直流調速在熱連軋粗軋機主傳動中的應用

高建軍

目前國內幾乎全部中寬帶（800～1 000 mm）熱連軋和80%的1250 mm寬帶熱連軋主傳動均采用直流電機傳動及直流調速的控制方式。由于直流傳動優異的控制性能及較高的性價比，使其在軋機主傳動等大容量變速傳動領域占據一定的市場份額。

對于軋機主傳動等大容量直流電機可控硅整流裝置而言，為增大輸出容量、減輕對電網的干擾、減少諧波分量，通常多采用并聯方案，即用一臺三繞組變壓器，一次繞組接成三角形或星形，二次繞組一個接成三角形，一個接成星形，并且使這兩個繞組的相位相差30°，由兩個繞組分別供電給兩組三相整流橋，由該兩組整流電路的輸出通過平波電抗器并聯后向直流電動機供電。

1 主傳動控制系統的構成

1.1 主傳動對控制系統的要求

（1）必須能實現頻繁的快速正反轉。

（2） 電流響應時間≤15 ms，速度響應時間≤100 ms，穩態速度調節精度≤0．05%，速度動態當量≤0．3%S。

（3） 星橋和角橋最大電流差值≤1%。

（4） 傳動系統最大過載應達到2．5～3倍。

1.2 系統的設計方案

（1） 主回路設計方案

主軋機電動機電樞回路采用分裂式三繞組整流變壓器供電，電動機由12脈波整流器控制；整流變壓器為雙付邊，相位差30°，直流側角組和星組電樞整流回路設單獨平波電抗器，直流側采用快速開關。勵磁回路采用一臺整流變壓器供電，變流器為6RA70單向限直流調速裝置。

（2） 控制系統設計方案

控制系統由兩臺6RA70全數字控制裝置構成12脈波整流控制系統。這兩臺控制器采用主從控制方式，即主控制器為速度環和電流環構成的雙閉環系統，從控制器為電流環控制的單環系統，從控制器接收主控制器的電流給定。

所有的控制、調節、監控及附加功能都由微處理器來實現，系統結構可軟件組態，可以對電流調節器、速度調節器、勵磁電流調節器、電動機磁化曲線等進行自動優化，從而實現系統的最佳控制。傳動裝置本身具有完善的故障診斷、報警、顯示和保護功能。

（3） 12脈波整流的優勢

①能夠減小傳動系統特別是大功率傳動系統對電網的影響。

②能夠加大輸出電流的容量。由兩個6脈波整流器并聯連接成12脈波整流器時，其輸出的電流將是6脈波整流器的兩倍。

③能夠減小電流紋波，減小轉矩脈動。

（4）12脈波整流需要注意的問題

①電樞阻抗、感抗及額定電流計算

采用12脈波并聯系統時需注意電樞阻抗P110、感抗P111和電機額定電流P100的計算方法。其中：

P110=(電機電樞阻抗×直接并聯裝置個數)+均流電抗器的阻抗；

P111=(電機電樞感抗×直接并聯裝置個數)+均流電抗器的感抗；

P100=電機額定電流/直接并聯裝置個數。

②正反橋切換時環流電流的控制

在6脈波控制系統中，當需要從正橋工作狀態切換到反橋工作時，首先改變電流給定的極性，當正橋實際電流降到零時，控制器得到零電流信號。然后控制器經過1～2 ms的延時，釋放反橋脈沖，反橋開始工作。這樣就避免了在同一個脈沖周期3．3 ms（50Hz） 內正反橋脈沖同時出現的情況。

在12脈波控制系統中，需要同時保證星橋和角橋電流大小、觸發角、電流方向改變等的一致性?？刂葡到y在得到零電流信號時會發出并聯驅動裝置轉矩方向使能信號，這個信號被發送到對方轉矩方向使能的連接器上。

③動態響應的延時

星橋和角橋30°的相位差會導致0．5個掃描周期的延時。此外，主從系統中電流給定和實際電流的傳輸會導致1～2個掃描周期的延時。

④12脈波控制從動整流器的點火脈沖應該遲于主動整流器點火脈沖30°，寬脈沖（脈沖持續至下個脈沖前約0．1 ms） 每隔30°便輸出到兩套裝置的電樞觸發裝置上，以確保在電樞電流脈動時也能流過電流。

⑤電樞電流調節器的預控制應從6脈波運行切換到12脈波運行，預控制的EMF給定值為電動機總的EMF值。

1.3 主傳動控制系統的主要功能

（1） 速度控制

速度控制應重點考慮軋制道次改變時速度方向的變化。在軋制奇數道次時，軋機首先以等待速度運行，在入口導尺檢得鋼坯后，軋機加速到軋制速度，而當軋機拋鋼后，軋機減速到零。在軋制偶數道次時，軋機首先以等待速度運行，當鋼坯到達軋機出口導尺后，軋機加速到軋制速度，當軋機拋鋼后，軋機減速到零，在軋制偶數道次時，速度給定的方向正好和奇數道次相反。其給定曲線由軋線L1系統完成。

