2500mm中厚板主傳動控制系統設計與分析

陳大力，梅軍進，王忠連

（1. 廣東松山職業技術學院，韶關 512126；2. 黃石理工學院，黃石 435003 3. 韶關鋼鐵集團有限公司，曲江 512123 ）

0 引言

韶關鋼鐵集團某軋鋼廠中板改造工程中主軋機傳動由原來的兩臺2500kW的直流電動機改為兩臺4200kW交－交變頻同步電機，R1上/下輥整流變壓器容量8400KVA。主整流變壓器均采用原、副邊三分裂繞組油浸式變壓器。兩臺整流變壓器接法錯開300以減少高次諧波[1]；上/下輥勵磁變壓器分別為一臺副邊雙分裂繞組油浸式變壓器，容量1000KVA。軋機主傳動電機主要參數如下：

1 同步電機矢量控制系統結構

同步電機矢量控制系統的框圖如圖1所示，交流同步電機采用自同步控制方式，定子電流由磁場定向控制系統分解為兩個獨立的直流分量，即電流的轉矩分量IM和激磁分量IT。與直流調速相同,轉矩分量設定值由速度調節器決定，激磁分量設定值由電機功率因數COSφ及電流模型計算出來。與同步電機同軸相聯的光電編碼器檢測電機的轉子位置信號Cosλ和Sinλ，由轉子模型單元計算出負載角Cosδ和Sinδ，以及勵磁電流給定值Ifd。轉子位置角λ與負載角δ相加可得磁場定向旋轉角Φ。根據當前電機運行的實際反饋值及系統設定值，計算出給定電流的轉矩分量及激磁分量，給定電壓的轉矩分量和激磁分量，再經過矢量的旋轉變換和2/3變換，形成三相定子電流給定值Ia、Ib、Ic ，這些值送入帶電流斷續自適應調節， 電壓前饋控制的電流調節系統[2,3]。

表1 4200kW交－交變頻同步電動機電機參數

2 SIMADYN D控制系統

控制系統采用西門子公司的SIMADYN D全數字控制系統實現電機控制，并以通訊線加以連接，在系統中實現監視和統一管理。SIMADYN D控制系統完成電機的調速控制，包括同步電機的矢量控制、電機的啟停控制和電機保護，建立了通訊網將SIMADYN D設備及上位機有機地連接起來，實現本地現場數據采集，故障顯示、診斷及綜合控制和集中管理[4]。

圖1 同步電機矢量控制系統

SIMADYN－D控制系統包括一套完整的硬件及軟件，系統圖如圖2所示：主機箱為24插槽(SR24.1)，系統接收光電碼盤反饋回的速度及位置信號，在PM6模板內完成速度控制及工藝運算，在另一PM6模板內完成矢量變換控制運算，然后形成定子三相電流的設定值及轉子激磁設定值，輸入給EP22及PM6+ITDC模板，由EP22進行三相電流調節運算，由PM6+ITDC模板完成轉子激磁電流調節運算。并輸出晶閘管功率柜的觸發脈沖，通過晶閘管功率柜控制同步電機，具體硬件配置如下：

機箱：提供24個槽位用于插裝標準模板，并提供兩個內部通訊總線，實現硬件模板之間的內部通訊。

微處理器模板：根據處理器的不同功能，選配三塊處理器模板PM6及一種專用的電流調節處理器模板EP22，實現如下功能：

P1_PM6：通用處理器模板，用于速度控制。

P2_PM6：通用處理器模板，用于矢量運算。

EP22：特殊處理器模板，專門用于定子電流調節。

P3_PM6：通用處理器模板，用于勵磁電流控制及輯控制和保護功能。

輸入輸出模板：選配輸入輸出板EA12、EB11，其中：

EA12用于模擬量的輸出

EB11用于數字量的輸入輸出

通訊緩沖板：選用MM11通訊緩沖板，它支持L及C兩種系統總線。

通訊板：選用CS7作為通用通訊模塊，其上配置不同通訊子板完成不同通訊功能。

軟件存儲子板：選用MS5存儲器。

系統中采用CS7通訊模板，一方面通過PROFIBUS聯網高壓室及電機室的遠程站（ET200）交換高壓開關、操作信號及電機保護等信息。并接受上位機的監控。另一方面通過這一模板對各處理器進行編程。

3 SIMADYN D控制系統軟件功能

SIMADYN D控制系統實現交交變頻同步電機矢量變換運算。通過現場總線實現與遠程I/O站的數據交換，SIMADYN D設備與上位機的數據傳輸以及與用于實現故障診斷、運行監控畫面之間的信息傳遞由通訊網絡完成。

SIMADYN-D軟件同樣具有模塊化的靈活特點，目前使用的STRUC軟件為STRUC-G V4.2.X版。其特點在于所有編程工作均為圖形化，而且包容量大。工程中主要應用的控制軟件有：

圖2 SIMADYN D控制系統

功能塊(FB):功能塊是控制軟件中的最小單元，它是實現各種控制的基礎，目前STRUC提供的功能塊有很多種，如閉環控制功能塊，大功率直流傳動控制功能塊，數學運算功能塊，邏輯運算功能塊，輸入輸出功能塊，通訊功能塊，信號轉換功能塊，診斷服務功能塊等。

