ACS800多傳動在可逆軋機(jī)電動壓下系統(tǒng)中的應(yīng)用

梅鋼公司熱軋廠 吳潔旻 湯元東

引言

可逆軋機(jī)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的熱連軋模式。梅鋼熱軋可逆軋機(jī)R2電動壓下選用ABB公司ACS800多傳動（Multi Drive）變頻裝置，ACS800變頻器是目前流行的脈寬調(diào)制電壓變頻器，控制方式采用當(dāng)今最先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，能夠精確控制任何標(biāo)準(zhǔn)鼠籠電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是三相交流異步電動機(jī)調(diào)速技術(shù)中一項(xiàng)具有創(chuàng)新理念、控制獨(dú)特、手段簡明的高效調(diào)速技術(shù)，是目前高動態(tài)性能控制的最佳方法之一。

1.控制工藝要求

可逆軋機(jī)R2為四輥水平軋機(jī)，為實(shí)現(xiàn)大行程、快速、頻繁的輥縫調(diào)整，在壓下機(jī)構(gòu)中配有電動快速壓下和液壓壓下，傳動側(cè)和操作側(cè)的壓下絲桿各由一臺300kW的交流變頻電機(jī)驅(qū)動，傳動側(cè)電機(jī)和操作側(cè)電機(jī)沒有剛性連接，采用電氣同步控制技術(shù)。

軋鋼時(shí)可逆軋機(jī)R2對每塊鋼坯進(jìn)行多道次軋制（五或七道次）。每個(gè)道次軋制結(jié)束后，上位機(jī)下發(fā)下一道次的軋機(jī)輥縫設(shè)定值到基礎(chǔ)自動化UC（多功能控制器），基礎(chǔ)自動化UC（多功能控制器）計(jì)算出壓下電機(jī)速度給定值，發(fā)送給電動壓下傳動系統(tǒng)，電動壓下逆變器輸出相應(yīng)電壓驅(qū)動壓下電機(jī)帶動壓下絲桿旋轉(zhuǎn)，從而完成輥縫調(diào)節(jié)。由于軋制節(jié)奏快，該控制過程要求傳動系統(tǒng)具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、轉(zhuǎn)速響應(yīng)和良好的跟隨性能。

2.設(shè)備選型

2.1 晶閘管整流單元（TSU）：ACN654/664-2120-5

SN=2120kVA，UN=400 V，ICONMAX=2449A（AC），ICONMAX=3000A（DC），IMAX=4860A（DC）。

2.2 IGBT逆變單元（INU）：

ACS800-104-1540-3（由3個(gè)逆變模塊ACS800-104-0510-3并聯(lián)組成）

ICONMAX=2156 A，IMAX=2951 A，UN=400 V，PN=1120 kW。

2.3 電機(jī)參數(shù)：UN=380V，IN=550A，PN=300KW，n1=1033rpm，f=35Hz，TN=2781Nm。

圖1 ACS800多傳動系統(tǒng)圖

3.ACS800多傳動系統(tǒng)

多傳動是一種使用公共直流母排的工業(yè)傳動形式。ABB ACS800 Multi Drive多傳動由供電單元、傳動單元、控制單元組成。ACS800 Multi Drive逆變器內(nèi)置了du/dt濾波器。由于使用了IGBT逆變器技術(shù)，無論輸出頻率是多少，逆變器的輸出包括了1.35倍主電源電網(wǎng)電壓脈沖，這個(gè)脈沖具有極短的上升時(shí)間。Du/dt濾波器抑制了逆變器輸出電壓尖峰和電壓的快速變化，保護(hù)了電機(jī)的絕緣。ACS800多傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

3.1 供電單元

供電單元通過公共直流母排給傳動模塊提供直流電源。供電單元在功能上分為3個(gè)部分：輔助控制柜（ACU）、進(jìn)線柜（ICU）、整流裝置。整流裝置包括整流柜、回饋柜、直流電抗器、回饋柜自耦變壓器。梅鋼R2電動壓下采用的晶閘管整流單元（TSU）由兩個(gè)反并聯(lián)連接的六脈波晶閘管橋組成。它具有向電網(wǎng)回饋能量的功能，在制動能量很大的應(yīng)用場合具有可觀的節(jié)能效益。

3.2 傳動單元

傳動單元包括帶充電回路的熔斷開關(guān)、逆變器、冷卻風(fēng)機(jī)、傳動控制單元等。

ACS800多傳動的逆變器采用模塊化結(jié)構(gòu)，并聯(lián)模塊設(shè)計(jì)具有冗余功能。每個(gè)并聯(lián)模塊都是完整的三相逆變器。如果一個(gè)并聯(lián)模塊發(fā)生故障，傳動診斷指示該逆變器模塊丟失，并隔離損壞的模塊，整個(gè)逆變器還可以繼續(xù)降容運(yùn)行，減少故障停機(jī)時(shí)間。

