20輥可逆冷軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的研究

張 寧

（鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧鞍山 114021）

1 引言

為進(jìn)一步提高企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，某集團(tuán)公司決定投資建設(shè)高性能冷軋硅鋼項(xiàng)目。冷軋機(jī)組是本項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備，它對(duì)于帶鋼的質(zhì)量、厚度及性能起著重要作用。高性能硅鋼工程一期建設(shè)兩條冷軋機(jī)組生產(chǎn)線，采用了設(shè)計(jì)與制造水平較高的單機(jī)架20輥可逆軋機(jī)。本文主要以一條冷軋機(jī)組生產(chǎn)線為例，對(duì)冷軋機(jī)組的核心軋機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

2 主傳動(dòng)電氣控制方案

隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展以及矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，變頻器供電的軋機(jī)交流主傳動(dòng)，完全取代了傳統(tǒng)的由晶閘管整流器供電的直流主傳動(dòng)。目前軋機(jī)交流主傳動(dòng)變頻調(diào)速裝置主要有兩類，即交交變頻裝置和交直交變頻裝置。交交和交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)都是先進(jìn)的、性能良好、功能強(qiáng)、可靠性高的調(diào)速方式，它們各有特點(diǎn)。交交變頻采用全數(shù)字矢量控制方式；交直交變頻采用脈沖調(diào)寬（PWM）全數(shù)字矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制方式。都能滿足大型軋機(jī)主傳動(dòng)的技術(shù)性能要求。在本項(xiàng)目前期與CONVERTEAM及其他電氣公司的技術(shù)交流階段中，對(duì)交交變頻控制、交直交變頻控制這兩種控制方案進(jìn)行了反復(fù)研究和認(rèn)真比較。

交交變頻技術(shù)，過載能力大，效率高，簡單可靠，可以完全國產(chǎn)化是其顯著優(yōu)點(diǎn)。而交交變頻頻率低、速度低、功率因數(shù)低，電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生諧波較高、需無功補(bǔ)償?shù)仁侵饕秉c(diǎn)。交交傳動(dòng)配套的低速同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，總重量大，投資較高。交交變頻調(diào)速裝置按變頻電壓峰值選擇整流變壓器，其容量約為電動(dòng)機(jī)容量1.8～2倍，比交直交變頻的變壓器容量大，變壓器鐵損大即空載損耗大。它適用于大功率中、低速且過載能力大的軋機(jī)驅(qū)動(dòng)，如大型熱帶軋機(jī)、中厚板軋機(jī)和型鋼軋機(jī)。

交直交變頻頻率高、速度高、功率因數(shù)高，電網(wǎng)側(cè)諧波較低、不需無功補(bǔ)償是其主要優(yōu)點(diǎn)。而其效率較低、過載能力差，使用經(jīng)驗(yàn)不足，不能國產(chǎn)化，備件和技術(shù)服務(wù)問題大是其顯著缺點(diǎn)。交直交變頻調(diào)速裝置選擇整流變壓器容量為電動(dòng)機(jī)容量1.3～1.4 倍。適用于大功率中、高速的風(fēng)機(jī)、水泵及過載能力較小的軋機(jī)驅(qū)動(dòng)，如高速冷軋機(jī)、無縫鋼管軋機(jī)。

考慮到傳動(dòng)裝置的發(fā)展趨勢(shì)及各電氣公司的報(bào)價(jià)，通過最終比較選擇了ALSPA MV7000電壓源型交-直-交公共直流母線脈沖脈寬調(diào)制（PWM）全數(shù)字矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)方案。MV7000 PWM主傳動(dòng)中壓變頻器特別適用于交流感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)同樣也適用于同步電機(jī)。由于異步交流電動(dòng)機(jī)比同步交流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，而且無需維護(hù)檢修，而且異步機(jī)具有復(fù)雜的電機(jī)特性和控制，因此主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)決定采用鼠籠式異步交流電動(dòng)機(jī)。

3 主傳動(dòng)系統(tǒng)的組成

高性能硅鋼工程冷軋機(jī)組軋機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1所示。主要包括：主傳動(dòng)干式整流變壓器、主傳動(dòng)交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)及主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)。公共直流母線額定電壓為5.1kV。電機(jī)側(cè)額定電壓為3.3kV。主傳動(dòng)變壓器、主傳動(dòng)變頻器、主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)分別如表1、2、3所示。

