直流調(diào)速在熱連軋粗軋機主傳動中的應用

高建軍

目前國內(nèi)幾乎全部中寬帶（800～1 000 mm）熱連軋和80%的1250 mm寬帶熱連軋主傳動均采用直流電機傳動及直流調(diào)速的控制方式。由于直流傳動優(yōu)異的控制性能及較高的性價比，使其在軋機主傳動等大容量變速傳動領域占據(jù)一定的市場份額。

對于軋機主傳動等大容量直流電機可控硅整流裝置而言，為增大輸出容量、減輕對電網(wǎng)的干擾、減少諧波分量，通常多采用并聯(lián)方案，即用一臺三繞組變壓器，一次繞組接成三角形或星形，二次繞組一個接成三角形，一個接成星形，并且使這兩個繞組的相位相差30°，由兩個繞組分別供電給兩組三相整流橋，由該兩組整流電路的輸出通過平波電抗器并聯(lián)后向直流電動機供電。

1 主傳動控制系統(tǒng)的構成

1.1 主傳動對控制系統(tǒng)的要求

（1）必須能實現(xiàn)頻繁的快速正反轉(zhuǎn)。

（2） 電流響應時間≤15 ms，速度響應時間≤100 ms，穩(wěn)態(tài)速度調(diào)節(jié)精度≤0．05%，速度動態(tài)當量≤0．3%S。

（3） 星橋和角橋最大電流差值≤1%。

（4） 傳動系統(tǒng)最大過載應達到2．5～3倍。

1.2 系統(tǒng)的設計方案

（1） 主回路設計方案

主軋機電動機電樞回路采用分裂式三繞組整流變壓器供電，電動機由12脈波整流器控制；整流變壓器為雙付邊，相位差30°，直流側角組和星組電樞整流回路設單獨平波電抗器，直流側采用快速開關。勵磁回路采用一臺整流變壓器供電，變流器為6RA70單向限直流調(diào)速裝置。

（2） 控制系統(tǒng)設計方案

控制系統(tǒng)由兩臺6RA70全數(shù)字控制裝置構成12脈波整流控制系統(tǒng)。這兩臺控制器采用主從控制方式，即主控制器為速度環(huán)和電流環(huán)構成的雙閉環(huán)系統(tǒng)，從控制器為電流環(huán)控制的單環(huán)系統(tǒng)，從控制器接收主控制器的電流給定。

所有的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)控及附加功能都由微處理器來實現(xiàn)，系統(tǒng)結構可軟件組態(tài)，可以對電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、勵磁電流調(diào)節(jié)器、電動機磁化曲線等進行自動優(yōu)化，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。傳動裝置本身具有完善的故障診斷、報警、顯示和保護功能。

（3） 12脈波整流的優(yōu)勢

①能夠減小傳動系統(tǒng)特別是大功率傳動系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響。

②能夠加大輸出電流的容量。由兩個6脈波整流器并聯(lián)連接成12脈波整流器時，其輸出的電流將是6脈波整流器的兩倍。

③能夠減小電流紋波，減小轉(zhuǎn)矩脈動。

（4）12脈波整流需要注意的問題

①電樞阻抗、感抗及額定電流計算

采用12脈波并聯(lián)系統(tǒng)時需注意電樞阻抗P110、感抗P111和電機額定電流P100的計算方法。其中：

P110=(電機電樞阻抗×直接并聯(lián)裝置個數(shù))+均流電抗器的阻抗；

P111=(電機電樞感抗×直接并聯(lián)裝置個數(shù))+均流電抗器的感抗；

P100=電機額定電流/直接并聯(lián)裝置個數(shù)。

②正反橋切換時環(huán)流電流的控制

在6脈波控制系統(tǒng)中，當需要從正橋工作狀態(tài)切換到反橋工作時，首先改變電流給定的極性，當正橋?qū)嶋H電流降到零時，控制器得到零電流信號。然后控制器經(jīng)過1～2 ms的延時，釋放反橋脈沖，反橋開始工作。這樣就避免了在同一個脈沖周期3．3 ms（50Hz） 內(nèi)正反橋脈沖同時出現(xiàn)的情況。