逆變器將中間回路直流電壓轉(zhuǎn)換為可控的交流電壓。ACS800逆變器由IGBT輸出橋組、電容、電流互感器、NINT主電路接口板等組成。

逆變器采用的是IGBT功率半導(dǎo)體器件，其主電路包括6個(gè)帶續(xù)流二極管的IGBT和直流電容，這6個(gè)帶續(xù)流二極管的IGBT集成為一塊功率板。先進(jìn)的集成IGBT技術(shù)使傳動單元具有極高的可靠性和緊湊性。在逆變器內(nèi)部的電容器使中間直流電路的電壓紋波變得平滑。逆變單元內(nèi)配置了帶電容充電裝置的熔斷開關(guān)。

梅鋼熱軋R2電動壓下兩臺逆變器均由3個(gè)逆變模塊（ACS800-104-0510-3）并聯(lián)組成，每個(gè)逆變模塊（ACS800-104-0510-3）內(nèi)部有三塊集成的IGBT功率板，分別為A、B、C三相的功率元件。

3.3 傳動控制單元

每個(gè)逆變器帶一個(gè)傳動控制單元RDCU，包括電機(jī)控制和I/O板RMIO、可選I/0板、現(xiàn)場總線適配器RPBA-01、編碼器接口模塊RTAC-01、DDCS通訊模塊RDCO。RDCU控制面板接口使用專用電纜可與CDP312R控制盤連接，利用該控制盤可以對逆變器進(jìn)行調(diào)試、參數(shù)設(shè)定、故障復(fù)位和實(shí)際值顯示、故障監(jiān)控等功能。

4.直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)

ACS800的核心技術(shù)是直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。直接轉(zhuǎn)矩控制可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。

4.1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制異步電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器（Band－Band控制），把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，它不需要將交流電動機(jī)與直流電動機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，即不需要模仿直流電動機(jī)的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計(jì)算以及為解耦而簡化異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型，沒有通常的PWM脈寬調(diào)制信號發(fā)生器，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式[1]。

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）原理的核心是通過選擇適當(dāng)?shù)亩ㄗ与妷嚎臻g矢量，使定子磁鏈的運(yùn)動軌跡為圓形。定子磁鏈與定子電壓之間的關(guān)系式為

式（1）中：ψu(yù)——定子磁通，Us——定子電壓，Is——定子電流，Rs——定子電阻。

在額定轉(zhuǎn)速高于10%時(shí)，式（1）定子磁鏈值有較高的精度。但是，當(dāng)額定轉(zhuǎn)速小于10%時(shí)，磁鏈值就會存在誤差，其誤差是由于定子電阻的誤差造成的。這種情況下，ACS 800系列采用了FS—method（Flux Stabilizer）的控制策略。定子磁鏈通過定子電流和轉(zhuǎn)速來計(jì)算。

式（2）和式（3）中：

ψu(yù)——定子磁通，L0——漏電感，L——主電感，Is——定子電流，

ψr——轉(zhuǎn)子磁通，Rr——轉(zhuǎn)子電阻，ω——角速度。

4.2 直接轉(zhuǎn)矩控制算法

電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）需要測量直流母線電壓和電機(jī)的兩相電流值。按定子磁通的空間矢量關(guān)系，對電機(jī)電壓進(jìn)行積分運(yùn)算，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩則是定子磁通和轉(zhuǎn)子電流的矢量積。通過電機(jī)辨識（ID）可以提高定子磁通的估測水平，而不需要進(jìn)行軸轉(zhuǎn)速的測量。定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息，這種控制依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對電機(jī)參數(shù)的自動識別，通過電機(jī)辨識運(yùn)行自動確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動機(jī)模型計(jì)算出電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子速度，產(chǎn)生優(yōu)化的脈沖信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制[2]。

表1 ACS800-104-1540-3 參數(shù)的配置和說明

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖

圖3 電動壓下在輥縫調(diào)節(jié)時(shí)的波形

逆變器的電機(jī)控制是以定子磁通方式對電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制來實(shí)現(xiàn)的。逆變器沒有單獨(dú)的電壓和頻率控制的PWM調(diào)制器，功率器件IGBT的開/關(guān)選擇由電機(jī)的電磁狀態(tài)決定。ACS800逆變模塊的高速數(shù)字信號處理器通過調(diào)控逆變器功率器件IGBT的“開關(guān)狀態(tài)”，可使電機(jī)的狀態(tài)每秒鐘刷新40000次，達(dá)到迅速調(diào)節(jié)控制定子磁通和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，對負(fù)載擾動和瞬時(shí)掉電等動態(tài)變化做出快速響應(yīng)。圖2為交流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖，其轉(zhuǎn)矩控制器的給定值依系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同而不同，一般來源于速度控制器的輸出，或者直接來自于外部給定信號源。直接轉(zhuǎn)矩控制的控制變量為定子磁通和轉(zhuǎn)矩，定子磁通和轉(zhuǎn)矩分別采用閉環(huán)控制。與傳統(tǒng)的電機(jī)控制方法相比，直接轉(zhuǎn)矩控制的最大不同之處是轉(zhuǎn)矩控制的時(shí)間可達(dá)到與功率器件相同的開關(guān)時(shí)間水平（25μS），達(dá)到很高的控制精度和速度響應(yīng)。