4 主傳動(dòng)變頻器的組成

主傳動(dòng)變頻器MV7000是由整流單元柜、直流母線柜、逆變單元柜、交流輸出柜、控制單元柜、冷卻單元柜等若干個(gè)控制柜組合在一起，并可在現(xiàn)場(chǎng)組裝。變頻器為緊湊式的模塊化結(jié)構(gòu)，由以下主要結(jié)構(gòu)單元組成。

整流單元：將電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂妇€電壓，無論電網(wǎng)電壓如何波動(dòng)，直流回路電壓保持恒定。由IEGT組成的主動(dòng)前端整流單元AFE，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，完全再生制動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)無污染。

預(yù)充電或預(yù)勵(lì)磁主變壓器：對(duì)直流母線預(yù)先充電，避免由于電壓突加而產(chǎn)生的峰值電流。

直流母線：由直流母線、直流電容器和接地開關(guān)組成。用來平滑中間直流回路電壓，并將整流器和逆變器解耦。

圖1 主傳動(dòng)系統(tǒng)組成

表1 主傳動(dòng)變壓器主要技術(shù)參數(shù)

表2 主傳動(dòng)變頻器主要技術(shù)參數(shù)

表3 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

逆變單元：使用IEGT的三電平中性點(diǎn)鉗位（NPC）逆變器，將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷候?qū)動(dòng)電機(jī)，允許四象限運(yùn)行。由于變頻器采用模塊化設(shè)計(jì)，相同的逆變單元用于主動(dòng)前端整流。

交流輸出單元：包括輸出電流測(cè)量裝置、制動(dòng)斬波器，同時(shí)包括輸出接線端子。

dV／dt濾波器：降低輸出電壓的變化率，抑制過電壓，用于較長電纜時(shí)改善變頻器輸出波形。

PEC控制器：電力電子高性能控制器（PEC）能提供高性能的PWM矢量控制計(jì)算和確保變頻器的安全性。

冷卻單元：采用閉環(huán)去離子冷卻水循環(huán)系統(tǒng)冷卻，通過去離子水／原水熱交換器，把變頻器本身產(chǎn)生的熱損耗傳送到外部的原水循環(huán)系統(tǒng)。

5 主傳動(dòng)變頻器的新技術(shù)

5.1 功率元件

MV7000變頻器使用的功率開關(guān)元件是PPI壓裝式IGBT，又稱IEGT（注入增強(qiáng)型絕緣柵晶體管）。

IEGT元件是直接從IGBT發(fā)展而來的。IGBT和反并聯(lián)的二極管模塊通過導(dǎo)線連接，而且只能通過單面進(jìn)行冷卻，這種IGBT設(shè)計(jì)已被證實(shí)為十分可靠的能運(yùn)用于50Hz／60Hz的電動(dòng)機(jī)調(diào)速。但當(dāng)應(yīng)用在低頻率時(shí)，這種導(dǎo)線連接和單面冷卻的組合，能使IGBT的溫度升高和連接導(dǎo)線的損壞，因此必須降額使用。而IEGT就解決了這個(gè)問題，并進(jìn)行了重要的改進(jìn)。IEGT所有的元件都被封裝在一個(gè)陶瓷容器內(nèi)，稱之為壓裝式，沒有導(dǎo)線的連接。這種壓裝方式可使元件的兩面都能散熱，所以能夠生產(chǎn)大功率的元件。IEGT采用雙面壓裝冷卻方式提高的冷卻能力，跟IGBT相比增加了+80%，提高了晶體管的額定電流，在低頻運(yùn)行下不需要降額處理，并使元件在電機(jī)低頻運(yùn)行下而沒有過熱的問題。在相同的熱循環(huán)狀況下IEGT具有更長的使用壽命。它增強(qiáng)了變頻器的功率能力、更低的損耗，超長工作壽命，最高效率達(dá)到99%，同時(shí)減少了元件的數(shù)量提高了可靠性，并且設(shè)計(jì)出的變頻器具有更高的魯棒性。高質(zhì)量的功率開關(guān)元件和更少的元件數(shù)目確保了MV7000變頻器具有更高的可靠性。

