無(wú)縫鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域用中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造

吳聯(lián)合，梁 猛，韓廣祿，李繼偉，李海龍，霍 明

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)的中壓變頻大傳動(dòng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展進(jìn)步，以深圳市禾望科技有限公司（簡(jiǎn)稱深圳禾望）HD8000、株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司（簡(jiǎn)稱株洲中車）TGS6000、天津電氣科學(xué)研究院有限公司（簡(jiǎn)稱天津電氣院）TWV1 為代表的中壓變頻系統(tǒng)在冶金企業(yè)逐步取代ABB、SIMENS、TMEIC、ANSALDO 等國(guó)外公司的相應(yīng)進(jìn)口產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)制造產(chǎn)品突破了國(guó)外技術(shù)封鎖，并取得了多項(xiàng)技術(shù)專利，整機(jī)性能達(dá)到或超過(guò)國(guó)外同類型產(chǎn)品，處于行業(yè)先進(jìn)水平，甚至有些控制方式和保護(hù)策略處于國(guó)際先進(jìn)水平[1-4]。

2017 年深圳禾望針對(duì)天津鋼管制造有限公司（簡(jiǎn)稱天津鋼管）Φ720 mm 斜軋擴(kuò)徑機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)特殊需求，共同開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首套應(yīng)用于無(wú)縫鋼管制造領(lǐng)域的12 MW 中壓變頻大傳動(dòng)系統(tǒng)，并在2018 年投入試生產(chǎn)，運(yùn)行至今設(shè)備零停機(jī)、零故障，適應(yīng)各種電網(wǎng)波動(dòng)環(huán)境和運(yùn)行過(guò)載環(huán)境，取得了良好的效果。

在以中厚壁鋼管為母料的大直徑無(wú)縫鋼管斜軋擴(kuò)徑生產(chǎn)中，為去除母料在加熱過(guò)程中內(nèi)壁產(chǎn)生的氧化皮[5-13]，會(huì)采用高壓鹽水對(duì)鋼管內(nèi)表面氧化鐵皮進(jìn)行高壓蒸汽爆裂除鱗，以提高鋼管內(nèi)表面的軋制質(zhì)量，這會(huì)不可避免地造成生產(chǎn)車間及變頻器環(huán)境中存在大量的導(dǎo)電顆粒。

Φ720 mm 斜軋擴(kuò)徑機(jī)組的旋擴(kuò)和均整軋機(jī)的驅(qū)動(dòng)均采用4 MW 中壓同步電機(jī)，其控制系統(tǒng)采用意大利ANSALDO 工業(yè)電氣公司的SVGN12K033機(jī)型中壓主傳動(dòng)變頻器，共4 套（2008 年投運(yùn)）。該變頻器的防護(hù)等級(jí)為IP32，在運(yùn)行過(guò)程中散熱系統(tǒng)將大量導(dǎo)電顆粒吸入變頻器中，系統(tǒng)穩(wěn)定性逐年下降，事故頻發(fā)，維護(hù)成本高，據(jù)統(tǒng)計(jì)僅2017年全年共損壞主功率單元8 臺(tái)，每臺(tái)主功率單元的備件費(fèi)用145 萬(wàn)元，修復(fù)費(fèi)用52 萬(wàn)元；且訂貨周期長(zhǎng)，已嚴(yán)重影響企業(yè)正常生產(chǎn)。

為滿足生產(chǎn)穩(wěn)定性的迫切需求，天津鋼管對(duì)中壓同步電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、電網(wǎng)質(zhì)量及近年來(lái)故障頻發(fā)的特點(diǎn)進(jìn)行研究，并與國(guó)內(nèi)科研院所共同探討研究解決方案，2018 年對(duì)原中壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化升級(jí)改造，取得了良好的效果；其在保留原有變壓器和動(dòng)力電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)技術(shù)優(yōu)化適應(yīng)電網(wǎng)的環(huán)境及集成門極換流晶閘管（Intergrated Gate Commutated Thyristors，IGCT）保護(hù)策略和加強(qiáng)防護(hù)等級(jí)措施，很好地解決了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線的惡劣環(huán)境下的設(shè)備穩(wěn)定性需求，新增開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)具有先進(jìn)功能的數(shù)據(jù)采集診斷、數(shù)據(jù)分析判斷、控制保護(hù)，并徹底解決了導(dǎo)電粉塵導(dǎo)致的變頻器拉弧放電難題?，F(xiàn)重點(diǎn)介紹這種適用于無(wú)縫鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域的中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)解決方案。

1 中壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 中壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