功能包(FP):功能包是由功能塊組成，并依據實際應用要求加以連接編輯的功能框圖。每個功能包可以有99頁，在每頁上調用及編輯4-5個功能塊，因此每個功能包最多有495個功能塊。

主程序(MP):依據SIMADYN-D硬件配置，設置其相應的軟件參數，是SIMADYN-D軟件運行的基礎和前提。

SIMADYN D具有以下功能:速度控制；電樞電流控制；矢量控制 ；磁場控制；順序控制功能；扁頭定位功能；負荷平衡控制；本地操作及信息的顯示功能；故障情況下傳動系統的急停和快停；電樞控制的邏輯無環流切換；參變量的切換。

4 控制系統通訊

SIMADYN D控制系統的通訊系統框圖如圖3所示。

SIMADYN D本地通訊

SIMADYN D配置CS7通用通訊板，SS52通訊子板掛靠在CS7通訊板完成本地通訊任務：

實現SIMADYN D通過現場總線與遠程I/O ET200之間的數據傳輸，完成現場的數據采集及控制信號傳送。為每臺軋機的控制裝置選配兩套ET200遠程I/O系統，分別完成高壓側與電機側的現場數據采集。

圖3 SIMADYN D控制系統的通訊系統框圖

信息管理及系統監控：為每臺SIMADYN D控制設備配置兩塊通訊子板SS4。一塊SS4實現SIMADYN D 與調試用PC機的數據通訊，支持Service IBS服務軟件的在線訪問，以協助現場調試。另一塊SS4與SIEMENS公司專用操作面板OP2N進行數據交換，實現信息管理及傳動系統的故障收集、顯示、診斷以及對系統運行狀態的顯示。完成運行參數監視、故障報警、開環調試運行等功能。

系統過程控制通訊：每臺SIMADYN D控制設備配置SS52通訊子板，支持SINEC L2-DP通訊協議，通過SINEC L2-DP網絡完成與上位機的通訊，實現對傳動系統的控制。

5 主要保護裝置

5.1 過電壓保護

定子回路過電壓保護：變壓器二次側安裝RC吸收及高能壓敏電阻吸收，吸收變壓器操作及高壓開關動作過電壓。變頻器輸出側安裝RC吸收及高能壓敏電阻吸收，吸收電機啟停及變頻器升降過電壓。晶閘管元件設置RC電路吸收換向過電壓。設置電子過電壓保護，用LEM電壓互感器檢測電壓值。當電壓超過1.4倍額定電壓時，封鎖系統，跳閘保護。

轉子回路過電壓保護：轉子晶閘管整流電路設置變壓器二次側高能壓敏電阻，晶閘管元件RC吸收及直流輸出側RC吸收電路，保護晶閘管不過壓損壞。轉子回路安置了可控硅滅磁系統和常接電阻，防止轉子回路開路或定子在轉子中感應造成過電壓。

設置電子過電壓保護，用LEM電壓互感器檢測轉子電壓值。當轉子電壓值超過1.3倍uemax時，控制系統封鎖并跳閘保護。

5.2 過電流保護

定子過電流保護：電機額定電流 IN

最大電流，考慮電機過載倍數

電機過負荷跳閘：電機堵轉，當電流達到最大值 Imax 超過60S時，控制系統發出封鎖信號，停車保護。電機瞬時跳閘：I = 1.3*Imax 時，高壓開關動作。

轉子過電流保護：轉子額定電流 IeN

轉子最大電流 Iemax = 2.5 IEn；當轉子電流值達到Iemax 超過 t= 60s , 控制系統封鎖；當轉子電流值達到I≥1.3 I emax，轉子開關動作。

5.3 過速度保護

交流同步電機軸端裝有測速裝置。

- 額定轉速 nN

- 最高轉速 nmax

n = 110% nmax ，超速報警。

n = 115% nmax ，超速跳閘。

6 結論

2500mm中厚板交交變頻主傳動系統的運行技術指標如下：變頻器額定容量：9000kVA；變頻器輸出電壓：0～1650V；變頻器輸出頻率：0～12Hz；變頻器過載能力：115%；長期；200 %，1分鐘；靜態調速精度：≤±0.01 %；速度控制響應時間：≤80mS；電流控制響應時間：≤10mS；動態速降：≤0.25%S；變頻器綜合效率：98.5%；主軸定位精度：±0.5度；上、下輥負荷平衡滿足工藝要求。

[1] 葉志浩,張曉鋒,李紅江,楊鋒,等.交交變頻同步電動機調速系統諧波轉矩分析[J].武漢理工大學報,2005,29(6):943-946

[2] 彭建飛,王樹錦,徐麗榮,劉曉龍.基于DSP的單相無環流交交變頻控制系統研制[J].電力電子技術,2009,40(9):54-57.

[3] 雷鳴,李崇堅,等.大功率交交變頻器電流控制系統[J].冶金自動化,2008,S2:783-787.

[4] 仲偉克,張華儉,等.包鋼軌梁廠950mm初軋機主傳動系統[J].冶金自動化,2005,(1):62-65.