)鎖：定子的三相溫度值、軸承的溫度值。當(dāng)以上溫度值分別低于定子、軸承的報(bào)警值時(shí)，主傳動(dòng)可以起動(dòng)。

運(yùn)行聯(lián)鎖：主電機(jī)的高、低壓滑泵的壓力，主電機(jī)低壓潤滑流量，主電機(jī)風(fēng)扇及高低壓潤滑泵是否啟動(dòng)。以下條件之中若有1個(gè)不滿足，即破壞了主電機(jī)運(yùn)行聯(lián)鎖，主電機(jī)因MPS報(bào)聯(lián)鎖故障而停轉(zhuǎn)。聯(lián)鎖條件為主電機(jī)機(jī)潤滑的高壓壓力＜5.6MPaG，低壓潤滑壓力＜0.11MPaG，或低壓潤滑油流量＜137L/min，主電機(jī)風(fēng)扇及高低壓潤滑泵沒有啟動(dòng)。

3 自身保護(hù)功能

3.1 電流相關(guān)的保護(hù)

交流過電流：變頻器的輸出電流超過設(shè)定值時(shí)，檢測到過電流并且瞬時(shí)跳閘。

IEGT過電流：電壓型的變頻器中，同一相的兩個(gè)IEGT同時(shí)導(dǎo)通會(huì)導(dǎo)致大電流流過IEGT，已充電的電容被IEGT元件短路，造成瞬時(shí)跳閘。

過負(fù)荷：傳動(dòng)執(zhí)行輸出5分鐘及20分鐘的均方根值的計(jì)算，若此值超過設(shè)定值，則報(bào)過負(fù)荷。5分鐘及20分鐘過負(fù)荷故障值由正式給出：

OL：過負(fù)荷率

T：過負(fù)荷時(shí)間（s）

如在過負(fù)荷150%-60s時(shí)，5minRMS=111.8%，20minRMS=103.1%。

電流限幅定時(shí)器：在任意預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)電流達(dá)限幅值。

堵轉(zhuǎn)：低頻過負(fù)荷。

3.2 電壓保護(hù)

直流過電壓：直流電壓超過設(shè)定值。

直流低電壓：直流電壓低于設(shè)定值。

3.3 電機(jī)的速度的保護(hù)

過速：電機(jī)速度超過預(yù)定速度。

過頻：輸出頻率超過設(shè)定頻率值。

速度檢測故障：速度傳感器故障時(shí)及反饋速度與給定速度之差超過設(shè)定值及其延遲時(shí)間。

3.4 控制回路及電源

控制電源故障：控制電源電壓低于設(shè)定的控制電源檢測等級。

門極電源故障：此門極電源由控制電源經(jīng)門極板上的脈沖變壓器提供，門極板故障時(shí)報(bào)此故障。

熔絲燒毀：發(fā)生短路時(shí)熔絲燒毀以阻止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，熔絲燒毀由微動(dòng)開關(guān)檢測。

輸出接觸器斷開：輸出接觸器應(yīng)閉合但斷開時(shí)報(bào)此故障。

CPU故障：執(zhí)行控制操作時(shí)檢測到了微處理器故障，主板上的CPU故障由硬件檢測以保護(hù)CPU。

通訊故障：L1與傳動(dòng)的通訊及傳動(dòng)間的通訊出現(xiàn)故障。

預(yù)充電故障（F_PRE）：預(yù)充電回路提供了一個(gè)保險(xiǎn)絲以阻止短路故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

接地故障：接地回路提供了一個(gè)保險(xiǎn)絲以阻止接地故障進(jìn)一步擴(kuò)大，保險(xiǎn)絲燒毀由微動(dòng)開關(guān)檢測。

3.5 與電機(jī)和抱閘相關(guān)的保護(hù)

溫度來保護(hù)電機(jī)，電機(jī)溫度超過設(shè)定值時(shí)（電機(jī)定子：155℃，電機(jī)軸承：95℃）。電機(jī)溫度檢測器故障：電機(jī)溫度超過200℃時(shí)。電機(jī)風(fēng)扇停轉(zhuǎn)：電機(jī)的風(fēng)扇未啟動(dòng)或因故障停轉(zhuǎn)時(shí)。

電磁抱閘回路故障：電磁抱閘的勵(lì)磁回路出現(xiàn)故障時(shí)。

3.6 操作相關(guān)的保護(hù)

外部設(shè)備電氣準(zhǔn)備好條件：變頻器運(yùn)行的聯(lián)鎖信號。此信號斷開時(shí)，變頻器停止運(yùn)行。

外部聯(lián)鎖：來自于外部設(shè)備的運(yùn)行聯(lián)鎖信號，此信號為一硬件或串行通訊信號。

柜門安全開關(guān)：柜門上的聯(lián)鎖開關(guān)，通過此開關(guān)，可從柜門上使變頻器停止運(yùn)行。

3.7 預(yù)充電相關(guān)的保護(hù)

預(yù)充電故障：檢測到預(yù)充電故障（預(yù)充電回路接觸器或熔絲燒毀）。

3.8 接地檢測相關(guān)的保護(hù)

整流器接地檢測：接地回路與主回路帶高壓阻抗接地且檢測異常電流時(shí)。

整流器接地檢測定時(shí)器：檢測到接地回路中出現(xiàn)異常電流時(shí)。

4 特點(diǎn)

4.1 高性能和多功能

1）采用了功率電子控制的專用高性能微處理器（PP7），實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)功能；

