ACS 6000SD變頻器在粗軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

王成鎮(zhèn)，陳錦標(biāo)

（濟(jì)南鋼鐵股份有限公司中厚板廠，山東 濟(jì)南 250101）

ACS 6000SD變頻器在粗軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

王成鎮(zhèn)，陳錦標(biāo)

（濟(jì)南鋼鐵股份有限公司中厚板廠，山東 濟(jì)南 250101）

濟(jì)鋼中厚板廠3 500線粗軋機(jī)改造主傳動(dòng)系統(tǒng)采用ACS 6000SD變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的整流側(cè)和逆變側(cè)采用了對(duì)稱結(jié)構(gòu)，降低了維護(hù)難度；采用了IGCT技術(shù)，保證了系統(tǒng)的性能響應(yīng)；使用了DTC技術(shù)，提高了系統(tǒng)的魯棒性。這種交直交系統(tǒng)做到了對(duì)電網(wǎng)的最少諧波運(yùn)行，既減少了對(duì)電網(wǎng)的污染，又省去了無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的投資。

變頻器；粗軋機(jī)；主傳動(dòng)；DTC；IGCT

1 前言

濟(jì)鋼中厚板廠3 500生產(chǎn)線改造工程是濟(jì)鋼的重點(diǎn)項(xiàng)目，3 500線原設(shè)計(jì)是雙機(jī)架，粗軋機(jī)是1997年引進(jìn)的二手設(shè)備，精軋機(jī)于2001年引進(jìn)西門(mén)子技術(shù)，雙機(jī)架年產(chǎn)量達(dá)200萬(wàn)t。隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提升，粗軋機(jī)的低軋制力越來(lái)越成為突出的問(wèn)題，濟(jì)鋼決定對(duì)3 500線粗軋機(jī)進(jìn)行改造?；A(chǔ)自動(dòng)化及過(guò)程自動(dòng)化采用西門(mén)子技術(shù)，主傳動(dòng)采用ABB公司的交直交傳動(dòng)ACS 6000SD系統(tǒng)，電機(jī)為7 000 kW同步電動(dòng)機(jī)。之所以采用ABB ACS 6000SD設(shè)備，主要考慮了交直交系統(tǒng)不用SVC無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)（空間狹窄無(wú)法安裝SVC設(shè)備）和DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制）技術(shù)。

2 主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)參數(shù)

主傳動(dòng)所采用的變頻器為ABB公司的ACS 6000SD產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)粗軋機(jī)主傳動(dòng)的2臺(tái)7 000 kW的同步電動(dòng)機(jī)，同步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)是：額定電壓3 050 V，額定電流2×695 A，16極，頻率為5.33～10.67 Hz，定子采用YY接法。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝需求及同步電動(dòng)機(jī)的要求，ACS 6000SD的技術(shù)數(shù)據(jù)如下：額定輸入電壓AC 3 160 V（±10％），電流2×1 650 A，頻率為50 Hz；額定輸出電壓0～3 300 V，額定電流為2×1 650 A，最大輸出電流為2×2 050 A；系統(tǒng)控制精度：動(dòng)態(tài)速降為0.15％，功率因數(shù)為1.0。

2.2 主回路結(jié)構(gòu)

ABB公司的ACS 6000SD系列產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。每套系統(tǒng)由2個(gè)有源整流單元（ARU）、2個(gè)逆變單元（INU）、2個(gè)電容單元（CBU）、1個(gè)終端單元（TEU）、2個(gè)控制單元（COU）、1個(gè)電壓限幅單元（VLU）、1個(gè)水冷單元（WCU）和1個(gè)勵(lì)磁單元（EXU）組成。

