冷軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)改造

毛 兵，王 云，彭繼明

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩股份有限公司冷軋廠，四川攀枝花 617000）

0 引言

由于原有軋機(jī)主傳動(dòng)直流電機(jī)存在發(fā)熱嚴(yán)重、換向困難、換向火花大、電刷溫度高及絕緣下降、超載和超負(fù)荷等諸多設(shè)備安全運(yùn)行隱患，為充分發(fā)揮攀鋼冷軋廠酸軋機(jī)組的生產(chǎn)能力，保證軋機(jī)完全按照軋制模型設(shè)定的參數(shù)軋鋼，并能適應(yīng)新產(chǎn)品的開發(fā)，使軋機(jī)段在軋制薄板、超深沖板、大壓下率和高強(qiáng)度鋼時(shí)不再受主傳動(dòng)電機(jī)能力的制約，且在改造后降低設(shè)備的維護(hù)量，提高設(shè)備的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，在2008 年，冷軋廠對(duì)軋機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行全面升級(jí)改造。

改造方案包括新增高低壓供配電系統(tǒng)設(shè)備、用ABB 公司生產(chǎn)的ACS6000 中壓傳動(dòng)柜替代原ABB TYRAK XL 直流傳動(dòng)柜、將直流電機(jī)替換成交流同步電機(jī)、增加一套同步電機(jī)用軸承油潤(rùn)滑系統(tǒng)、新增兩路DN300 循環(huán)水管路，一路用于交流同步電機(jī)背包式水冷卻器；另一路用于ACS6000 中壓傳動(dòng)柜、更換1#—4#機(jī)架主電機(jī)至齒輪箱的安全聯(lián)軸器、PLC 控制系統(tǒng)新增與主傳動(dòng)柜的通信接口（ABB AF100），并對(duì)控制程序進(jìn)行適應(yīng)性修改和優(yōu)化，改造后新的軋機(jī)主傳動(dòng)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，改造完成后，整個(gè)機(jī)組的負(fù)荷較為均勻。機(jī)組的實(shí)際使用速度得到提高，主要從供配電系統(tǒng)、ACS6000 傳動(dòng)系統(tǒng)、上位機(jī)PLC 控制系統(tǒng)、1#—4#主電機(jī)4 個(gè)方面來(lái)對(duì)冷軋主傳動(dòng)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1 冷軋主傳動(dòng)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

1 供配電系統(tǒng)

在現(xiàn)有冷軋廠主軋10 kV 變電所新增2 面10 kV 高壓配電柜，一面為主變壓器供電，另一面為ET5 勵(lì)磁變壓器供電，新增一臺(tái)10 kV 主變壓器向ACS6000 中壓傳動(dòng)柜供電，一臺(tái)10 kV勵(lì)磁變壓器向勵(lì)磁配電中心供電，一套勵(lì)磁配電中心經(jīng)過4 臺(tái)勵(lì)磁隔離變壓器為ACS6000 中壓傳動(dòng)柜EXU 勵(lì)磁單元供電，主體設(shè)備配置及重要參數(shù)見表1。

表1 供配電系統(tǒng)主體設(shè)備配置

2 ABB ACS6000 中壓傳動(dòng)系統(tǒng)

2.1 ABB ACS6000 中壓傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

ABB ACS6000 中壓傳動(dòng)系統(tǒng)是基于模塊化設(shè)計(jì)的容量可達(dá)兆瓦級(jí)的交流多傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品，其主要體現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和公共直流母線的設(shè)計(jì)理念，可廣泛應(yīng)用于船舶行業(yè)的重要推進(jìn)系統(tǒng)、石油天然氣行業(yè)的壓縮機(jī)和主泵設(shè)備、采礦和冶金行業(yè)的提升機(jī)和軋機(jī)系統(tǒng)、擠壓機(jī)和礦石研磨機(jī)等系統(tǒng)上，該系統(tǒng)是按照攀鋼釩冷軋主軋機(jī)1#—4#機(jī)架主傳動(dòng)系統(tǒng)的工藝流程和設(shè)備配置的需求，設(shè)計(jì)3 套整流系統(tǒng)與4 套逆變系統(tǒng)模塊共同連到同一條DC BUS（直流母線）上，從圖1 中可以看出，ACS6000 傳動(dòng)系統(tǒng)包括2 個(gè)WCU 水冷單元、3 個(gè)ARU 整流裝置、1 個(gè)CBU 電容裝置、4 個(gè)INU 逆變裝置、4 個(gè)EXU 勵(lì)磁裝置。