2）1ms速度控制采樣時(shí)間；

3）采用了高分辨率R/D整流器；

4）裝有高速光纖數(shù)據(jù)通信裝置（TOSLINE-20）；

5）最快1 m s的掃描傳輸，可裝載與MELPLAC，ISBus的傳輸。通過Profibus-DP，Device-Net，可與其他公司的PLC連接；

6）對于同步電機(jī)、鼠籠式感應(yīng)電機(jī)均可實(shí)現(xiàn)高精度矢量控制 ；

7）適用于功率因數(shù)1的控制。

4.2 高電壓、大容量

1）高電壓、大容量IEGT功率模塊及三電平PWM控制的采用，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓最大可達(dá)3.4KV；

2）比原產(chǎn)品更高效率，小型化；

3）2組合（2 Bank）、3組合（3 Bank）、4組合（4 Bank）的并聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)了大容量化。

4.3 易維護(hù)

1）充實(shí)的維護(hù)監(jiān)控功能備有小型化，多功能操作面板。通過維護(hù)軟件工具，可對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控及調(diào)試；

2）大容量功率模塊的使用，使使用的元件數(shù)量得以減少；

3）完備的設(shè)備保護(hù)功能；4）軟件和硬件雙重保護(hù)。

5 傳動(dòng)控制

圖3 逆變器控制塊圖

5.1 速度控制

在傳動(dòng)控制中，主要使用速度控制回路進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由主PLC發(fā)給主傳動(dòng)的速度給定信號經(jīng)傳動(dòng)處理后形成自身的速度給定SP_R。此速度給定信號與編碼器的速度反饋信號SP_F作差，差值經(jīng)比例/積分運(yùn)算后輸出，此輸出再經(jīng)速度濾波和轉(zhuǎn)矩限幅處理后形成轉(zhuǎn)矩給定SFC_T_R。

速度控制的另一路是將上述傳動(dòng)自身形成的速度給定SP_R作比例運(yùn)算，并與編碼器的速度反饋信號SP_F經(jīng)比例運(yùn)算后的值作差，得一差值A(chǔ); 傳動(dòng)自身形成的速度給定SP_R與速度反饋信號SP_F作差，此差值經(jīng)死區(qū)及積分運(yùn)算后得差值B。差值A(chǔ)、B的和與慣量及慣量的乘積之積再加上轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償即得張力控制的轉(zhuǎn)矩信號T_R。此功能只有在選擇了張力控制時(shí)才有效。且當(dāng)機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或電機(jī)軸發(fā)生共振時(shí)，控制響應(yīng)降低。

5.2 張力控制

如果使用張力控制，由速度控制的結(jié)果計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩給定信號TRQ_REF（SFC_T_R與轉(zhuǎn)矩給定輸入EXT_TRQ求和得到的）與外部轉(zhuǎn)矩給定TRNS_R（L1發(fā)給傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩給定TENS_R1與附加轉(zhuǎn)矩給定TENS_R_A之和）比較后再經(jīng)選擇控制（即經(jīng)取最大值或最小值的運(yùn)算）即得傳動(dòng)自身的轉(zhuǎn)矩給定信號T_R。在此可選擇的控制中，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)和用速度控制回路功能作為速度限幅過程中，運(yùn)算是基于TENS_R作為轉(zhuǎn)矩給定的（在卷繞機(jī)械中運(yùn)算是基于外部轉(zhuǎn)矩給定的。然而，出現(xiàn)斷帶時(shí)，運(yùn)算則變?yōu)樗俣瓤刂七\(yùn)算）。

5.3 轉(zhuǎn)矩控制

我們知道，在卷繞機(jī)械中，帶材以一定的張力來控制的，而此張力是靠電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)的。因此，主PLC計(jì)算電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩給定，傳動(dòng)設(shè)備根據(jù)此轉(zhuǎn)矩給定來控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。另外，當(dāng)一鋼卷卷取結(jié)束及另一卷卷取開始時(shí)是由速度控制來實(shí)現(xiàn)的。如果來自主PLC的轉(zhuǎn)矩給定出現(xiàn)故障，如出現(xiàn)斷帶時(shí)，將導(dǎo)致過速故障。此時(shí)，控制模式自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣瓤刂啤?/p>

5.4 IQ控制

轉(zhuǎn)矩給定是速度控制輸入的結(jié)果，除以磁通量即可得到IQ給定。此IQ給定和經(jīng)檢測得到的IQ反饋輸入到D/Q電流控制中，經(jīng)比例積分運(yùn)算后得到一結(jié)果A，感應(yīng)電壓補(bǔ)償和電抗補(bǔ)償加到此結(jié)果A上即到EQ給定。

5.5 ID控制

根據(jù)速度給定可以得到磁通量給定，根據(jù)此磁通量給定即可得到ID給定。此ID給定和經(jīng)檢測得到的ID反饋輸入到D/Q電流控制中，經(jīng)比例積分運(yùn)算后得到一結(jié)果B，感應(yīng)電壓補(bǔ)償和電抗補(bǔ)償加到此結(jié)果B上即到ED給定。

5.6 PWM控制

PWM控制是我們所熟悉的，即用于輸出基于每相電壓給定所對應(yīng)的門極脈沖信號。

6 結(jié)束語

世界上生產(chǎn)高壓大功率變頻的知名廠家有多個(gè)，所生產(chǎn)的變頻器也各具特色。本文介紹了我公司1850mm六輥冷軋機(jī)主傳動(dòng)的控制系統(tǒng)的各組成部分及其功能，傳動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)功能及特點(diǎn)，并簡要描述了其主要的控制功能的實(shí)現(xiàn)過程。