Ф219 mm雙模軋機交直流十二脈波整流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

閆文秀

（太原重工股份有限公司，山西 太原030024）

2016年巴基斯坦PSM（Pakistan Steel Mills）公司計劃改造1條Ф219 mm無縫鋼管斜軋DME（雙模軋機）生產(chǎn)線，年計劃產(chǎn)量約5萬t。太原重工股份有限公司負責(zé)1臺多功能軋管機及1臺5機架定徑機的機械、電氣、流體設(shè)計和成套供貨，并在PSM公司現(xiàn)有穿孔機機組設(shè)備基礎(chǔ)上完成電氣系統(tǒng)升級改造。

雙模軋機主要是指機組的軋機為多功能軋機，該軋機同時具備穿孔功能和軋制功能。使用穿孔功能時，主機后臺的頂桿小車驅(qū)動頂桿和頂頭實現(xiàn)穿孔功能；軋機作為軋制功能使用時，主機前臺的限動小車驅(qū)動芯棒實現(xiàn)軋制功能。

PSM公司已有穿孔機為捷克斯洛伐克1條20世紀70年代的Φ219 mm Assel三輥斜軋生產(chǎn)線的部分設(shè)備。該穿孔機主電機為斯柯達生產(chǎn)的他勵直流電機，電機功率2 500 kW、電樞電壓930 V（DC）、電樞額定電流2 830 A、勵磁電壓110 V（DC）、勵磁電流120 A；新增軋機主電機為西門子原裝的1 500 kW交流電機，供電電壓690 V（AC）、電流2×800 A。

1 電氣傳動

傳動裝置的配置上，PSM公司要求所有的裝置都采用西門子歐洲原產(chǎn)地產(chǎn)品，穿孔機主電機的傳動裝置采用西門子新一代SINAMICS 6RA80直流調(diào)速系統(tǒng)；新增軋機的主電機傳動裝置采用西門子新一代SINAMICS S120公共直流母線的變頻調(diào)速系統(tǒng)。

穿孔機主傳動采用單電機十二脈動的傳動控制模式，穿孔機主傳動如圖1所示，電樞回路采用4個原裝的SINAMICS 6RA80的二象限直流調(diào)速裝置，電源側(cè)每2臺二象限直流調(diào)速裝置并列連接至同一個變壓器的一個副邊，每2臺并列直流裝置的正電源端（+）直接連接后連接至平波電抗器，通過平波電抗器連接至直流快開，快開輸出端并列連接至電機電樞的正端。4個電樞回路直流裝置的負電源端（-）短接并列連接至電機電樞的負端。勵磁回路采用1臺單獨的直流調(diào)速裝置進行勵磁控制。由于勵磁電壓只有直流110 V，因而需要設(shè)置專用的勵磁變壓器500/145 V把勵磁回路供電電壓調(diào)解至145 V。

圖1 穿孔機主傳動示意

軋機主電機的傳動裝置采用雙電機十二脈動的傳動控制模式，每一個整流變壓器的副邊都連接一套六脈動變頻調(diào)速裝置用來驅(qū)動其中一臺電機，只是變壓器2個副邊一個采用Y接法，另一個采用△接法。傳動裝置采用西門子SINAMICS S120公共直流母線的變頻調(diào)速裝置。每臺電機的驅(qū)動包含整流部分（AC-DC）（圖2）和逆變部分（DC-AC）（圖3）。整流部分由2臺基本整流裝置和1臺整流回饋裝置共同完成整流工作，在基本整流裝置和整流回饋裝置的輸入端都設(shè)置有進線電抗器，2臺基本整流裝置通過輸入電抗器并列連接至進線框架開關(guān)，使用2臺基本整流裝置并列的原因是單臺基本整流裝置的容量不夠。整流回饋裝置的輸入端包含進線電抗器、進線框架開關(guān)和預(yù)充電開關(guān)，預(yù)充電回路是整流回饋裝置安全啟動的保障。整流回饋裝置和基本整流裝置的進線框架開關(guān)的輸入端被并列連接至變壓器的同一個副邊?；菊餮b置的輸出端需要加裝直流快速熔斷器，基本整流裝置的直流輸出端通過快速熔斷器和整流回饋裝置的直流輸出端通過銅母排直接連接，該處銅母排被稱為直流母線。直流母線通過直流快速熔斷器連接至4個逆變器（MM），每2個逆變器并列連接至電機的1個繞組，該電機為雙繞組電機。

圖2 軋機主傳動整流部分（AC-DC）示意

圖3 軋機主傳動逆變部分（DC-AC）示意

直流調(diào)速SINAMICS 6RA80的控制器采用CUD；交流變頻SINAMICS S120的控制器采用CU320。這2種控制器均可以集成Profibus-DP或Profinet的通信接口，該項目使用Profibus-DP接口。PLC（邏輯控制器）選擇西門子S7-400，通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)傳動裝置和PLC控制器的無縫連接。

2 調(diào) 試

調(diào)試需要使用STARTER軟件，首先需要進行硬件配置，可以在線配置或離線配置，通常優(yōu)選在線配置。第一步恢復(fù)工廠設(shè)置，第二步進行在線自動配置，自動配置需要選擇控制模式為Vector（矢量控制），組態(tài)過程中要進行硬件升級，此時不能掉電，掉電會損壞硬件，升級完成則需要對控制器CU進行掉電。第三步需要進行功率模塊配置、編碼器數(shù)據(jù)配置、電機數(shù)據(jù)配置、參考數(shù)據(jù)配置等工作。配置完成后必須把參數(shù)從RAM（讀寫存儲器）拷入ROM（只讀存儲器），以防止掉電丟失參數(shù)［1］。

