寬厚板粗軋機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

劉喆

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司規(guī)劃發(fā)展部，山東 萊蕪 271100）

眾所周知，當(dāng)代世界知名高性能軋鋼機(jī)設(shè)備和相關(guān)技術(shù)進(jìn)入我國(guó)鋼鐵行業(yè)，其本身的技術(shù)應(yīng)用以及針對(duì)我國(guó)實(shí)際情況的革新優(yōu)化，其成為當(dāng)代我國(guó)諸多工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)關(guān)鍵地位的設(shè)備。而作為寬厚板粗軋機(jī)中起到連接傳輸和控制作用的主動(dòng)傳動(dòng)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面要講究科學(xué)性和實(shí)踐應(yīng)用性，因此，針對(duì)寬厚板粗軋機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)和對(duì)策的探究非常有必要。

1 電氣控制方案

在當(dāng)代的寬厚板粗軋機(jī)的主傳動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中，得益于交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和實(shí)踐深入，當(dāng)代交流主傳動(dòng)系統(tǒng)在今年逐步替換了傳統(tǒng)的晶閘管整流器式的直流系統(tǒng)。在當(dāng)今包括機(jī)械加工、鋼鐵加工在內(nèi)的多個(gè)產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，閘機(jī)主傳動(dòng)變頻調(diào)速裝置比較常見(jiàn)的為交—交變頻系統(tǒng)，以及系統(tǒng)化的交—直—交變頻系統(tǒng)。兩種裝置系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)主要為：

（1）交—交變頻技術(shù)。該形式的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流電氣控制執(zhí)行效率較高，且能夠承載更大的過(guò)載壓力。當(dāng)然從操作的角度來(lái)說(shuō)其極高的便捷度也令人滿意。但是，該種電氣控制技術(shù)的缺點(diǎn)在于，其本身的變頻的頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)非常低，且存在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生諧波高的問(wèn)題。

（2）交—直—交變頻技術(shù)。一方面，這種技術(shù)在變頻的效率方面有較高的優(yōu)勢(shì)，功率因素也達(dá)到了較高的水平。并在運(yùn)行的過(guò)程中不需要無(wú)功補(bǔ)償。但是這種相對(duì)復(fù)雜的電氣控制模塊的操作執(zhí)行的效率卻相對(duì)較低，且不能夠承載較高的過(guò)載壓力。另一方面，交—直—交變頻技術(shù)當(dāng)下在國(guó)內(nèi)的研發(fā)和應(yīng)用成本是比較高的。

在實(shí)際應(yīng)用中，主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的電氣控制技術(shù)的選擇直接決定整個(gè)控制邏輯和應(yīng)用效果，因此，需要在足夠了解多種主要電氣控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)要求和員工團(tuán)隊(duì)專業(yè)水平，選擇合適的電氣控制方案。而值得一提的是，在選擇時(shí)，也應(yīng)當(dāng)充分考慮生產(chǎn)安全的把控以及對(duì)傳統(tǒng)粗軋機(jī)系統(tǒng)問(wèn)題的關(guān)注，由此綜合分析，確定一種更加高效安全的電氣控制系統(tǒng)是更合理的。

2 變頻器的選用和設(shè)計(jì)

（1）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。主傳動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要的變頻器的設(shè)計(jì)，一般采用ACS6000 同步/異步中壓傳動(dòng)，并且以直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)為突出優(yōu)勢(shì)的電動(dòng)機(jī)。該變頻器設(shè)備一般可以將50或者60Hz 的電網(wǎng)正弦電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，隨后再轉(zhuǎn)換成為系統(tǒng)可以控制和利用的政策輸出頻率。ACS6000 中壓傳動(dòng)變頻器主要以逆變器、母線和整流器所組成，一般由逆變器來(lái)把控電動(dòng)機(jī)的力矩和速率，再由母線為一臺(tái)或多臺(tái)電機(jī)提供動(dòng)力。由此結(jié)合多個(gè)逆變器系統(tǒng)組成多傳動(dòng)配置。

在變頻器的電橋設(shè)計(jì)一般基于3 電平結(jié)構(gòu)，并且允許端電壓達(dá)到較高水平。此系統(tǒng)無(wú)須半導(dǎo)體進(jìn)行串聯(lián)，并且能夠降低這種變頻技術(shù)模式下容易出現(xiàn)的諧波水平。而其中用到開(kāi)關(guān)模式技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，能夠在變頻器電機(jī)體系中不用再配置斷路器。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或問(wèn)題的時(shí)候，如果朱電壓源出現(xiàn)斷電情況，那么可以更及時(shí)切斷變頻器以及其與電機(jī)間的聯(lián)通電路。

