穿孔機(jī)中壓傳動系統(tǒng)中不間斷電源國產(chǎn)化升級改造應(yīng)用

吳 飛，宮 濤，馬 佳，常云鍵

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

天津鋼管制造有限公司（簡稱天津鋼管）Φ460 mm 連軋管機(jī)組穿孔機(jī)主傳動系統(tǒng)使用SVGN 交直交中壓大功率變頻器中壓傳動，驅(qū)動2 臺6 500 kW主電機(jī)。SVGN 的功率元件采用IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）集成門極換流晶閘管元件。IGCT 門極的控制電源由系統(tǒng)的UPS（Uninterruptable Power System，不間斷電源）提供，UPS 供電質(zhì)量決定IGCT 運行的穩(wěn)定性。

1 穿孔主傳動系統(tǒng)工作環(huán)境及使用目的

穿孔主傳動系統(tǒng)是確保熱軋無縫鋼管從實心鋼坯實現(xiàn)空心毛管軋制的重要傳動系統(tǒng)。Φ460 mm連軋管機(jī)組穿孔主傳動系統(tǒng)使用的2 套IGCT 原件為某公司生產(chǎn)的5SHY35L4510 型。此型號的IGCT工作環(huán)境要求門極供電壓U 為48～80 V，頻率f 為15～100 kHz 方波。Φ460 mm 連軋管機(jī)組在實際應(yīng)用時，使用了ALIBT 型號的電源板和隔離變壓器將進(jìn)線230 V 電源變?yōu)?88 V/58 kHz 方波電源，通過4 ∶1的隔離變壓器最終輸出72 V/58 kHz 方波電源電壓，此電源為 IGCT 門極供電［1］。

使用UPS 元件在于保證電源輸出波形正常，確保IGCT 門極觸發(fā)穩(wěn)定性。當(dāng)存在IGCT 模塊的上下半橋因門極供電不穩(wěn)定造成關(guān)斷延遲，就會出現(xiàn)橋臂直通現(xiàn)象，這樣會對設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p失［2］。

2 SVGN 系統(tǒng)存在的問題

由于近年來新品開發(fā)力度和生產(chǎn)任務(wù)不斷加大，對穿孔主傳動系統(tǒng)傳輸效率和準(zhǔn)確性提出了更高要求。多年的高負(fù)荷運行使得該SVGN 系統(tǒng)中的隨機(jī)配套元件——UPS 元件在使用中曾經(jīng)因主機(jī)故障進(jìn)行過更換，更換后的設(shè)備多次出現(xiàn)IGCT 故障報警，下線檢查發(fā)現(xiàn)電路管沒有出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。對UPS 供電波形和IGCT 的門極供電波形進(jìn)行采集，分析后發(fā)現(xiàn)UPS 的輸出電源波形不好，并不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而且門極方波電壓毛刺較多，這就導(dǎo)致了IGCT 門極供電電壓的不穩(wěn)定。

不穩(wěn)定的門極供電是造成IGCT 頻繁出現(xiàn)門極故障的主要因素，另外在UPS 使用中還發(fā)現(xiàn)UPS在停電后啟動時，如果同時給TM03、TM04 變壓器送電會造成UPS 報警，自動切換到旁路狀態(tài)，這就造成傳動柜無法正常送電。對UPS 后備電池進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)線斷電后UPS 也同時斷電，沒有起到后備供電作用。下線檢查發(fā)現(xiàn)UPS 蓄電池大部分已經(jīng)無法充電。造成UPS 輸出電壓出現(xiàn)畸形，從而導(dǎo)致IGCT 在工作中出現(xiàn)異常（圖1）。

圖1 故障電壓波形

從故障波形可以看出，在中壓傳動中UPS 輸出電源波形的好壞對系統(tǒng)的穩(wěn)定性十分重要。UPS要能夠提供安全、干凈和穩(wěn)定的正弦波電源給負(fù)載設(shè)備，電源不能受任何因素的干擾［3］。