5.基于直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)的ACS800逆變器的特點(diǎn)及性能指標(biāo)

（1）零速滿轉(zhuǎn)矩：在不需要碼盤或測速電機(jī)的反饋時(shí)，電機(jī)在零速時(shí)，ACS800能夠提供電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。

（2）起動轉(zhuǎn)矩：ACS800能夠提供可控且平穩(wěn)的最大起動轉(zhuǎn)矩。最大起動轉(zhuǎn)矩能達(dá)到200%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

（3）轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間：在開環(huán)或閉環(huán)時(shí)，系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時(shí)間能達(dá)到1ms～5ms的精度。

（4）速度控制：動態(tài)轉(zhuǎn)速誤差開環(huán)時(shí)為0.4%、在閉環(huán)應(yīng)用時(shí)為0.1%、靜態(tài)精度為0.01%。

（5）起動特性：系統(tǒng)在0.48s內(nèi)迅速起動，ACS800能在幾毫秒內(nèi)測出電機(jī)的狀態(tài)。

（6）磁通制動：ACS800通過提高電機(jī)的磁場來提供足夠的制動磁通迅速停車或從一個(gè)轉(zhuǎn)速變換到另一個(gè)轉(zhuǎn)速。

（7）ACS800具有持續(xù)監(jiān)控的功能，即使在磁通制動時(shí)也不停止對電機(jī)狀態(tài)的監(jiān)視。

6.利用Drive Window軟件對ACS800進(jìn)行調(diào)試和監(jiān)控

6.1 ACS800多傳動調(diào)試軟件Drive Window簡介

Drive Window軟件使用DDCS通訊協(xié)議（分布式傳動通訊系統(tǒng)），通過連接RMIO板光纖通道CH3和PC機(jī)上的PCMCIA卡之間的光纖，可以對ACS800傳動單元進(jìn)行調(diào)試和監(jiān)控。將多個(gè)ACS800傳動單元連成環(huán)網(wǎng)，可以同時(shí)調(diào)試和監(jiān)控多臺ACS800逆變器，但必須設(shè)置每個(gè)傳動單元的節(jié)點(diǎn)地址（參數(shù)70.15 CH3 NODE ADDR）。Drive Window軟件功能有：

（1）控制操作（啟動、停止、正反，給定等）

（2）監(jiān)控（信號狀態(tài)、參數(shù)波形記錄）

（3）參數(shù)（讀取、修改、比較等）

（4）數(shù)據(jù)記錄器（控制、顯示）

（5）故障記錄器（顯示故障、控制）

（6）備份/恢復(fù)功能（參數(shù)備份/完全備份）

（7）遠(yuǎn)程連接功能（通過網(wǎng)絡(luò)在異地監(jiān)控設(shè)備）

6.2 電機(jī)自動辨識

通過修改參數(shù)99.07 MOTOR ID RUN，初始化電機(jī)辨識運(yùn)行。在運(yùn)行期間，傳動系統(tǒng)將識別電機(jī)的特征以實(shí)現(xiàn)最佳控制。標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)辨識可以保證傳動系統(tǒng)獲得最高的控制精度。在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)辨識運(yùn)行之前，電機(jī)聯(lián)軸器必須脫開。

6.3 重要參數(shù)設(shè)置及波形圖

ACS800逆變器重要參數(shù)設(shè)置見表1，圖3為電動壓下在輥縫調(diào)節(jié)時(shí)的波形。

圖3中：[1]-傳動側(cè)速度給定值，[2]-傳動側(cè)速度實(shí)際值，[3]-傳動側(cè)電機(jī)電流， [6]-操作側(cè)速度給定值，[4]-操作側(cè)速度實(shí)際值，[5]-操作側(cè)電機(jī)電流。

注：圖3中，[4]、[5]、[6]在記錄波形時(shí)均給予-1000的偏置，以便于傳動側(cè)和操作側(cè)的波形上下錯(cuò)開顯示。

結(jié)論

梅鋼熱軋R2電動壓下自2006年6月上線至今，運(yùn)行穩(wěn)定，性能完全滿足工藝要求。實(shí)踐證明，ACS800多傳動系統(tǒng)功能強(qiáng)大、控制精度高、響應(yīng)速度快，具備良好的性能，維護(hù)調(diào)試方便，是理想的傳動控制系統(tǒng)。

[1]李夙編.異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.

[2]陳伯時(shí).電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.