12 MW 中壓變頻大傳動(dòng)系統(tǒng)用于控制4 MW均整主軋機(jī)同步電機(jī)，其拓?fù)浞桨覆捎萌娖浇恢苯环桨?，該拓?fù)浞桨缚梢詫?shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，采用全控型器件，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的整流側(cè)和逆變側(cè)的完全解耦，采用與國(guó)際主流高端變頻器相同的器件方案和拓?fù)浞桨?，技術(shù)先進(jìn)，性能更可靠，確立了傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的大方向。中壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，勵(lì)磁機(jī)采用三相晶閘管整流方式，控制直流輸出電流同時(shí)使用晶閘管串聯(lián)電阻滅磁回路，實(shí)現(xiàn)快速滅磁。

圖1 中壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 中壓變頻傳動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)

12 MW 國(guó)產(chǎn)中壓傳動(dòng)變頻器同意大利ANSALDO 中壓傳動(dòng)變頻系統(tǒng)一樣，均采用IGCT作為主功率器件，國(guó)產(chǎn)中壓傳動(dòng)變頻器在多方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1） 采用IP54 等級(jí)高防護(hù)設(shè)計(jì)，變頻器無(wú)內(nèi)外空氣交互。

無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中變頻器的使用環(huán)境惡劣，空氣中存在含鹽電解質(zhì)粉塵，為提高環(huán)境適應(yīng)性，從器件、模塊、整機(jī)多角度進(jìn)行熱設(shè)計(jì)仿真，重建機(jī)-電-熱多物理場(chǎng)模型和設(shè)計(jì)方法。

在柜組內(nèi)設(shè)計(jì)內(nèi)部風(fēng)道，通過(guò)循環(huán)風(fēng)道內(nèi)的板式換熱器將雜散熱量引入主水路，徹底解決了機(jī)柜內(nèi)外的空氣交互問(wèn)題，大大提高了整機(jī)的防護(hù)水平，整體防護(hù)等級(jí)達(dá)到了IP54；減少了外部氣體和粉塵的進(jìn)入，提升了產(chǎn)品的防腐等級(jí)，降低了現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)工作量，環(huán)境適應(yīng)性遠(yuǎn)高于原ANSALDO產(chǎn)品。功率柜內(nèi)水路散熱設(shè)計(jì)（粒子云圖）及功率柜內(nèi)雜散熱量循環(huán)風(fēng)道熱設(shè)計(jì)如圖2～3 所示，國(guó)產(chǎn)HD8000 系統(tǒng)雜散熱量散熱仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖2 功率柜內(nèi)水路散熱設(shè)計(jì)（粒子云圖）

圖3 功率柜內(nèi)雜散熱量循環(huán)風(fēng)道熱設(shè)計(jì)

圖4 HD8000 系統(tǒng)雜散熱量散熱仿真結(jié)果

（2） 采用先進(jìn)的IGCT 保護(hù)設(shè)計(jì)。

IGCT 作為中壓領(lǐng)域最常用的器件，其保護(hù)歷來(lái)被認(rèn)為是一個(gè)技術(shù)性難題，尤其是其直通保護(hù)，一直難以攻克。傳統(tǒng)直通保護(hù)采用將所有的橋臂全打通的方法來(lái)分擔(dān)直通電流，如此每個(gè)功率器件都要承載非常大的直通電流。仿真結(jié)果顯示，每個(gè)橋臂的電流都會(huì)達(dá)到50 kA 以上，如此大的電流對(duì)變流器的每個(gè)器件都會(huì)造成隱形傷害，為其穩(wěn)定運(yùn)行留下隱患。在對(duì)拓?fù)涮匦院推骷\(yùn)行特性深入研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了IGCT 器件保護(hù)策略，根據(jù)故障類型和換流路徑，建立分級(jí)保護(hù)，HD8000 系統(tǒng)IGCT 分級(jí)保護(hù)策略如圖5 所示。

圖5 HD8000 系統(tǒng)IGCT 分級(jí)保護(hù)策略

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了基于IGCT 多電平低開(kāi)關(guān)頻率的消諧算法與技術(shù)，開(kāi)發(fā)了基于云計(jì)算的系統(tǒng)狀態(tài)快速檢測(cè)及智能運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的效率和運(yùn)行可靠性；完善的IGCT 器件保護(hù)策略可以完整保護(hù)IGCT 器件，并不受故障沖擊，達(dá)到了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。

可見(jiàn)，IGCT 器件保護(hù)策略可以在系統(tǒng)發(fā)生故障前及時(shí)預(yù)判及保護(hù)，防止故障擴(kuò)大化；在已發(fā)生短路的情況下，其系統(tǒng)有序保護(hù)，相互關(guān)連，不產(chǎn)生次生故障。