（2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。以交—交變頻器為例，其功率部分包括逆變器以及整流器元件，那么這兩個(gè)元件是基于同樣的開(kāi)關(guān)模式而形成的裝置。其結(jié)構(gòu)和特性表現(xiàn)在于，由基礎(chǔ)的三電平DTC 開(kāi)關(guān)構(gòu)成，并且在變頻控制上沒(méi)有緩沖器的設(shè)計(jì)，沒(méi)有熔斷器的配置。

這種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于在工作的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生熔斷器熔斷的可能，而且降溫系統(tǒng)也不需要根據(jù)變頻器的能耗來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)控制，變頻器在傳動(dòng)過(guò)程中，所有扭矩-速度四象限工作的同時(shí)不用在配置額外的設(shè)備。

并且從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，這種變頻器在輸出的頻率方面具備0～72Hz 的更寬范圍，并且電源符合的攻略因素沒(méi)有SVC，在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)電源諧波畸變的情況概率較低，而從點(diǎn)擊的角度來(lái)說(shuō)維護(hù)量也相對(duì)較小。與直流傳動(dòng)相比，其具備更加強(qiáng)大的負(fù)載抗壓能力，特別是在堵轉(zhuǎn)的情況出現(xiàn)的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)全扭矩輸出。

圖1 粗軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意

3 控制器選擇和應(yīng)用

TDC 作為來(lái)自西門子公司基于應(yīng)用于主傳動(dòng)系統(tǒng)中的控制器產(chǎn)品，其在我國(guó)大量的鋼鐵產(chǎn)業(yè)當(dāng)中都有重要的應(yīng)用。在寬厚板粗軋機(jī)的主傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，該控制器包含的多個(gè)處理器的性能特點(diǎn)讓它能夠勝任這種需要強(qiáng)勁功率和動(dòng)力的軋機(jī)設(shè)備傳動(dòng)控制工作。

該控制器作為一個(gè)系統(tǒng)化的設(shè)備，在粗軋機(jī)主傳動(dòng)這類滯后的體系中，可以實(shí)現(xiàn)更加快速高效地去處理控制周期滯后的問(wèn)題。并且其利用構(gòu)建起來(lái)的系統(tǒng)架構(gòu)，能夠很好地解決粗軋機(jī)壓下系統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。得益于TDC 超強(qiáng)運(yùn)算能力和信息傳輸能力可以很好讓壓下及速度更好聯(lián)合，進(jìn)而讓整個(gè)粗軋機(jī)的工作品質(zhì)以及生產(chǎn)效率都提升很多。

具體來(lái)說(shuō)，TDC 在具體的設(shè)計(jì)中，針對(duì)粗軋機(jī)主傳動(dòng)體系的滯后特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)可供插入20 個(gè)CPU 模塊的機(jī)架，保證其采樣時(shí)間達(dá)到比較優(yōu)質(zhì)的100 微秒。而需要注意的是，CPU 可以采用64 位的處理器，因?yàn)檫@樣可以實(shí)現(xiàn)更多軟件和控制系統(tǒng)配置的同時(shí)運(yùn)行，進(jìn)而能夠在整個(gè)控制器的性能方面實(shí)現(xiàn)無(wú)限擴(kuò)展。

4 主傳動(dòng)變頻器的新技術(shù)探究

在至關(guān)重要的變頻器的選用和實(shí)踐過(guò)程中，DTC 作為新興的控制器技術(shù)的代表，應(yīng)當(dāng)花費(fèi)足夠多的精力去專研。一般來(lái)說(shuō)，每?jī)晌⒚胱冾l器都會(huì)將測(cè)量的電動(dòng)機(jī)相關(guān)數(shù)值傳輸?shù)綄Ｓ玫淖赃m應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型中，并且能夠同步計(jì)算出磁通和轉(zhuǎn)矩，而根據(jù)所計(jì)算的數(shù)值與磁通控制器提前預(yù)估的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。而隨后控制器的輸出表現(xiàn)，在每50 微秒期間由最合適的開(kāi)關(guān)邏輯直接去為逆變器的開(kāi)關(guān)元件配置一個(gè)最合適的位置。