在12脈波控制系統(tǒng)中，需要同時保證星橋和角橋電流大小、觸發(fā)角、電流方向改變等的一致性?？刂葡到y(tǒng)在得到零電流信號時會發(fā)出并聯(lián)驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)矩方向使能信號，這個信號被發(fā)送到對方轉(zhuǎn)矩方向使能的連接器上。

③動態(tài)響應的延時

星橋和角橋30°的相位差會導致0．5個掃描周期的延時。此外，主從系統(tǒng)中電流給定和實際電流的傳輸會導致1～2個掃描周期的延時。

④12脈波控制從動整流器的點火脈沖應該遲于主動整流器點火脈沖30°，寬脈沖（脈沖持續(xù)至下個脈沖前約0．1 ms） 每隔30°便輸出到兩套裝置的電樞觸發(fā)裝置上，以確保在電樞電流脈動時也能流過電流。

⑤電樞電流調(diào)節(jié)器的預控制應從6脈波運行切換到12脈波運行，預控制的EMF給定值為電動機總的EMF值。

1.3 主傳動控制系統(tǒng)的主要功能

（1） 速度控制

速度控制應重點考慮軋制道次改變時速度方向的變化。在軋制奇數(shù)道次時，軋機首先以等待速度運行，在入口導尺檢得鋼坯后，軋機加速到軋制速度，而當軋機拋鋼后，軋機減速到零。在軋制偶數(shù)道次時，軋機首先以等待速度運行，當鋼坯到達軋機出口導尺后，軋機加速到軋制速度，當軋機拋鋼后，軋機減速到零，在軋制偶數(shù)道次時，速度給定的方向正好和奇數(shù)道次相反。其給定曲線由軋線L1系統(tǒng)完成。

（2） 電樞電流控制

電樞電流控制是指電樞電流的自動閉環(huán)控制。根據(jù)速度調(diào)節(jié)器的輸出（力矩給定），與電樞電流反饋（與磁通的乘積）轉(zhuǎn)換的電機轉(zhuǎn)矩形成閉環(huán)控制，以實現(xiàn)電機電樞電流控制。

（3）弱磁時的電壓控制

電壓控制是指電樞電壓的自動閉環(huán)控制。電勢設定按電機的額定參數(shù)計算，即En=Un－InR；而電勢實際值E=U-IRLdi/dt（或E=Ceφn），根據(jù)電樞端電壓值U、電樞電流值I及di/dt采樣值或勵磁磁通計算值φ、速度采樣值n即可計算出來，從而實現(xiàn)弱磁時的電壓自動控制。

（4） 勵磁電流控制

勵磁電流控制是指勵磁電流的自動閉環(huán)控制。根據(jù)電勢調(diào)節(jié)器的輸出（勵磁磁通給定），與勵磁電流反饋轉(zhuǎn)換的電機磁通形成磁通閉環(huán)控制，以實現(xiàn)勵磁電流控制。

（5） 主軸定位控制

在軋機主軸定位控制下在軋機正常停車時，軋輥扁頭都會自動定位，以便于軋機換輥。而在特殊情況下，可通過軋機扁頭定位按鈕操作，軋輥會自動找位停機。主軸定位控制由軋線L1系統(tǒng)完成。

（6）繼電操作系統(tǒng)與保護

包括主電機操作順序控制，以及電樞回路開關操作及各輔助設備的起?？刂疲c主傳動有關的所有故障信號的檢查與繼電器保護等。

繼電器保護系統(tǒng)的設計原則為：

①對于故障進行分類處理。

②對輕故障采用系統(tǒng)報警。

③對次重故障，發(fā)出停車信號。

④對嚴重故障，則緊急停車及跳閘。

快速開關、緊急停車及各輔助設備的操作可在控制柜及HMI上分別進行。

（7） 聯(lián)網(wǎng)通訊接口

系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通訊功能，主要指6RA70調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部通訊及6RA70調(diào)速系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的通訊功能。