整流單元（ARU）是采用IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor，集成門(mén)極換流晶閘管）技術(shù)的自換流6脈沖3電平電壓型PWM整流器，2個(gè)整流單元組合成12脈沖系統(tǒng)；ARU將變壓器的二次側(cè)交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷?，用于給直流回路的電容充電，使直流回路的電壓保持恒定，根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行模式（電動(dòng)或制動(dòng)），ARU從電網(wǎng)獲取能量或向電網(wǎng)注入能量來(lái)實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)；ARU和INU是完全等同的，都具有一個(gè)交流端和直流端，直流側(cè)都連接到直流回路的電容上（CBU），因此系統(tǒng)是對(duì)稱的，在電動(dòng)時(shí)ARU的運(yùn)行就是一個(gè)制動(dòng)的INU，在制動(dòng)時(shí)ARU的運(yùn)行就是一個(gè)電動(dòng)的INU；ARU與INU唯一不同的是ARU單元中增加了ASE抗飽和裝置，這是為了防止進(jìn)線三相不平衡而使變壓器進(jìn)入飽和狀態(tài)形成過(guò)熱現(xiàn)象。

其主回路設(shè)計(jì)采用了整流側(cè)和逆變側(cè)完全對(duì)稱的“背靠背”形式，實(shí)現(xiàn)了全功率的四象限運(yùn)行，可以在減速或停車(chē)時(shí)全功率向電網(wǎng)回饋能量，從而大量節(jié)能，滿足了粗軋機(jī)主傳動(dòng)可逆軋制的要求，同時(shí)這種整流側(cè)和逆變側(cè)相同的對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式，也減少了備件種類(lèi)和數(shù)量，節(jié)省了運(yùn)行成本。

COU單元具有監(jiān)控整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的功能，是ACS 6000SD控制系統(tǒng)的大腦，柜內(nèi)安裝有處理單元AMC34模板和INT模板，AMC34通過(guò)INT來(lái)控制IGCT的導(dǎo)通和關(guān)閉，具有與上位控制的接口，電機(jī)上的編碼器以及合、分閘等一些邏輯控制也在此單元。

CBU是用來(lái)平滑中間直流回路電壓，并將整流器和逆變器解耦，包括直流回路電容器、充電回路和接地開(kāi)關(guān)。

VLU是在過(guò)壓情況下，可以實(shí)時(shí)地對(duì)直流回路電容進(jìn)行放電，降至額定電壓水平。

系統(tǒng)中整流側(cè)及逆變側(cè)主回路器件采用了水冷散熱單元（WCU）進(jìn)行冷卻。純水冷卻方式縮小了系統(tǒng)體積，避免了強(qiáng)迫風(fēng)冷方式容易造成的粉塵積累及絕緣下降問(wèn)題。

主傳動(dòng)電機(jī)采用同步變頻電動(dòng)機(jī)，其勵(lì)磁采用晶閘管三相全控橋式供電，勵(lì)磁主回路（EXU）也采用了純水冷卻形式。

3 控制系統(tǒng)組成

3.1 控制系統(tǒng)

ACS 6000SD的控制系統(tǒng)采用全數(shù)字控制、檢測(cè)和保護(hù)，采用分布式結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)完全支持功率單元的模塊化設(shè)計(jì)和快速可靠的信號(hào)傳遞，采用了DTC和PWM技術(shù)，控制主回路中的逆變單元（INU）和整流單元（ARU）中IGCT產(chǎn)生的不同頻率的三電平電壓，是全數(shù)字交直交變頻控制系統(tǒng)；ARU、INU柜內(nèi)設(shè)有快速短路檢測(cè)板（FSCD）來(lái)檢測(cè)主功率回路是否發(fā)生短路，電壓電流測(cè)量接口板（CVMI）、高壓分配板（HVD）測(cè)量的直流電壓、電流信號(hào)和來(lái)自交流電流互感器的信號(hào)，在電壓電流測(cè)量接口板（CVMI）上被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)光纖傳輸?shù)浇涌诎澹↖NT），再傳給AMC34板，供系統(tǒng)控制。

該主傳動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、調(diào)速精度高、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、保護(hù)功能完善、功率因數(shù)高。另外，外部的信號(hào)如電機(jī)風(fēng)機(jī)、電機(jī)軸瓦溫度、主機(jī)潤(rùn)滑壓力、繞組溫度、與一級(jí)的接口等由AC800M來(lái)負(fù)責(zé)管理和監(jiān)控，AC800M通過(guò)DDCS方式與AMC34通訊控制。