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制示意

5 主站與從站功能的設(shè)定和網(wǎng)絡(luò)模塊選定

在系統(tǒng)中，主站系統(tǒng)可以配置以上提到的TDC，粗軋機(jī)TDC 中搭配兩個(gè)CPU，兩個(gè)CPU 分別組成GMD 網(wǎng)絡(luò)通訊組網(wǎng)以及系統(tǒng)的速度閉環(huán)控制及運(yùn)算。需要注意的是，主站的功能在此時(shí)還需要采集電機(jī)的各方面參數(shù)數(shù)值，以便提供給中央控制器進(jìn)行監(jiān)控。而從站的功能可以配置兩套SIMADYN-D控制系統(tǒng)，其分別承擔(dān)電機(jī)的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

網(wǎng)絡(luò)模塊是現(xiàn)代信息化技術(shù)應(yīng)用下主傳動(dòng)控制系統(tǒng)不可或缺的配置，而TDC 作為高效率高速響應(yīng)的控制器模塊，與之相匹配的網(wǎng)絡(luò)模塊應(yīng)當(dāng)選用GDM 這樣的高效率網(wǎng)絡(luò)制式模塊。該模塊的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在，運(yùn)算能力異常強(qiáng)大的同時(shí)，可以利用光纖電纜和共存儲(chǔ)存器。并且這種網(wǎng)絡(luò)模塊可以在多個(gè)產(chǎn)業(yè)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大的組網(wǎng)能力。當(dāng)然具備獨(dú)立框架的GDM 的接口是由CP52A0 所供應(yīng)支持的。那么在TDC系統(tǒng)中，得益于GDM 網(wǎng)絡(luò)模塊的優(yōu)勢(shì)，能夠讓它實(shí)現(xiàn)更加廣泛和穩(wěn)定的信息通訊。

而在TDC 中，需要選擇網(wǎng)絡(luò)控制和信息化控制的優(yōu)點(diǎn)，如果希望能夠讓整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定和高性能，那么進(jìn)行高速率的數(shù)據(jù)交換配置是其中要重點(diǎn)關(guān)注的。完全可以利用GDM網(wǎng)絡(luò)光纖技術(shù)的優(yōu)勢(shì)組成星形的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如此可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)44 個(gè)TDC 機(jī)架聯(lián)合836 個(gè)CPU 聯(lián)合運(yùn)行的體系。

6 主傳動(dòng)電機(jī)的選擇

基于粗軋機(jī)主傳動(dòng)采用交流變頻的傳動(dòng)控制機(jī)制，那么主電機(jī)則選用高功率的交流調(diào)速電機(jī)設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)，同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)都可以根據(jù)實(shí)際的情況和要求靈活選擇。正常來(lái)講，同步電動(dòng)機(jī)屬于容性負(fù)載的同時(shí)其功率因素比較超前，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的電網(wǎng)容量的提升是非常有效的。并且根據(jù)優(yōu)質(zhì)經(jīng)驗(yàn)可以了解到該電機(jī)在運(yùn)行的時(shí)候能夠保持不錯(cuò)的穩(wěn)定性和可靠性，在電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障等非正常情況下，電壓驟降時(shí)（如瞬間驟降至額定電壓8 成以下），那么電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)會(huì)及時(shí)進(jìn)行應(yīng)對(duì)，以便讓電機(jī)保持更加穩(wěn)定和安全的運(yùn)行狀態(tài)。顯然，如此高的過(guò)載能力相對(duì)于異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，是更適合寬厚板粗軋機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源的。

7 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本文的探討和論述，可以發(fā)現(xiàn)，寬厚板粗軋機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)在進(jìn)行科學(xué)化設(shè)計(jì)以及引進(jìn)多方面合適的先進(jìn)技術(shù)之后。所軋制出來(lái)的產(chǎn)品及材料的多方面質(zhì)量達(dá)標(biāo)率非常高，并且產(chǎn)品的誤差范圍控制在極小的范圍內(nèi)。特別是很多應(yīng)用型的重軌等鋼鐵材料的技術(shù)應(yīng)用性能都達(dá)到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。而重新設(shè)計(jì)和改造之后的主傳動(dòng)系統(tǒng)不僅在運(yùn)行的過(guò)程中有更加高效和穩(wěn)定的可靠狀態(tài)，更重要的是這樣的系統(tǒng)在結(jié)合信息化網(wǎng)絡(luò)和智能控制模塊后，其操控的簡(jiǎn)便性以及至關(guān)重要的安全性表現(xiàn)都達(dá)到了非常高的水準(zhǔn)。而經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明具備更高功率因素和可控性的交—直—交變頻器技術(shù)，非常適合當(dāng)代多個(gè)領(lǐng)域的寬厚板粗軋機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。