（3） 快速維修設(shè)計(jì)。

ANSALDO 變頻器的功率模組連接方式復(fù)雜，維修空間小，據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)主模組更換時(shí)需要投入人員多于4 人，時(shí)間4 h 以上，維修時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不利于現(xiàn)場(chǎng)快速恢復(fù)生產(chǎn)。而工業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域要求系統(tǒng)可快速維修，HD8000 吸取國(guó)外模塊維修難度大的教訓(xùn)，在模塊的可維護(hù)性上進(jìn)行了大量人性化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)10 min 內(nèi)更換IGCT，功率模塊其他器件的維修可在0.5 h 內(nèi)完成，可維護(hù)性強(qiáng)于ANSALDO，其通過(guò)維護(hù)吊桿、外置導(dǎo)軌等工具，可以靈活方便地完成主功率模組更換，減少了生產(chǎn)停頓時(shí)間。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)首套用在無(wú)縫鋼管制造領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化替代ANSALDO 變頻器的案例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)國(guó)產(chǎn)化中壓變頻系統(tǒng)做了多項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 整流側(cè)諧波抑制

ANSALDO 變頻器的開(kāi)關(guān)頻率低，利用整流變壓器的漏電抗來(lái)降低注入廠內(nèi)電網(wǎng)的諧波電流，總體諧波含量高，污染廠內(nèi)供電電網(wǎng)。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)采用特定次諧波消除脈寬調(diào)制（Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation，SHEPWM），通過(guò)開(kāi)關(guān)時(shí)刻的優(yōu)化選擇，消除選定的低頻次諧波，可以有效改善波形，具有效率高、直流電壓利用率高、直流側(cè)濾波器尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。SHEPWM 消諧發(fā)波如圖6 所示，輸出波形關(guān)于2 偶對(duì)稱，關(guān)于奇對(duì)稱，根據(jù)函數(shù)的奇偶性，波形的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中只含有奇數(shù)次正弦分量，即：

圖6 SHEPWM 消諧發(fā)波示意

公式（1）中，U 為輸出電壓；n 為諧波次數(shù)；bn為n 次諧波幅值，n 為1 即為基波；ω 為基波角頻率；αi為第i 個(gè)開(kāi)關(guān)角，即開(kāi)關(guān)動(dòng)作發(fā)生時(shí)所對(duì)應(yīng)的基波相位的值；t 為時(shí)間。

當(dāng)n=3，消除n-1=2 個(gè)諧波，可以選擇消除5，7 次諧波。

開(kāi)關(guān)角數(shù)N 對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)頻率為（2N）f0（f0為調(diào)制波頻率，取50 Hz），可以消除的最高次諧波次數(shù)為3N-2，剩余的諧波次數(shù)主要為3N+2、3N+4、4N+1、4N+3。開(kāi)關(guān)角數(shù)與開(kāi)關(guān)頻率、剩余諧波次數(shù)關(guān)系示例見(jiàn)表1。

表1 開(kāi)關(guān)角數(shù)與開(kāi)關(guān)頻率、剩余諧波次數(shù)關(guān)系示例

實(shí)測(cè)原ANSALDO 系統(tǒng)的總諧波電流含量為22.15%，而國(guó)產(chǎn)化中壓變頻器系統(tǒng)可以控制網(wǎng)側(cè)的總諧波電流含量為15.72%，優(yōu)于ANSALDO 系統(tǒng)。

2.2 通訊鏈路的魯棒性增強(qiáng)設(shè)計(jì)

Φ720 mm 斜軋擴(kuò)徑機(jī)組內(nèi)的電氣設(shè)備眾多，干擾源多，現(xiàn)場(chǎng)接地系統(tǒng)復(fù)雜，各類型設(shè)備一直以來(lái)都存在通訊閃斷等疑難問(wèn)題。為提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，分析了通訊回路各主站和從站的鏈路及各站點(diǎn)的接地情況，通過(guò)在通訊鏈路中增加插入阻抗，優(yōu)化了通訊鏈路的濾波操作，有效抑制了通訊干擾。通過(guò)優(yōu)化，系統(tǒng)無(wú)故障穩(wěn)定運(yùn)行，徹底解決了原系統(tǒng)存在的原因不明的故障停車，極大地提升了設(shè)備的運(yùn)行效率。

2.3 同步電機(jī)的碼盤優(yōu)化控制

現(xiàn)場(chǎng)采用2 臺(tái)4 MW 電勵(lì)磁同步電機(jī)，該電勵(lì)磁同步電機(jī)采用成熟的氣隙磁鏈定向矢量控制，既可支持有碼盤控制，又可無(wú)碼盤控制。

定子電流由磁場(chǎng)定向控制分解為兩個(gè)獨(dú)立的直流分量，即電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，它們與直流調(diào)速相同，轉(zhuǎn)矩分量設(shè)定值由速度調(diào)節(jié)器決定，勵(lì)磁分量設(shè)定值由電機(jī)電流模型計(jì)算出來(lái)。根據(jù)電流的設(shè)定值與反饋值由電流調(diào)節(jié)器計(jì)算出輸出電壓給定值。

