交-交變頻控制系統(tǒng)在無縫鋼管異步軋機(jī)中的應(yīng)用

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（1.天津西門子電氣傳動有限公司，天津 300384；2.天津電氣傳動設(shè)計研究所有限公司，天津 300180）

1 引言

天津市無縫鋼管廠熱軋生產(chǎn)線120機(jī)組設(shè)計生產(chǎn)規(guī)格φ114～219 mm無縫鋼管，設(shè)計年產(chǎn)量7萬t，目前實際年產(chǎn)量達(dá)13.8萬t。生產(chǎn)線主軋機(jī)是德國德馬克公司的阿塞爾軋機(jī)，主軋機(jī)電機(jī)為2 500 kW異步電機(jī)。采用交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，1994年由天津電氣傳動設(shè)計研究所設(shè)計生產(chǎn)調(diào)試，并于1995年初投入生產(chǎn)，采用了早期的西門子SIMADYN D數(shù)字控制產(chǎn)品。該控制裝置從1995年投入運(yùn)行以來除正常檢修外已工作近12 a。從12 a來的運(yùn)行情況看，該數(shù)字控制系統(tǒng)工作正常，幾乎未發(fā)生過硬件及軟件故障，電動機(jī)和主變壓器也工作正常。但經(jīng)十幾年的運(yùn)行，系統(tǒng)硬件已經(jīng)升級幾代，原系統(tǒng)備件很難購買；同時現(xiàn)場使用條件惡劣，晶閘管功率變流裝置的各種電纜、端子及低壓電器的絕緣能力已大大降低，晶閘管的耐壓指標(biāo)、dv/dt，di/dt指標(biāo)也會逐步降低，因此于2007年改造為最新的SIMADYN D控制的交-交變頻系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)主回路框圖如圖1所示。由定子整流變、晶閘管變流柜、過壓保護(hù)柜、快開、交流接觸器、三相異步電機(jī)、全數(shù)字多處理器控制系統(tǒng)SIMADYN D等組成。變頻器輸出電壓、電流、頻率連續(xù)可調(diào)。異步電機(jī)額定功率2 500 kW；額定定子線電壓1 300 V；額定/最高轉(zhuǎn)速400/600 r/min；額定/最高頻率 13.33/20 Hz；電機(jī)極數(shù) 4；定子額定電流1 230 A；過載能力2倍。晶閘管變流柜為三相橋式無環(huán)流反并聯(lián)聯(lián)接的可逆的晶閘管整流裝置，每組變流柜形成單相交流輸出，三相輸出為Y型聯(lián)接方式。熱管散熱晶閘管變流裝置是天津電氣傳動設(shè)計研究所自行開發(fā)的高效晶閘管變流器，用2只晶閘管元件和1套熱管風(fēng)冷散熱器構(gòu)成直接反并聯(lián)功率組件，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，可比采用普通散熱器和同樣晶閘管元件構(gòu)成的裝置提高輸出能力50%左右。本項目采用3.5×2.54 cm元件，交流有效值（≤20Hz）2 250/4 500 A，完全滿足電機(jī)2倍過載要求。由于電機(jī)最高運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為20 Hz，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生較多的諧波，因此將電機(jī)中性點(diǎn)與變流柜的中性點(diǎn)聯(lián)接。過壓保護(hù)柜的壓敏電阻以橋式接法接至每組變流柜的橋臂上，能夠防止浪涌過電壓引起的晶閘管被擊穿損壞。快開主要用于故障時分?jǐn)嚯妱訖C(jī)主回路。離心開關(guān)能在電機(jī)意外超速時直接聯(lián)鎖分?jǐn)喔邏洪_關(guān)，保證電機(jī)安全。