總而言之，IEGT將晶體管進(jìn)行了優(yōu)化處理更加適合于低頻運(yùn)行，它減少了傳導(dǎo)的損耗，使元件具有更高的效率。并且IEGT保留了IGBT的基本特性，具有非常高的開關(guān)頻率，而且能夠在大于額定電流好幾倍的故障電流情況下關(guān)斷元器件。

5.2 主動(dòng)前端整流單元

AFE主動(dòng)前端又名整流回饋裝置，其英文名譯自“Active Front End”。

普通的交-直-交式變頻器前端通常采用固定三相橋式二極管整流的方式，將電網(wǎng)提供的三相交流電源轉(zhuǎn)換成為直流電源，該直流電源再通過大容量的電解電容平滑濾波后供給IGBT組成的三相橋式逆變器，逆變成頻率和電壓同步調(diào)節(jié)的交流電壓，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在不同的頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)。由于普通變頻器前端采用二極管橋式整流，因此能量僅能從電網(wǎng)流向變頻器直流母線，無法實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，同時(shí)由于二極管全橋整流的局限性，導(dǎo)致變頻器的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)不夠高同時(shí)輸入諧波電流較大，從而導(dǎo)致對(duì)電網(wǎng)的干擾。一般來講變頻器的功率越大，對(duì)電網(wǎng)所造成的影響也就越大，因此在工程實(shí)踐上，通常會(huì)采用在較大功率的變頻器輸入端與直流母線上加裝輸入電抗器和直流電抗器的方法，來降低變頻器的輸入諧波并提高變頻器的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。

AFE主動(dòng)前端的出現(xiàn)則較好地解決了上述問題。它與變頻器的輸出逆變部分一樣，也采用IEGT組成三相橋式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)與變頻器直流母線間能量的雙向流動(dòng)。由于AFE主動(dòng)前端摒棄了落后的固定橋式二極管整流模式，無論在整流還是在回饋狀態(tài)下工作時(shí)，都是通過IEGT開關(guān)狀態(tài)的切換來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，因此使用了AFE主動(dòng)前端后，無論在整流還是在回饋狀態(tài)下，變頻器的網(wǎng)側(cè)電流都是諧波很少的正弦波，功率因數(shù)也接近于1，大大減小了對(duì)電網(wǎng)的干擾。同時(shí)變頻器采用AFE主動(dòng)前端后，由于可以實(shí)現(xiàn)前端能量的雙向流動(dòng)，因此可以應(yīng)用于各種需要電機(jī)四象限運(yùn)行的場(chǎng)合中。

對(duì)于同時(shí)具有電動(dòng)和制動(dòng)（開卷和卷取）的冷軋主傳動(dòng)系統(tǒng)，采用PWM主動(dòng)前端整流單元通過公共直流母線能夠把再生的能量完全反饋到電網(wǎng)，大大減少了設(shè)備的投資。同時(shí)，PWM主動(dòng)前端整流能使輸入功率因數(shù)為1，并且使輸入波形接近于正弦波，諧波影響可以忽略不計(jì)。主動(dòng)前端整流單元不但可以實(shí)現(xiàn)能量四象限流動(dòng)，并且可以取消輸入變壓器，使得變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率大幅提高。

5.3 三電平中性點(diǎn)鉗位拓?fù)浼夹g(shù)（NPC）

MV7000變頻器采用IEGT功率元件（注入增強(qiáng)型絕緣柵晶體管）。三相逆變器共計(jì)12個(gè)IEGTs，每相4個(gè)IEGTs和6個(gè)二極管（4個(gè)續(xù)流二極管和2個(gè)鉗位二極管），適合采用三電平中性點(diǎn)鉗位拓?fù)浼夹g(shù)（NPC）。

MV7000逆變器運(yùn)行原理如下。

MV7000逆變器由三個(gè)功率相臂組成，每個(gè)功率相臂產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的一個(gè)相電壓。在三電平中性點(diǎn)鉗位（NPC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，直流母線由兩套直流電容器組成，第一套的電壓在DC+和0V之間，另外一套的電壓在0V和DC-之間。依靠IEGT的觸發(fā)組合，逆變器中每一個(gè)功率相臂的輸出電壓可以連接到DC+或0V或DC-，因此電動(dòng)機(jī)的線電壓可以有 100%VDC、50%VDC、0、-100%VDC、-50%VDC五種電壓值。圖2所示為電動(dòng)機(jī)線電壓U-W的運(yùn)行原理，三相是在同時(shí)導(dǎo)通的。（為了簡化原理，電機(jī)的V相電壓沒有在圖中顯示）。