①6RA70調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部的通訊主要有星橋與角橋控制系統(tǒng)之間的通訊，采用USS協(xié)議的主從通訊方式，可實現(xiàn)兩臺控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的高速交換。

②主控制器與勵磁控制器間的通訊，即由主控制器將勵磁給定數(shù)據(jù)等發(fā)給勵磁控制器。

③6RA70調(diào)速系統(tǒng)與外圍系統(tǒng)之間的通訊，主要是指主軋機控制器與軋區(qū)聯(lián)鎖PLC之間的通訊，此通訊為PROFIBUS－DP網(wǎng)通訊，可實現(xiàn)主傳動系統(tǒng)與速度主令PLC之間的數(shù)據(jù)交換。

2 系統(tǒng)設計計算

直流傳動主回路設備通常包括：整流變壓器(或交流進線電抗器)、晶閘管變流器、直流濾波電抗器、交直流側過壓吸收裝置、過電流保護等。

2.1 晶閘管的選擇方法[1]

晶閘管額定電壓（反向重復峰值電壓） 的選擇，除取決于變流器供電的交流電壓外，還與變流器換向過程以及正常操作和事故切斷電路時可能出現(xiàn)的各類過電壓有關。此外，設計時還應根據(jù)裝置使用場合的重要程度留有足夠的安全裕度。器件的額定電流與通過器件的電流波形以及冷卻介質(zhì)情況、散熱器材料和外形尺寸等相關。選用時除根據(jù)傳動電動機的負載圖計算等效結溫外，還必須注意晶閘管自身的熱容量很小，在承受短時的事故及過載電流條件下應不致于造成損壞。正確選擇晶閘管的額定參數(shù)不僅關系到變流系統(tǒng)設計的經(jīng)濟合理性，亦為正確使用晶閘管以及變流裝置的可靠運行奠定良好基礎。

（1）晶閘管額定電壓URRM

考慮到晶閘管在恢復阻斷時受所引起的換向過電壓，以及在操作和事故過程中所產(chǎn)生的各類過電壓的影響，在計算和選擇晶閘管的額定電壓時，必須考慮額定電壓的安全系數(shù)，其數(shù)值大小與器件質(zhì)量及使用場所有關，一般取2～3倍之間。

據(jù)此分析，本系統(tǒng)選用晶閘管額定電壓URRM=4 000 V，則電壓安全系數(shù)為

（2）晶閘管額定電流IT

在額定情況下流過整流元件的電流有效值I和額定電流（通態(tài)平均電流）IT的關系為

I=1．57IT

為使元件不致因過熱而損壞，在實際計算中要考慮安全系數(shù)（1．5～2）。另外，如果通過整流元件的電流波形不同，則其有效值Ik與平均值Idk的比值kf也不同。

本系統(tǒng)所選晶閘管通態(tài)平均電流IT＝2 800 A，對于一個KP2800A的三相全控橋來說，在額定電流情況下可以輸出電流：

由于是四組三相全控橋供電，考慮到負荷不平衡系數(shù)0．95，則整個整流裝置可以輸出電流

Id＝4×0．95×7 614=28 933 A

由于電機最大過載電流為：2．5×6180=15450A

2.2 直流側電抗器的計算

整流裝置直流側采用電抗器的作用和目的有如下幾條：

（1）雙橋并聯(lián)時起到平波均流作用。

（2）減小電流連續(xù)時的最小工作電流。

（3）限制電流脈動。

（4）減小出現(xiàn)故障時的電流上升率和電流峰值。

對于全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，一般最小連續(xù)電流取電機的額定電流10%，即

Idmin＝10%×6 180=618 A

3 結語

經(jīng)實際工程檢驗，該12脈波整流系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靜態(tài)精度、動態(tài)響應、過載能力等各項指標均滿足生產(chǎn)工藝及電氣控制的要求。

[1]趙殿甲．可控硅電路 (第2版)．北京:冶金工業(yè)出版社,1986．5．