圖1 系統(tǒng)單線圖Fig.1 System single line diagram

全數(shù)字多處理器控制系統(tǒng)SIMADYN D的硬件框架如圖2所示。PM6+IT41是第1個處理單元，主要用于速度環(huán)控制、運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯、給定加速度控制、扭振濾波、負(fù)荷觀測器等。速度反饋是通過IT41輸入到處理器內(nèi)的。PM6+IT42+IT42是第2個處理單元，主要用于矢量控制、磁通控制。電流/電壓實際值是通過2塊擴(kuò)展模板IT42的高分辨率模擬量輸入接口接入處理器內(nèi)的。第3個處理單元PM6主要用于系統(tǒng)的合分閘邏輯、電機(jī)保護(hù)、ET200從站通訊的控制。EP22+IS1為三相交流電流專用控制器，主要完成三相交流電流控制，包括交流電流調(diào)節(jié)、電壓前饋調(diào)節(jié)、斷續(xù)補(bǔ)償、換向邏輯控制、觸發(fā)脈沖控制等。MM4是用于處理器之間數(shù)據(jù)交換的緩存模板。EB11開關(guān)量輸入輸出模板可以用于SIMADYN D內(nèi)部電源開關(guān)信號輸入，也可以輸出系統(tǒng)內(nèi)的二進(jìn)制變量。EA12模擬量輸出模板，可以用于實時監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)任意變量。CS7通訊模板配有SS52+SS4+SS4通訊子模板。SS52通過PROFIBUS聯(lián)網(wǎng)與高壓室、電機(jī)室的遠(yuǎn)程站（ET200）交換高壓開關(guān)及電機(jī)保護(hù)等信息。SIMADYN D通過其中一個SS4模板與OP2N進(jìn)行通訊，OP2N主要完成運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視、故障報警、溫度顯示、開環(huán)調(diào)試運(yùn)行等功能。另一個SS4用于通過STRUC G調(diào)試軟件達(dá)到編程器與控制器數(shù)據(jù)交換?？梢酝ㄟ^不同子模塊所具有的通訊協(xié)議與各外圍設(shè)備聯(lián)系。在輔助控制柜中安裝1套遠(yuǎn)程I/O站，分別完成系統(tǒng)內(nèi)、外控操作、高壓開關(guān)操作聯(lián)鎖、快開及主接觸器聯(lián)鎖、報警及故障顯示，采集速度給定及輸出速度、定子電流等。在主操作臺設(shè)置1套遠(yuǎn)程I/O箱，完成采集操作臺的操作信號和輸出系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信號。SIMADYN D系統(tǒng)中還有許多接口模塊用于外部接口模板，分別為SU10，SU11，SB70，SB61，SB10，SA20.1，SA61。SA20.1和SA61合稱為SA60.1，在控制系統(tǒng)中稱為同步模塊，起到同步在EP22中門極觸發(fā)電壓的作用，其正常運(yùn)行直接影響到晶閘管觸發(fā)換相等動作。

圖2 SIMADYN D硬件框架圖Fig.2 SIMADYN D hardware chart

3 異步電機(jī)矢量控制原理簡單介紹

3.1 控制原理簡介

由異步電機(jī)矢量圖（見圖3）可知，定子電流矢量is和轉(zhuǎn)子電流矢量ir合成得磁化電流矢量iu′，iu′產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr′，異步電動機(jī)d和q軸磁路對稱，iu′和Ψr′同向，并比ir′超前90°。定子電動勢矢量es′比Ψr′和iu′超前90°。

圖3 異步電動機(jī)矢量圖Fig.3 Induction motors vector graphics

在異步電機(jī)矢量控制中，以磁通定向，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈解耦。轉(zhuǎn)矩大小在磁通不變的情況下與定子電流的轉(zhuǎn)矩分量成正比。磁通大小與定子電流的磁化分量成正比。定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定來自速度調(diào)節(jié)器的輸出，磁化分量給定來自于磁通調(diào)節(jié)器的輸出。這樣達(dá)到通過異步電機(jī)磁通定向，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁通的矢量控制。

3.2 異步電機(jī)矢量控制模塊

異步電動機(jī)矢量控制的主要控制模塊包括（見圖4）：傳動參數(shù)（DP）、電壓模型（UMO）、電流模型（IMO）、直流調(diào)節(jié)器（GGR）、磁通調(diào)節(jié)器（UMX）、開環(huán)控制交流給定值發(fā)生器（DSGS）、閉環(huán)控制給定值傳送（SUGS）、實際值檢測處理（AFCOF8）、磁通給定計算模塊（PSK）、激磁電流給定（IMU）、電壓預(yù)控（VOR）和位置角變換（WFA）等。