3 實現(xiàn)穿孔主傳動系統(tǒng)整體UPS 供電

從前由于Φ460 mm 連軋管機(jī)組穿孔整個中壓控制系統(tǒng)采用信息配置AMS（Application Management System）應(yīng)用管理系統(tǒng)集中控制，通過AMS輸出控制信號，經(jīng)XHFILPRO 型號的傳動系統(tǒng)控制板來控制IGCT 的導(dǎo)通和關(guān)斷。整個系統(tǒng)對IGCT門極供電的停送電順序有嚴(yán)格要求，通過柜內(nèi)的延時繼電器對設(shè)備進(jìn)行逐級送電，在停電時要求先中斷IGCT 的觸發(fā)信號，然后再斷開門極控制電源，這樣才能保證IGCT 正常運行。如果設(shè)備在正常使用時外部電源出現(xiàn)異常跳閘或其他原因造成設(shè)備停電，使IGCT 的控制順序出現(xiàn)異常，勢必會造成大范圍 IGCT 元件門極故障［4］。

若整個設(shè)備的邏輯控制電源都是通過UPS 供電，這樣既可以保證在電網(wǎng)出現(xiàn)異常波動或斷電時，使設(shè)備能夠按程序控制要求中斷，防止事故擴(kuò)大化；同時UPS 對供電電源能起到濾波、穩(wěn)壓的作用，保證供電電源的可靠穩(wěn)定［5］?？煽糠€(wěn)定的供電電源對于IGCT 來說是十分重要的。

4 UPS 系統(tǒng)升級改造

4.1 UPS 標(biāo)準(zhǔn)件選型

通過走訪同類企業(yè)，向國內(nèi)外多家UPS 專業(yè)生產(chǎn)廠家進(jìn)行技術(shù)交流，了解到當(dāng)前大多企業(yè)采用的是某公司工業(yè)用中小功率FR-UK-PG 系列UPS。該款UPS 專為工業(yè)制造業(yè)使用環(huán)境設(shè)計，是真正的工頻雙變換在線式高性能正弦波UPS，采用先進(jìn)的工業(yè)級功率器件、性能優(yōu)越的SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）正弦脈寬調(diào)制逆變器及智能化多模式電池管理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。這些先進(jìn)技術(shù)大多滿足天津鋼管生產(chǎn)要求，但對于熱軋無縫鋼管穿孔軋機(jī)現(xiàn)場高產(chǎn)量、多規(guī)格、強(qiáng)載荷的實際情況，該FR-UK-PG 系列UPS 原件輸出電壓為零線對地，無法滿足供電要求，不適用現(xiàn)場生產(chǎn)［6-7］。

4.2 UPS 非標(biāo)準(zhǔn)件定制

考慮到熱軋無縫鋼管穿孔軋制使用的是上下兩輥，在UPS 重新選型過程中，要求一旦穿孔機(jī)上下輥兩臺主機(jī)有一臺UPS 出現(xiàn)故障無法開機(jī)時，使用另一臺UPS 可以帶起兩臺主機(jī)的負(fù)荷［8-9］。因此要對UPS 容量進(jìn)行增容選型［10］。工作容量由10 kVA 增加至 20 kVA，將 FR-UK-PG 系列 IGCT 元件門極供電電壓72 V，頻率58 kHz 方波電壓（其中陰極直接連通直流母線）進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)定制，以避免由于門極供電電源故障產(chǎn)生接地點引入直流母線。

為此，將UPS 輸出電壓改造為浮地系統(tǒng)，即輸出兩根線都是相線，每根線對地115 V。增加1臺旁路隔離變壓器并將輸出隔離變壓器的零線進(jìn)行不接地處理，保證改造后的UPS 元件滿足系統(tǒng)供電要求。另外，增加了UPS 干接點報警功能，增加UPS 主機(jī)的“電池低壓、市電異常、UPS 故障、UPS 過載”等4 個繼電器干接點。這4 個干接點信號輸出到傳動裝置主機(jī)的AMS 框架內(nèi)進(jìn)行故障管理。當(dāng)UPS 出現(xiàn)故障信號，穿孔機(jī)主機(jī)會立即跳閘以避免造成故障擴(kuò)大化。