穿孔機主傳動調(diào)試，試車前首先測試直流快開功能。表1所示為SINAMICS 6RA80專門用于十二脈動控制的需要被設(shè)置的參數(shù)。

表1 直流調(diào)速SINAMICS 6RA80用于十二脈動控制的專用參數(shù)

調(diào)試后4個電樞模塊電流匹配情況需要通過STARTER軟件的數(shù)據(jù)軌跡記錄功能觀察（圖4）。

圖4 調(diào)試后4個電樞模塊電流匹配示意

軋機主傳動調(diào)試，需要注意整流回饋裝置的啟動時序和禁止短時間內(nèi)的重復(fù)啟動，雙繞組電機方向的一致性。

整流回饋裝置在啟動過程中需要執(zhí)行嚴格的時序。這主要是由于整流回饋裝置的整流部分都屬于不可控整流，整流后直流母線安裝有電容，電容主要功能為儲能和濾波（圖5）。整流回饋裝置停機一段時間后電容電量被釋放，如果此時主回路接通安裝在主回路二極管會自然換向在直流主回路產(chǎn)生直流電，沒有儲能的直流主回路電容此時相當(dāng)于短路，致使產(chǎn)生交流主回路器件無法承受的大電流。

圖5 整流回饋裝置主回路

整流回饋裝置啟動時序如圖6所示。整流回饋裝置接受到來自PLC的啟動命令，其內(nèi)部預(yù)充電接觸器吸合，通過預(yù)充電電阻實現(xiàn)對直流母線電容充電，當(dāng)直流母線達到預(yù)設(shè)值，整流回饋裝置的端子排X9的端子3、4將閉合，通過該信號來控制主回路的接通。但裝置收到停止命令后要確保主回路斷開。要確保主回路和預(yù)充電回路的相序一致。

圖6 整流回饋裝置啟動時序示意

兩次完整的預(yù)充電過程之間允許的最小間隔時間為3 min。時間過短會造成預(yù)充電電阻損壞。

電機旋轉(zhuǎn)前需要確認2個繞組旋向一致性?？梢酝ㄟ^參數(shù)P125實現(xiàn)單個模塊激活或禁用，該項目使用4個電機模塊，P125［0］、P125［1］、P125［2］、P125［3］和4個模塊對應(yīng)，修改P125［0］對應(yīng)參數(shù)值可實現(xiàn)該模塊激活或禁用。

3 注意事項

整流回饋裝置前端必須配置一個相對短路壓降為4%的進線電抗器，基本整流裝置和整流回饋裝置的整流部分都屬于不可控整流，為了保持整流時候的負荷在基本整流裝置和整流回饋裝置平均分配，需要調(diào)節(jié)基本整流裝置的進線電抗器的電感量；雙繞組電機的最佳驅(qū)動方案需要盡可能保持2個繞組驅(qū)動硬件的對稱一致性。

S120在IT供電系統(tǒng)中設(shè)備調(diào)試時，需要斷開RFI濾波器上的接地短接片。如果沒有斷開此短接片，則當(dāng)電機側(cè)發(fā)生接地故障，濾波器的電容會過載并有可能損壞整流回饋裝置，基本整流裝置同樣也存在該問題。S120公共直流母線的變頻調(diào)速裝置對于IT供電系統(tǒng)，需要配置接地故障監(jiān)控繼電器。監(jiān)控繼電器觸點（報警、故障）需要接至控制單元的數(shù)字量輸入端子。報警限值為20 kΩ，故障限值10 kΩ。收到故障信息后需要通過裝置的脈沖封鎖功能實現(xiàn)電機的停車［2］。

因為整流回饋裝置的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的觸發(fā)脈沖是由控制單元來控制同步的，由于變壓器的二次繞組之間有30°的電氣相位差，所以必須使用2個控制單元來分別控制十二脈動的整流回饋裝置。因此由同一個控制單元控制的整流回饋裝置必須連接至變壓器的同一個二次繞組。同理，2臺電機的2組逆變器也不能共用1個CU控制。

在穿孔機主傳動主回路上加裝了瑞士賽雪龍的直流快速開關(guān)?？扉_吸合電壓為直流48 V，吸合后通過在回路中加電阻電壓只需要2.3 V就可以維持。后期多次發(fā)現(xiàn)快開無法正常吸合的現(xiàn)象，經(jīng)過仔細分析得知快開的吸合和分斷再吸合必須保證有足夠的時間間隔。穿孔機主電機電樞電流、功率、扭矩等信息需要把4個模塊的對應(yīng)數(shù)值進行疊加。

4 結(jié) 語

交直流主傳動裝置通過十二脈動的使用可以消除整流過程所產(chǎn)生的5、7、17、19……次諧波，使得電氣系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。穿孔機主傳動可以通過把電樞裝置中2臺裝置變成四象限裝置來實現(xiàn)穿孔機主機的快速停車功能。穿孔機直流主傳動運行后該處功率因數(shù)約為0.6。針對該問題可以通過加裝功率因素補償裝置來實現(xiàn)功率因素的提升。

Ф219 mm雙模軋機交直流十二脈波整流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試得到了西門子（中國）有限公司工程師劉三昌的大力幫助，在此表示感謝。