2.2 ARU 整流裝置

ABB ACS6000 中壓主傳動(dòng)整流系統(tǒng)采用3×9 MV·A 的功率模塊并聯(lián)組成，構(gòu)成18 脈波整流系統(tǒng)。ARU 整流單元將進(jìn)線3150 V 交流電源整流成4800 V 的直流電源，正常運(yùn)行時(shí)直流電壓保持基本穩(wěn)定。根據(jù)主電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)還是制動(dòng)狀態(tài)的不同，ARU 整流單元工作在從電網(wǎng)獲取電能或者向電網(wǎng)注入電能達(dá)到實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí)即使進(jìn)線電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)，其輸出直流電壓也能保持基本穩(wěn)定。整流系統(tǒng)采用IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor，集成門極換流晶閘管）來(lái)實(shí)現(xiàn)4 象限運(yùn)行、每套整流單元采用6 脈沖3 電平的電壓源整流裝置。整流裝置輸出的電壓波形包含有諧波成分，為了將諧波成分降到更低水平，控制系統(tǒng)采用優(yōu)化脈沖模式的方式，將優(yōu)化后的脈沖模式存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)的查詢表里，控制器按照系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)選擇優(yōu)化后的脈沖模式，可將整流變壓器的線電壓與電流的相位達(dá)到一致，也就是說可使系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到或接近于1。

2.3 INU 逆變裝置

由于攀鋼釩冷軋廠主軋機(jī)采用六輥四機(jī)架冷連軋機(jī)組，1#—4#機(jī)架分別由4 臺(tái)高壓交流同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以ACS6000中壓傳動(dòng)系統(tǒng)共有4 個(gè)逆變裝置，每個(gè)逆變裝置將直流母線電壓逆變成交流電壓，分別控制4 臺(tái)交流同步電機(jī)。逆變裝置可以進(jìn)行四象限運(yùn)行，INU 逆變單元仍然使用6 脈沖3 電平的電壓源逆變裝置，逆變裝置和整流裝置的安裝布局和使用的元器件完全是相同的，都是具有一個(gè)交流側(cè)和一個(gè)直流側(cè)，所以在系統(tǒng)上是對(duì)稱的，運(yùn)行在電動(dòng)模式時(shí)，整流裝置如同運(yùn)行在制動(dòng)模式的逆變裝置；運(yùn)行在制動(dòng)模式時(shí)，整流裝置如同運(yùn)行在電動(dòng)模式的逆變裝置。整流裝置和逆變裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 整流裝置和逆變裝置主回路結(jié)構(gòu)

2.4 CBU 電容裝置

ABB ACS6000 中壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩套電容裝置，電容裝置主要功能是平滑中間直流回路電壓波形，電容裝置包括2組1600 μF，2866 V 水冷式直流電容器；控制柜中設(shè)計(jì)有1套充電回路及裝置；該裝置主要是在ACS6000 中壓傳動(dòng)柜和進(jìn)線主電源接通之前，先控制充電回路對(duì)CBU 的電容進(jìn)行充電。杜絕高壓柜斷路器合閘時(shí)產(chǎn)生大的浪涌電流損壞設(shè)備。

2.5 EXU 勵(lì)磁裝置

勵(lì)磁裝置通過低壓供配電系統(tǒng)經(jīng)勵(lì)磁隔離變壓器供電，其進(jìn)線電源為三相AC 380 V 交流電源，通過勵(lì)磁裝置的6 脈波可控硅整流后為主電機(jī)的轉(zhuǎn)子提供直流電源，其主要由晶閘管整流器、過壓保護(hù)單元、CCB 控制回路、脈沖控制回路、電壓和電流測(cè)量回路、主接觸器及其控制回路等組成。