4.3 UPS 后備電池采用冗余設(shè)計

改造后的UPS 直流電壓采用低電壓高電流設(shè)計，直流電壓為192 V；電池的串聯(lián)節(jié)數(shù)為16 節(jié)。后備電池總數(shù)為32 節(jié)，這32 節(jié)電池采用冗余設(shè)計；即每組16 節(jié)電池串聯(lián)，然后這兩組串聯(lián)電池組并聯(lián)。這樣一旦一組串聯(lián)電池組中出現(xiàn)一節(jié)電池內(nèi)阻升高或開路以后，另外一組后備電池仍然能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)壓吸振及電網(wǎng)突然斷電以后的應(yīng)急供電功能。電池在選型過程中采用長壽命電池，電池在恒定的環(huán)境溫度下，電池壽命高達(dá)6 年。

4.4 增加MMBM-2 智能電池監(jiān)控系統(tǒng)

MMBM-2 智能電池監(jiān)控系統(tǒng)專為UPS 蓄電池的日常監(jiān)測維護(hù)而設(shè)計，由電池監(jiān)測采集單元和集中通信監(jiān)控器組成，采用專業(yè)的數(shù)字化控制技術(shù)、RS485 數(shù)據(jù)傳輸和在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，可在線實時監(jiān)測、記錄UPS 蓄電池組中任何一節(jié)電池的端電壓、充放電電流、電池表面溫度等參數(shù)，獨有的在線容量分析技術(shù)與智能告警功能可以幫助維護(hù)人員精確查找出電池組中的落后單體，有效降低電池檢修和維護(hù)工作量，提高系統(tǒng)工作的可靠性和測試的安全性。

電池監(jiān)控系統(tǒng)共有電池異常、通信異常、單體異常、溫度異常4 個報警。當(dāng)所監(jiān)控單節(jié)電池電壓低至10.2 V，關(guān)斷監(jiān)測單元電源，系統(tǒng)出現(xiàn)電池異常報警。當(dāng)所監(jiān)控單元與集中監(jiān)控器通信異常，出現(xiàn)通信異常報警。當(dāng)單節(jié)電池電壓與單節(jié)電池平均電壓相比，差值大于設(shè)置差壓值，系統(tǒng)出現(xiàn)單體異常報警。當(dāng)某節(jié)監(jiān)測溫度超過40 ℃或低于15 ℃時進(jìn)行溫度異常報警，所有電池單元溫度監(jiān)測低于37 ℃或高于18 ℃時恢復(fù)正常。

5 應(yīng)用效果

這2 套UPS 投入運行后工作正常。UPS 主機(jī)額定輸出電壓231.1 V；旁路輸出電壓為222～229 V（隨著電網(wǎng)電壓波動）；主機(jī)的負(fù)載率在變頻器空載時為20%，隨著軋制負(fù)荷的不同IGCT 的門極功率會隨之升高，因而UPS 的負(fù)載率會上升至25%左右；后備電池的電池電壓在13.48～13.78 V，電池表面溫度在30 ℃左右。通過多次用示波器觀測UPS輸出電壓波形穩(wěn)定，正弦度良好，如圖2 所示。

6 結(jié) 語

圖2 改造后輸出電壓波形

該項目改造歷時一年，投用的新型UPS 元件已使用兩年有余。Φ460 mm 連軋管機(jī)組穿孔中壓主傳動系統(tǒng)的IGCT 故障發(fā)生頻次由改造前平均兩三個月一起，降至如今再未發(fā)生過此類故障，效果顯著。在日常巡檢和檢修維護(hù)方面也相當(dāng)便捷，利用MMBM-2 智能電池監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)控電池的電壓和溫度。在設(shè)備剛剛投入使用的時候上輥UPS 出現(xiàn)電池溫度異常報警，電池監(jiān)控系統(tǒng)很清晰地顯示了異常電池的編號、電壓和溫度情況，可以很快地對異常情況進(jìn)行處理，節(jié)省了排查時間和處理時間。這套設(shè)備的投入使用不但保證了設(shè)備的正常運行，同時節(jié)約了大量備件費用。