ACS6000交流傳動系統在鋁冷軋機主傳動中的應用

韋云松

（廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧53003）

廣西南南鋁加工有限公司于從德國西馬克公司引進一臺2 800 mm六輥CVC不可逆鋁冷軋機，該軋機是目前國內最大寬幅的鋁冷軋機，軋制力最大達到32 MN，速度最高為1 200 m/min，主電機最大功率為9 000 kW，傳動系統要求具有單機功率容量大、具有很高的動態響應速度、很大的過載能力和高精度的轉矩速度控制。

本文以廣西南南鋁加工有限公司的西馬克六輥CVC單機架冷軋機為例來介紹ABB ACS6000中壓變頻器在冷軋機主傳動中的應用。主要介紹ABB ACS6000中壓變頻器在實際應用中的幾個功能單元原理及其功能介紹。

1 2 800 mm單機架冷軋機介紹

2 800 mm單機架CVC六輥不可逆冷軋機在常溫狀態下，將合格的、材質為鋁及鋁合金帶卷，經多道次不可逆冷軋，生產出滿足厚度、品質要求的合格冷軋鋁帶卷。該冷軋機由1臺開卷機、1臺軋機和1臺卷取機組成，如圖1。

圖1 冷軋機傳動系統圖

整個傳動系統由一套ABB公司ACS6000中壓多傳動系統實現。在軋制過程中，卷取機處于電動狀態，開卷機處于制動狀態，制動產生的能量，通過公共直流母線傳遞到卷取機上，而無需電網的負擔，從而降低了對電網功率的需求，電網的額定容量與獨立的傳動配置相比，降低了近50%。

該冷軋機裝配有ABB公司的2×7MVA整流變壓器，ABB公司的ACS6000中壓傳動變頻器以及湘潭電機廠的交流同步電機，開卷電機功率為2 270 kW，主電機為9 000 kW，卷取電機為3 102 kW，目前在國內鋁冷軋機中，裝機功率最大。

2 ACS6000中壓變頻器介紹

在鋁加工行業，軋機傳動系統要求具有快速、平滑、精確地轉矩控制，在整個速度范圍內，具有瞬間高峰值的負載能力，而且要求具有靜止狀態時全扭矩可用。

ABB公司的ACS 6000變頻器是采用模塊化設計，分有線性供電單元（LSU）、有源整流單元（ARU）、逆變單元（INU）、電容組單元（CBU）、控制單元（COU）、水冷單元（WCU）等等模塊，可以根據冷軋機的工藝要求和電機功率靈活組合配置，組成單電機傳動、多電機傳動、冗余傳動和孿生傳動共4種傳動方式。而且ACS6000具有DTC（直接轉矩控制）功能，可以實現高精度的轉矩和速度控制，轉矩響應時間最小達到2 ms，整套傳動裝置采用無熔斷器設計。

2.1 南南冷軋機主傳動系統配置

廣西南南鋁加工有限公司于2011年1月份引進德國西馬克公司的2 800 mm六輥CVC單機架冷軋機，傳動采用了ACS6000交流傳動系統，配置有2臺2×7 MVA整流變壓器、2個2×11 MVA有源整流模塊、4個逆變模塊(開卷功率為5 MVA、卷取功率為7 MVA，主電機功率為2×9 MVA)、3個勵磁模塊、3個控制模塊、水冷模塊、3臺交流同步電機和測速編碼器等組成。3臺交流同步電機由湘潭電機股份有限公司設計制造，最大可承受115%連續過載和150%20 s過載。整體組成結構如圖2所示。

圖2 ACS6000系統圖

2.2 有源整流模塊(ARU)

冷軋機主傳動系統采用2套2×11 MVA有源整流模塊并聯，為了降低諧波干擾，2個整流單元的輸入電壓，分別采用三角形和星型的連接方式，主要功能是將整流變壓器的二次側電壓3.16 kV的正弦波電壓轉變為直流電壓4 840V，控制單元自動監控直流母線上的電壓以及電流，當電機處于電動狀態，電流從整流變壓器流向整流單元，當電機處于制動狀態，電流從整流單元流回到電網中去，如圖3所示。