2.6 WCU 水冷裝置

ABB ACS6000 中壓傳動(dòng)系統(tǒng)的IGCT、二極管、電阻、電容、電抗器等功率元器件均采用水冷的方式進(jìn)行冷卻，水冷裝置主要功能是向以上功率元器件提供內(nèi)循環(huán)冷卻水，將功率元器件產(chǎn)生的熱量通過內(nèi)循環(huán)水與外循環(huán)冷卻水經(jīng)過熱交換器進(jìn)行熱量交換帶走，達(dá)到冷卻功率元器件的目的，運(yùn)行時(shí)通過去離子過濾器的過濾，使內(nèi)循環(huán)冷卻水的電導(dǎo)率維持在0.4 μS 以下，水冷裝置主要包含去離子內(nèi)循環(huán)水回路、熱交換器、外循環(huán)冷卻水回路、泵、閥、管網(wǎng)、（溫度、流量、壓力、電導(dǎo)率等）傳感器和控制系統(tǒng)組成。當(dāng)內(nèi)循環(huán)冷卻水的電導(dǎo)率高于0.5 μS 傳動(dòng)柜會(huì)發(fā)出告警信號(hào)，高于0.7 μS 傳動(dòng)柜會(huì)發(fā)出跳閘信號(hào)。

2.7 COU 控制回路

COU 控制回路是整個(gè)ABB ACS6000 中壓傳動(dòng)系統(tǒng)的控制核心，其控制傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行、保護(hù)、報(bào)警和跳閘等功能，柜內(nèi)安裝有與上位機(jī)PLC 控制系統(tǒng)的通信接口回路和就地控制盤。主要由AMC33 控制器、INT 接口板、電壓電流測(cè)量回路、編碼器接口回路、水冷系統(tǒng)控制及監(jiān)控、傳動(dòng)系統(tǒng)ON/OFF 控制等組成。

2.8 ACS6000 中壓變頻器重要技術(shù)介紹

2.8.1 DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

DTC（Direct torque control，直接轉(zhuǎn)矩控制）技術(shù)是ABB ACS6000 中壓傳動(dòng)系統(tǒng)的重要關(guān)鍵技術(shù)，它是ABB 傳動(dòng)系統(tǒng)獨(dú)特的控制技術(shù)。逆變裝置IGCT 功率元件的導(dǎo)通和關(guān)斷由電機(jī)的核心變量（磁通和轉(zhuǎn)矩）進(jìn)行直接控制。每25 μs 將測(cè)量出的電機(jī)電流和直流電壓輸入到一個(gè)自適應(yīng)的電機(jī)模型中，通過電機(jī)模型精確計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際磁通和轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩和磁通比較器把實(shí)際測(cè)量值與轉(zhuǎn)矩和磁通控制器計(jì)算的參考給定進(jìn)行比較。按照磁滯控制器的輸出結(jié)果，每50 μs 由最優(yōu)的開關(guān)邏輯確定逆變裝置IGCT 功率元件最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)及位置。DTC 控制技術(shù)提供精確轉(zhuǎn)矩控制參考，使得ABB ACS6000 中壓傳動(dòng)裝置提供出最優(yōu)和最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這樣既便于控制電機(jī)的啟動(dòng)，又有利于電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩平滑運(yùn)行，發(fā)揮同步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、功率因數(shù)高的特點(diǎn)。電機(jī)DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制如圖3 所示。

圖3 電機(jī)DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制

2.8.2 集成門極換流晶閘管（IGCT）

IGCT 集成門極換流晶閘管是ABB 公司專門為中壓變頻裝置研發(fā)的高電壓、大功率半導(dǎo)體開關(guān)元器件，它將門極觸發(fā)回路和門極換流晶閘管GCT 集成在一個(gè)整體結(jié)構(gòu)上形成形成IGCT 功率元件。其不僅和GTO 具有相同的高阻斷和低通態(tài)壓降特性，而且還具有和IGBT 同樣的開關(guān)性能，兼有IGBT 和GTO 功率元件之所長(zhǎng)，是一種理想的高電壓、大功率開關(guān)元器件。IGCT 功率元器件與GTO 和IGBT 功率元器的比較見表2。

表2 IGCT 技術(shù)與GTO 和IGBT 的比較

3 上位機(jī)PLC 控制系統(tǒng)