3.2 IGCT[1]

IGCT是1996年問(wèn)世的一種新型半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。該器件是將門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路與門(mén)極換流晶閘管GCT集成于一個(gè)整體形成的。門(mén)極換流晶閘管GCT是基于GTO（Gate Turn-off Thyristor，門(mén)控晶閘管）結(jié)構(gòu)的一種新型電力半導(dǎo)體器件，不僅有與GTO相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGBT相同的開(kāi)關(guān)性能，即GTO和IGBT相互取長(zhǎng)補(bǔ)短的結(jié)果，是一種較理想的兆瓦級(jí)、中壓開(kāi)關(guān)器件。

IGCT大功率元件應(yīng)用于ACS 6000系統(tǒng)的ARU和INU中，從硬件上看ARU和INU模塊單元是一樣的，具有高封鎖電壓、低切換損失、高切換頻率、無(wú)緩存儲(chǔ)器、低傳導(dǎo)損失的快速切換技術(shù)，因而可以簡(jiǎn)化電子元器件數(shù)量，提高操作可靠性。ACS 6000SD 2個(gè)ARU組合整流和2個(gè)INU組合逆變單元中每個(gè)單元都含有3個(gè)相模塊，每個(gè)相模塊有4個(gè) IGCT組成。

3.3 DTC[2]

DTC技術(shù)相對(duì)于PWM調(diào)制技術(shù)和矢量控制技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間比矢量控制或PWM調(diào)制控制方式快很多，直接轉(zhuǎn)矩控制的響應(yīng)時(shí)間為25 μs，矢量控制或PWM調(diào)制控制的響應(yīng)時(shí)間為1～3 ms。原因是DTC控制回路里無(wú)固定的電機(jī)模型，其計(jì)算依據(jù)是一個(gè)自適應(yīng)的電機(jī)模型。

2）DTC是直接對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)進(jìn)行控制，力矩、磁場(chǎng)在每一循環(huán)均受控，用軟件進(jìn)行的觸發(fā)計(jì)算，不受固定模型控制，計(jì)算依據(jù)自適應(yīng)電機(jī)模型，以電機(jī)的基本固有數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行設(shè)置。直接轉(zhuǎn)矩控制是交流傳動(dòng)方面獨(dú)特的電機(jī)控制方式，逆變器的導(dǎo)通與關(guān)斷由電機(jī)的核心變量磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制，因此具有最小的轉(zhuǎn)矩紋波、精確的靜態(tài)速度和轉(zhuǎn)矩控制。

ACS 6000SD的DTC功能就是在運(yùn)行過(guò)程中，將實(shí)際測(cè)量的電機(jī)電流值、電機(jī)電壓值、IGCT開(kāi)關(guān)位置量送入電機(jī)模型中進(jìn)行計(jì)算，得出精確的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁通，送入轉(zhuǎn)矩與磁通比較模塊，同時(shí)計(jì)算出當(dāng)前實(shí)際速度值，并將其送入速度控制模塊，并與由電機(jī)模型計(jì)算出的當(dāng)前實(shí)際速度值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，所得結(jié)果送入轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器；同時(shí)給定的轉(zhuǎn)矩值也會(huì)送入轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器與速度控制模塊的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、調(diào)節(jié)，結(jié)果送入轉(zhuǎn)矩磁通比較器，與電機(jī)模型所計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩、磁通進(jìn)行比較，最終得到逆變器IGCT的最佳觸發(fā)時(shí)間與最優(yōu)的開(kāi)關(guān)位置，然后由觸發(fā)邏輯功能塊發(fā)出執(zhí)行命令。簡(jiǎn)而言之，DTC控制是先進(jìn)入速度控制環(huán)，再進(jìn)入力矩控制環(huán)。