（2） 電樞電流控制

電樞電流控制是指電樞電流的自動閉環控制。根據速度調節器的輸出（力矩給定），與電樞電流反饋（與磁通的乘積）轉換的電機轉矩形成閉環控制，以實現電機電樞電流控制。

（3）弱磁時的電壓控制

電壓控制是指電樞電壓的自動閉環控制。電勢設定按電機的額定參數計算，即En=Un－InR；而電勢實際值E=U-IRLdi/dt（或E=Ceφn），根據電樞端電壓值U、電樞電流值I及di/dt采樣值或勵磁磁通計算值φ、速度采樣值n即可計算出來，從而實現弱磁時的電壓自動控制。

（4） 勵磁電流控制

勵磁電流控制是指勵磁電流的自動閉環控制。根據電勢調節器的輸出（勵磁磁通給定），與勵磁電流反饋轉換的電機磁通形成磁通閉環控制，以實現勵磁電流控制。

（5） 主軸定位控制

在軋機主軸定位控制下在軋機正常停車時，軋輥扁頭都會自動定位，以便于軋機換輥。而在特殊情況下，可通過軋機扁頭定位按鈕操作，軋輥會自動找位停機。主軸定位控制由軋線L1系統完成。

（6）繼電操作系統與保護

包括主電機操作順序控制，以及電樞回路開關操作及各輔助設備的起停控制，與主傳動有關的所有故障信號的檢查與繼電器保護等。

繼電器保護系統的設計原則為：

①對于故障進行分類處理。

②對輕故障采用系統報警。

③對次重故障，發出停車信號。

④對嚴重故障，則緊急停車及跳閘。

快速開關、緊急停車及各輔助設備的操作可在控制柜及HMI上分別進行。

（7） 聯網通訊接口

系統聯網通訊功能，主要指6RA70調速系統內部通訊及6RA70調速系統與外部系統的通訊功能。

①6RA70調速系統內部的通訊主要有星橋與角橋控制系統之間的通訊，采用USS協議的主從通訊方式，可實現兩臺控制系統之間數據的高速交換。

②主控制器與勵磁控制器間的通訊，即由主控制器將勵磁給定數據等發給勵磁控制器。

③6RA70調速系統與外圍系統之間的通訊，主要是指主軋機控制器與軋區聯鎖PLC之間的通訊，此通訊為PROFIBUS－DP網通訊，可實現主傳動系統與速度主令PLC之間的數據交換。

2 系統設計計算

直流傳動主回路設備通常包括：整流變壓器(或交流進線電抗器)、晶閘管變流器、直流濾波電抗器、交直流側過壓吸收裝置、過電流保護等。

2.1 晶閘管的選擇方法[1]

晶閘管額定電壓（反向重復峰值電壓） 的選擇，除取決于變流器供電的交流電壓外，還與變流器換向過程以及正常操作和事故切斷電路時可能出現的各類過電壓有關。此外，設計時還應根據裝置使用場合的重要程度留有足夠的安全裕度。器件的額定電流與通過器件的電流波形以及冷卻介質情況、散熱器材料和外形尺寸等相關。選用時除根據傳動電動機的負載圖計算等效結溫外，還必須注意晶閘管自身的熱容量很小，在承受短時的事故及過載電流條件下應不致于造成損壞。正確選擇晶閘管的額定參數不僅關系到變流系統設計的經濟合理性，亦為正確使用晶閘管以及變流裝置的可靠運行奠定良好基礎。

（1）晶閘管額定電壓URRM

考慮到晶閘管在恢復阻斷時受所引起的換向過電壓，以及在操作和事故過程中所產生的各類過電壓的影響，在計算和選擇晶閘管的額定電壓時，必須考慮額定電壓的安全系數，其數值大小與器件質量及使用場所有關，一般取2～3倍之間。

據此分析，本系統選用晶閘管額定電壓URRM=4 000 V，則電壓安全系數為

（2）晶閘管額定電流IT

在額定情況下流過整流元件的電流有效值I和額定電流（通態平均電流）IT的關系為

I=1．57IT

為使元件不致因過熱而損壞，在實際計算中要考慮安全系數（1．5～2）。另外，如果通過整流元件的電流波形不同，則其有效值Ik與平均值Idk的比值kf也不同。

本系統所選晶閘管通態平均電流IT＝2 800 A，對于一個KP2800A的三相全控橋來說，在額定電流情況下可以輸出電流：

由于是四組三相全控橋供電，考慮到負荷不平衡系數0．95，則整個整流裝置可以輸出電流

Id＝4×0．95×7 614=28 933 A

由于電機最大過載電流為：2．5×6180=15450A

2.2 直流側電抗器的計算

整流裝置直流側采用電抗器的作用和目的有如下幾條：

（1）雙橋并聯時起到平波均流作用。

（2）減小電流連續時的最小工作電流。

（3）限制電流脈動。

（4）減小出現故障時的電流上升率和電流峰值。

對于全數字直流調速系統，一般最小連續電流取電機的額定電流10%，即

Idmin＝10%×6 180=618 A

3 結語

經實際工程檢驗，該12脈波整流系統的穩定性、靜態精度、動態響應、過載能力等各項指標均滿足生產工藝及電氣控制的要求。

[1]趙殿甲．可控硅電路 (第2版)．北京:冶金工業出版社,1986．5．