圖4 SIMADYN D功能塊矢量控制框圖Fig.4 SIMADYN D vector control function block diagram

交-交變頻系統(tǒng)的主要參數(shù)通過DP功能塊送到各個功能塊中，通過磁通給定計算模塊（PSK）得出磁通給定（在基速以下為100%，基速以上磁通給定通過相對電動勢除以磁通給定頻率得出）分別送到電流模型和激磁電流給定功能塊中。電流模型通過給定的磁通和定子電流的力矩分量算出負(fù)載角，再加上編碼器測出的位置角就可得到電流模型磁通位置角和磁通值Ψmi。激磁電流給定功能塊通過給定的磁通和電機(jī)的磁化曲線算出所需要的激磁電流。電壓模型輸入電壓實際值、電流實際值和電流模型計算的Ψmi，算出磁通實際值Ψmu和磁通位置角。2個模型計算的磁通及其位置角作用于不同的速度工作區(qū)，其切換由WFA功能塊完成。在WFA模塊中設(shè)NA1，NA22個速度門檻，當(dāng)實際速度N＜NA1時選擇電流模型的磁通及其位置角；當(dāng)實際速度N＞NA2時選擇電壓模型的磁通及其位置角；當(dāng)NA1＜N＜NA2時，WFA功能塊使電流模型與電壓模型所計算的磁通及其位置角合成并平穩(wěn)過渡。電壓前饋（VOR）能夠使交流電流調(diào)節(jié)器僅起到調(diào)節(jié)電流動態(tài)誤差的作用，使系統(tǒng)響應(yīng)更快。它通過激磁電流給定（IMU）功能塊輸出的激磁電流給定和速度調(diào)節(jié)器輸出的力矩電流給定、以及轉(zhuǎn)子角頻率計算出定子電壓給定。直流電流調(diào)節(jié)器（GGR）通過定子電流2個分量給定值與實際值差值的積分得出附加的定子電壓。SES功能塊將VOR與GGR算出的電壓給定求和，再經(jīng)過VD轉(zhuǎn)換輸出前饋電壓。磁通調(diào)節(jié)器保證在基速以下磁通閉環(huán)，在基速以上電壓或EMF閉環(huán)。

4 現(xiàn)場調(diào)試中解決的問題

1）電動機(jī)在升、降速過程中，當(dāng)實際速度從5%＜N＜8%過渡區(qū)到N＞8%或N＜5%區(qū)域的瞬間，磁通幅值有較大波動。觀察分析這是由于在過渡區(qū)內(nèi)電流模型Ψmi與電壓模型Ψmu差值偏大所致，在兩模型磁通給定通過WFA功能塊切換時引起磁通波動大。由知，若不變，經(jīng)過3～4Tr時間后，Ψr達(dá)到穩(wěn)態(tài)值磁通值與Lm成正比。通過修正電機(jī)d軸飽和主電抗值，使電流模型在過渡區(qū)內(nèi)的Ψmi盡量接近電壓模型的Ψmu，使電機(jī)在升降速過程中磁通平穩(wěn)的經(jīng)過過渡區(qū)。

2）電機(jī)弱磁區(qū)內(nèi)制動時，激磁電流波動大。觀察分析這是由于系統(tǒng)在弱磁區(qū)內(nèi)電壓閉環(huán)控制，當(dāng)電機(jī)制動由電動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)時，為加快逆變過程，軟件中將電機(jī)電壓給定數(shù)值從額定電壓的數(shù)值切到額定電勢值，如果實際電動勢瞬時值高于額定電動勢就會引起電壓環(huán)較大的波動，使激磁電流波動大。因此將額定電勢值進(jìn)行修正后，基本消除了弱磁區(qū)制動時激磁電流的過大波動。

3）在試生產(chǎn)中，高壓開關(guān)莫名跳閘，查故障沒有任何記錄。發(fā)現(xiàn)芯棒電機(jī)工作時有可能跳高壓，檢查發(fā)現(xiàn)是接地干擾，通過增加裝在操作臺的遠(yuǎn)程I/O站的接地導(dǎo)線截面，減小了接地電阻，此后再未發(fā)生此類跳高壓的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

無縫鋼管廠熱軋生產(chǎn)線120機(jī)組阿塞爾軋機(jī)SIMADYN D交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)在已投入使用。其電流動態(tài)響應(yīng)約10 ms，速度響應(yīng)＜100 ms，速度抗擾動試驗中的動態(tài)響應(yīng)4 ms，達(dá)到軋機(jī)負(fù)載需要的動態(tài)性能指標(biāo)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，靜態(tài)和動態(tài)技術(shù)指標(biāo)完全滿足生產(chǎn)工藝要求。

［1］馬小亮.大功率交-交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］西門子.SIMADYN D參考手冊［Z］.2004.

［3］陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1998.