3.4 調(diào)試軟件

ACS 6000SD變頻器采用專(zhuān)用Driver Window軟件進(jìn)行調(diào)試。該軟件在Windows環(huán)境下運(yùn)行，使用該軟件可對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行初始化配置，或進(jìn)行在線的參數(shù)調(diào)整，調(diào)試完成的參數(shù)可作為文件進(jìn)行存儲(chǔ)或下載到傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。Driver Window還具有在線參數(shù)波形記錄功能，為傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)試和故障診斷提供了極大的便利。ACS 6000SD變頻器也是參數(shù)化的設(shè)計(jì)，也可以通過(guò)操作面板CDP312來(lái)進(jìn)行維護(hù)和監(jiān)控參數(shù)狀態(tài)以及故障信息。

3.5 注意事項(xiàng)

ACS 6000SD變頻器雖然維護(hù)比較方便，但經(jīng)過(guò)改造調(diào)試，發(fā)現(xiàn)其除了對(duì)變壓器以及同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)要求較高外，還有一些外部環(huán)節(jié)應(yīng)該注意。

1）ACS 6000SD變頻器室內(nèi)環(huán)境溫度應(yīng)保持在25℃左右，保證恒溫且不可變化過(guò)快，以防結(jié)露造成絕緣降低。應(yīng)定期對(duì)系統(tǒng)的絕緣進(jìn)行遙測(cè)，確保絕緣值符合要求。

2）變頻器的輸入端應(yīng)保證電網(wǎng)質(zhì)量可靠，電網(wǎng)波動(dòng)不能太大，特別是高壓開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間和靈敏性的要求比較高，還必須有欠壓線圈。由于沒(méi)有快熔保護(hù)系統(tǒng)，安全保護(hù)依賴于高壓開(kāi)關(guān)的關(guān)斷。

3）ACS 6000SD變頻器在低速運(yùn)行時(shí)狀態(tài)不好，電機(jī)會(huì)發(fā)出異響，這是其控制特性所決定的，在調(diào)試中要越過(guò)低速環(huán)節(jié)，減少故障概率。

4）ACS 6000SD變頻器的速度反饋系統(tǒng)復(fù)雜，使用了增量型編碼器和絕對(duì)值型編碼器各1個(gè)，在絕對(duì)值型編碼器與編碼器模塊之間還有1塊差分板，系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)難度大。特別要注意接地屏蔽等抗干擾因素。

4 運(yùn)行效果

本次粗軋機(jī)主傳動(dòng)改造使用了ACS 6000SD交直交變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的整流側(cè)和逆變側(cè)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，做到了對(duì)電網(wǎng)的最少諧波運(yùn)行，既減少了對(duì)電網(wǎng)的污染，又省去了無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的投資。新系統(tǒng)投用后，軋制力由原來(lái)的3 000 t提升到7 000 t，大大提高了軋制能力。隨著自動(dòng)化程度的提高，既減輕了操作人員的工作量，又從設(shè)備角度保證了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

[1]余世科.新型電力電子器件IGCT及其應(yīng)用[J].世界電子元器件，2003（9）：40-42.

[2]胡鑫.淺談ABB壓傳動(dòng)裝置中ACS 6000及其應(yīng)用[J].硅谷，2008（4）：54.

Application of ACS 6000SD Variable Frequency Drive System in Roughing Mill Main Drive System

WANG Cheng-zhen,CHEN Jin-biao
（The Medium Heavy Plant of Jinan Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

The Medium Heavy Plant of Jinan Iron and Steel Co.,Ltd.adopted ACS 6000SD variable frequency drive system for the main drive system when the roughing mill in 3 500 production line transformed.This system used symmetrical structure in rectifier side and inverter side,reducing maintenance difficulty;used IGCT technology,insuring the system’s response performance;and used DTC technology,enhancing system’s robust performance.This AC-DC-AC System produced least harmonious in operation, reducing the pollution to the power network and saving SVC investment.

frequency transformer;roughing mill;main drive;DTC;IGCT

TM921.51

B

1004-4620（2011）04-0016-03

2011-05-09

王成鎮(zhèn)，男，1975年生，1998年畢業(yè)于鞍山鋼鐵學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)，工程碩士?，F(xiàn)為濟(jì)鋼中厚板廠高級(jí)工程師，從事電氣傳動(dòng)、自動(dòng)化的設(shè)計(jì)維護(hù)工作。