多段同步正弦脈寬調(diào)制（Sine Pulse Width Mmodulation，SPWM）避免輸出電流中的次諧波（諧波次數(shù)不是基波的整數(shù)倍），從而減小輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

無(wú)碼盤控制的核心是磁鏈觀測(cè)器，電機(jī)的電壓、電流通過(guò)觀測(cè)器模型計(jì)算出電機(jī)磁鏈的幅值和磁鏈坐標(biāo)軸線相對(duì)于定子靜止坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的角度，磁鏈幅值與磁鏈給定值輸入磁鏈調(diào)節(jié)器做閉環(huán)控制，其輸出為電機(jī)磁化電流，角度用于電流的分解；同時(shí)，觀測(cè)器計(jì)算出電機(jī)的角速度，該速度估計(jì)值作為速度反饋至進(jìn)行速度閉環(huán)控制。

系統(tǒng)兼容有碼盤控制和無(wú)碼盤控制，系統(tǒng)帶碼盤運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)碼盤進(jìn)行故障檢測(cè)，碼盤出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)隨時(shí)切換至無(wú)碼盤控制。系統(tǒng)的碼盤故障檢測(cè)采用硬件調(diào)理電路，隨時(shí)檢測(cè)A+/A-和B+/B-的互斥信號(hào)，當(dāng)二者的互斥關(guān)系不滿足，即認(rèn)為碼盤出現(xiàn)碼盤線短接、斷線、掉電等故障情況。為防止誤檢測(cè)，系統(tǒng)的碼盤故障檢測(cè)持續(xù)判斷20 μs，確保信號(hào)穩(wěn)定。不管碼盤是否轉(zhuǎn)動(dòng)，故障檢測(cè)功能均不受影響。

當(dāng)檢測(cè)到碼盤故障，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)將轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)切換為轉(zhuǎn)速開(kāi)關(guān)控制，根據(jù)系統(tǒng)指令按照給定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行發(fā)波及控制，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 軸系扭振抑制功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

上述國(guó)產(chǎn)化中壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)控制的同步電機(jī)與軋輥整體的軸系較長(zhǎng)，需要考慮扭振抑制功能。

通常認(rèn)為機(jī)械軸是剛體，但實(shí)際上機(jī)械軸都有彈性，要扭轉(zhuǎn)一定角度才能傳遞轉(zhuǎn)矩。在中壓傳動(dòng)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造時(shí)，整個(gè)軸系包括中間軸、主電機(jī)轉(zhuǎn)子軸和聯(lián)軸器等，軸系細(xì)長(zhǎng)，其彈性變形不可忽略，軸系變成一個(gè)振蕩環(huán)節(jié)，有可能導(dǎo)致扭振，有引發(fā)軸系損壞的風(fēng)險(xiǎn)。彈性軸系的控制系統(tǒng)中含有響應(yīng)速度極快的負(fù)荷觀測(cè)器，在控制環(huán)內(nèi)設(shè)置有電氣阻尼環(huán)節(jié)，為了增強(qiáng)扭振抑制效果，環(huán)內(nèi)增設(shè)轉(zhuǎn)速微分環(huán)節(jié)，通過(guò)微分環(huán)節(jié)的抑制控制使扭振得以較好的抑制，扭振抑制效果如圖7 所示。

圖7 扭振抑制效果對(duì)比

調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備負(fù)荷，核算出整個(gè)軸系的扭振，核算諧振放大系數(shù)，并設(shè)定扭振控制的目標(biāo)值，產(chǎn)生實(shí)際扭振抑制效果，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)同步電機(jī)快速響應(yīng)，穩(wěn)定運(yùn)行的效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)的特點(diǎn)，結(jié)合Φ720 mm 斜軋擴(kuò)徑機(jī)組的中壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提出多項(xiàng)設(shè)備整改提升方案，通過(guò)與國(guó)內(nèi)科研單位深入合作，開(kāi)發(fā)了無(wú)縫鋼管制造領(lǐng)域的首套國(guó)產(chǎn)化中壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)自2018 年連續(xù)應(yīng)用近5 年，實(shí)現(xiàn)了零故障、零停機(jī)；系統(tǒng)性能穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，動(dòng)靜態(tài)控制精度高，過(guò)載能力強(qiáng)，適應(yīng)了電網(wǎng)波動(dòng)較大、諧波豐富的電網(wǎng)質(zhì)量較差的場(chǎng)合。

國(guó)產(chǎn)化中壓傳動(dòng)系統(tǒng)的成功投運(yùn)及穩(wěn)定運(yùn)行，提升了Φ720 mm 斜軋擴(kuò)徑機(jī)組的中壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率；不但保證了機(jī)組的連續(xù)生產(chǎn)，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)同類型進(jìn)口ANSALDO 中壓主傳動(dòng)變頻器的升級(jí)改造提供了可靠的技術(shù)支撐。