圖3 能量流動圖

2.3 逆變單元(INU)

南南公司的單機架六輥CVC冷軋機，開卷、主機和卷取均采用交流同步電機驅動，主電機功率達到9 000 kW，采用2個逆變單元并聯，開卷和卷取各分別使用1個逆變單元。逆變模塊由3組IGCT功率管組成的標準相位模塊構成，將直流母線上電壓轉變為頻率可調的交流輸出電壓，分別驅動開卷機、主機和卷取機共3臺交流同步電動機。

圖4 ARU(INU)電氣結構原理圖

2.4 勵磁單元(EXU)

冷軋機開卷電機、卷取電機和主電機的勵磁電源，分別由獨立的勵磁變壓器和勵磁整流單元提供。用于調整電機轉速基數以上的弱磁控制，給電機轉子提供勵磁電流，分別使電機轉子和定子產生旋轉磁場，帶動電機軸同步旋轉。

2.5 水冷單元(WCU)

IGCT功率模塊在使用脈寬調制方式通斷工作過程中，產生很大的熱量，傳統的冷卻方式是采用散熱片加冷卻風機進行散熱，長時間使用后，由于散熱積灰和風機老化，冷卻效果大大降低，減少功率模塊的使用壽命。

ACS6000的IGCT功率模塊采用自循環的去離子水進行冷卻，冷卻水直接與IGCT發熱體接觸，吸收晶閘管的熱量，并通過板式換熱器與車間循環冷卻水進行散熱。水冷系統有2臺泵(一備一用，切換時間可自由設定，一般建議12 h切換1次)、一個熱交換器，配有水流量、壓力、液位、溫度和電導率等檢測。

3 直接轉矩控制(DTC)

ACS6000具有直接轉矩控制（DTC）功能，它提供了精確的轉矩和速度控制，使得變頻器在零轉速時，可以提供最大的啟動轉矩，既便于控制，又有利于平滑運行，充分地發揮了同步電機功率因數高、輸出轉矩大而轉動慣量小的特點。直接轉矩控制（DTC）控制理論，能夠實現轉矩響應時間比傳統的磁通矢量或脈寬調制控制方式快10倍；最小的轉矩紋波；精確的靜態速度和轉矩控制。

圖5和圖6分別顯示ACS6000交流傳動系統直接轉矩控制的原理和典型的動態速度響應。

圖5 同步交流電機直接轉矩控制(DTC)方框圖

圖6 典型的動態速度響應

ACS6000交流傳動系統的關鍵器件，為集成門控換流晶閘管IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors），是ABB公司專門為中壓變頻器開發的功率半導體開關器件，它把門極驅動電路和門極換流晶閘管GCT合在一起，作為一個整體器件，減少變頻器的元件數量，從根本上降低了變頻器開關元器件設計的復雜程度，直接采用去離子進行冷卻，提高了使用效率和可靠穩定性。

4 結束語

ACS6000采用的IGCT技術，是基于成熟的GTO技術，并且IGCT已在中壓變頻領域內成功地應用了5年時間。由于采用無熔斷器設計，避免使用不可靠的熔斷器，因而提高了整體可靠性。西馬克冷軋機配置ABB的ACS6000交流傳動系統，不僅提高了設備的先進性、可靠性和穩定性，而且應用了三電平交一直一交變頻傳動技術，控制主傳動同步電機，大大降低諧波影響改善電網品質，功率因數幾乎等于1，提高了冷軋機的運行效率；同時也提高軋制產品的產量和品質，滿足了鋁硬合金生產工藝要求，提高了效益。

[1]廣西南南鋁加工有限公司.冷軋機技術文件[Z].南寧：廣西南南鋁加工有限公司，2011.

[2]ACS6000技術樣本（同步電機和異步電機的速度和轉矩控制）[Z].北京:北京ABB電氣傳動系統有限公司,2003.

[3]Operating Instructions ACS 6000 with Active Rectifier Unit(ARU)[K].Switzerland:ABBSwitzerland Ltd,2006.