三電平NPC二極管中性點(diǎn)鉗位的逆變單元采用PWM調(diào)制技術(shù)，能夠保證輸出優(yōu)越的電機(jī)電壓波形，使電機(jī)電流包含更低的諧波電流。

5.4 高性能控制系統(tǒng)

5.4.1 PEC 控制器

電力電子專用控制器（PEC）是整個(gè)變頻器的核心，它配置了矢量控制軟件，可以實(shí)現(xiàn)帶編碼器的矢量控制、無編碼器的矢量控制和高級(jí)VVVF控制方式。

基于高性能的無編碼器矢量控制方式（EVC），MV7000能夠確保電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。變頻器根據(jù)操作運(yùn)行點(diǎn)的電壓參數(shù)、運(yùn)行條件、由處理過程決定的設(shè)定點(diǎn)轉(zhuǎn)矩等要求執(zhí)行PWM控制。唯一與帶編碼器反饋矢量控制方式的區(qū)別是用于空間矢量計(jì)算的實(shí)際速度，無編碼器反饋矢量控制方式的速度是通過速度估算器對(duì)電流反饋進(jìn)行計(jì)算的。而對(duì)于帶編碼器反饋的矢量控制方式，速度反饋信號(hào)直接用于空間矢量的計(jì)算而不是利用速度估算器中的速度計(jì)算值。主要的一些有影響的因數(shù)包括：速度／轉(zhuǎn)矩設(shè)定點(diǎn)、電機(jī)相電流反饋和電壓參數(shù)、直流母線電壓和實(shí)際速度。變頻器對(duì)測(cè)量所得的電流和電壓值進(jìn)行2軸象限的轉(zhuǎn)變用于空間矢量計(jì)算進(jìn)行分析。因此MV7000變頻器可以不需要編碼器速度反饋進(jìn)行速度的估算。高級(jí)VVVF控制方式是變頻器根據(jù)空間矢量計(jì)算出的可變電壓、可變頻率控制特性對(duì)控制設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行控制。

圖2 三電平中性點(diǎn)鉗位

5.4.2 PWM 脈沖脈寬調(diào)制

MV7000變頻器能夠根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象采用不同的PWM調(diào)制波形和不同的PWM載波頻率，以獲得最佳的性能。能夠隨時(shí)在任何一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)調(diào)節(jié)PWM調(diào)制波形和PWM載波頻率的能力，使MV7000在任何一種應(yīng)用和任何一個(gè)速度點(diǎn)上時(shí)都能取得最佳的驅(qū)動(dòng)效果，具有非常高的系統(tǒng)柔性。

（1）更低的功率元件損耗，降低了電機(jī)諧波

修改PWM調(diào)制波形模式，通過增加零序電壓到電動(dòng)機(jī)電壓參數(shù)能改變輸出電壓的諧波頻譜和減少變頻器損耗。

（2）能夠在非常低的頻率點(diǎn)滿力矩運(yùn)行。高頻運(yùn)行大于100Hz，最高可至300Hz。

（3）更低的噪音和震動(dòng)

修改PWM載波頻率，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的速度在運(yùn)行時(shí)改變載波頻率避免機(jī)械共振。使用隨機(jī)的PWM載波頻率用于阻尼機(jī)械共振和限制噪音及震動(dòng)。

6 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)

由于軋機(jī)主傳動(dòng)采用交流變頻調(diào)速的傳動(dòng)方案，主電機(jī)為交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。同步電機(jī)和異步電機(jī)都可以歸為交流電機(jī)的范疇，二者比較如下。