3.1 概述

攀鋼釩冷軋廠主傳動(dòng)上位機(jī)PLC 控制系統(tǒng)采用ABB生產(chǎn)的AC450 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一款高性能的過程控制器。它的高過程處理能力和靈活的通信接口，使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，其硬件主要由控制器機(jī)架、PM511 控制器、SC510（SC520）控制基板、程序卡、通信子模塊、I/O 系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等。軟件編程語(yǔ)言采用AMPL（ABBMaster 編程語(yǔ)言），用于配置和應(yīng)用程序構(gòu)建及控制程序的編譯，它是一種具有圖形表示的功能塊語(yǔ)言，AMPL 系統(tǒng)自身帶有多種控制功能和計(jì)算、傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)功能塊，除標(biāo)準(zhǔn)功能塊外，用戶還可以根據(jù)實(shí)際需要自定義各種功能塊來(lái)滿足現(xiàn)場(chǎng)控制功能的需求。AC450 具有很強(qiáng)的通信擴(kuò)展性，其支持Masterbus300 總 線、Advent Fieldbus100、Profibus-DP、Master Fieldbus Modbus 等多種通信協(xié)議，ACS6000 傳動(dòng)系統(tǒng)與AC450 控制系統(tǒng)之間采用Advent Fieldbus100 通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4 所示。

圖4 AC450 控制系統(tǒng)與ACS6000 傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

3.2 AC450 中主傳動(dòng)控制功能

在AC450 控制系統(tǒng)中，1#—4#機(jī)架的速度參考根據(jù)SRG（速度參考生成）功能中生成的速度參考值通過AF100 通信發(fā)給ACS6000 傳動(dòng)系統(tǒng)控制1#—4#機(jī)架主電機(jī)的軋制速度，除速度參考生成功能外，在上位機(jī)AC450控制系統(tǒng)中，與主傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的控制功能還包括慣量補(bǔ)償、傳動(dòng)起停、機(jī)架點(diǎn)動(dòng)、ID 運(yùn)行、操作準(zhǔn)備條件、穿帶準(zhǔn)備條件、機(jī)組運(yùn)行準(zhǔn)備條件、主電機(jī)軸承潤(rùn)滑流量和壓力監(jiān)控、主電機(jī)溫度監(jiān)控等控制功能，AC450 控制系統(tǒng)和ACS6000 傳動(dòng)系統(tǒng)之間主要信號(hào)交換見表3。

4 1#—4#機(jī)架主電機(jī)

大型交流同步電機(jī)具有改善電網(wǎng)質(zhì)量、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、速度控制精度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型軋鋼機(jī)組的主軋線驅(qū)動(dòng)電機(jī)，攀鋼釩冷軋廠主傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用東方電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的BPT 系列交流同步電機(jī)，各機(jī)架主電機(jī)的詳細(xì)型號(hào)及參數(shù)見表4，主電機(jī)由定子及轉(zhuǎn)子兩大部分所組成，定子上有三相交流繞組；定子由定子鐵芯、繞組、機(jī)座和端蓋等部件所組成，轉(zhuǎn)子為凸極式結(jié)構(gòu)，主要由轉(zhuǎn)子（上有勵(lì)磁繞組）、滑動(dòng)軸承及軸承座、集電環(huán)和刷架（上有電刷）等組成，勵(lì)磁繞組通入直流電流后，能產(chǎn)生磁場(chǎng)。在定子的頂部安裝有背包式水冷裝置，用于主電機(jī)的冷卻，在主電機(jī)的三相繞組、軸瓦、冷卻器進(jìn)出風(fēng)口安裝有PT100 溫度傳感器，用于測(cè)量各部溫度，并將信號(hào)接入PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，異常溫升時(shí)及時(shí)停機(jī)保護(hù)主電機(jī)。

表4 1#—4#機(jī)架主電機(jī)主要參數(shù)表

5 結(jié)束語(yǔ)

通過2008 年對(duì)攀鋼釩冷軋廠主傳動(dòng)系統(tǒng)的全面改造，雖然出現(xiàn)過主電機(jī)勵(lì)磁繞組引線疲勞損壞、定子壓指脫焊、ACS6000 傳動(dòng)系統(tǒng)IGCT 功率元件異常損壞等諸多故障，但經(jīng)過勵(lì)磁繞組引線改變連接方式、定子繞組采取防脫焊措施、更換IGCT 功率元件觸發(fā)板等多項(xiàng)措施，逐步消除主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備存在的缺陷和隱患，基本達(dá)到提升冷軋產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、改善電網(wǎng)質(zhì)量、解決原有直流傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、滿足酸軋機(jī)組生產(chǎn)工藝對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備要求的目的。