同步電機(jī)需要外加勵(lì)磁電源。相比異步電機(jī)，同步電機(jī)較復(fù)雜，造價(jià)高，比起異步電機(jī)的免維護(hù)來，維護(hù)工作量較大，維修費(fèi)用高。但同步電機(jī)是容性負(fù)載，功率因數(shù)超前，有利于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，增加電網(wǎng)容量。運(yùn)行穩(wěn)定性高，當(dāng)電網(wǎng)電壓突然下降到額定值的80%時(shí)，其勵(lì)磁系統(tǒng)一般能自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)行強(qiáng)行勵(lì)磁，保證電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定。過載能力比相應(yīng)的異步電動(dòng)機(jī)大。運(yùn)行效率高，尤其是低速同步電動(dòng)機(jī)。因此大功率、低轉(zhuǎn)速的工礦大型機(jī)械設(shè)備常采用同步電動(dòng)機(jī)。

異步電機(jī)包括感應(yīng)電機(jī)、雙饋異步電機(jī)和交流換向器電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用最廣，在不致引起誤解或混淆的情況下，一般可稱感應(yīng)電機(jī)為異步電機(jī)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)是鼠籠式轉(zhuǎn)子，無電刷，無勵(lì)磁繞組，無轉(zhuǎn)子隔離器，它具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠以及質(zhì)量較小，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。異步電機(jī)有較高的運(yùn)行效率和較好的工作特性，能滿足大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)要求。隨著大功率電子器件及交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，目前適用于寬調(diào)速的異步電機(jī)的調(diào)速性能已可與同步電機(jī)的相媲美，通過PWM控制或矢量控制異步電機(jī)完全可替代同步電機(jī)。由于異步電機(jī)本身制造維護(hù)成本遠(yuǎn)小于同步電機(jī)，現(xiàn)在這既是應(yīng)用熱點(diǎn)，也是研究熱點(diǎn)。

本工程MV7000 PWM中壓變頻器特別適用于交流感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)，配用感應(yīng)電機(jī)能夠獲得高性能的無紋波轉(zhuǎn)矩控制，電機(jī)在低頻時(shí)特別是在堵轉(zhuǎn)情況下具有高性能轉(zhuǎn)矩能力。MV7000中不需要?jiǎng)?lì)磁電源，而且節(jié)省投資、維護(hù)方便。所以軋機(jī)主電機(jī)、張力卷取機(jī)主電機(jī)和開卷機(jī)，均選用鼠籠型異步電機(jī)，電機(jī)在基速以下為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，基速以上為恒功率運(yùn)行。采用交-直-交公共直流母線脈沖脈寬調(diào)制（PWM）全數(shù)字矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。在軋機(jī)主電機(jī)、張力卷取機(jī)主電機(jī)的頂部安裝有空-水熱交換器的封閉式循環(huán)冷卻裝置，與MV7000冷卻單元采用一個(gè)外部密閉冷卻水循環(huán)系統(tǒng)（冷卻水量主電機(jī) 62m3／h，變頻器 100 m3／h，共162 m3／h）。主軋機(jī)電機(jī)和卷取機(jī)電機(jī)，三臺(tái)電機(jī)共用一個(gè)潤滑油站，高低壓油均由該設(shè)備提供。稀油站能滿足3臺(tái)主傳動(dòng)電機(jī)的軸承潤滑，可以同時(shí)為三臺(tái)電機(jī)的6個(gè)軸承提供高、低壓潤滑油。主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)如表3所示。

7 結(jié)束語

高性能硅鋼工程冷軋機(jī)組自調(diào)試運(yùn)行后，軋制出的產(chǎn)品板型好、尺寸精度高、技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)均到了設(shè)計(jì)要求。該主傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行中具有穩(wěn)定可靠、控制精度高、操作方便、維修簡單等特點(diǎn)。交直交變頻技術(shù)和設(shè)備以其優(yōu)良的控制性能，較高的功率因數(shù)，良好的節(jié)電效果正逐步得到推廣。隨著高電壓大功率的電力半導(dǎo)體器件功率元件性能提高，設(shè)備尺寸隨之縮小，以及交交變頻裝置的輸出頻率低、電網(wǎng)功率因素低、旁頻諧波影響、需要SVC及占地大等因素的影響，未來的冷軋生產(chǎn)線主傳動(dòng)變頻裝置正由三電平電壓型交直交PWM矢量控制變頻裝置或直接轉(zhuǎn)矩控制變頻裝置所取代。

［1］任子強(qiáng)，楊 靜，李忠華.常規(guī)熱連軋主傳動(dòng)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)［J］.世界儀表與自動(dòng)化，2009，（4）：58-61.