宣鋼高線電機速度調節(jié)系統(tǒng)

孔海超 孫偉 衣松泉

摘 要：直流電機是高線生產過程中的最重要的設備之一，如何實現直流電機精確調速是高線生產過程中的問題之一。本文以西門子6RA70系列直流調速裝置為背景介紹了宣鋼高速線材生產線直流傳動系統(tǒng)的組成及速度調節(jié)方式。

關鍵詞：6RA70；直流調速裝置；閉環(huán)控制；弱磁控制

一、概述

宣鋼高速線材生產線是一條全連軋熱軋生產線，其主要產品為Φ5mm～Φ12mm盤條和盤螺。直流傳動系統(tǒng)的構成：宣鋼高速線材軋機主傳動（從粗軋至預精軋共18架軋機）及部分輔傳動（包括飛剪、吐絲機等）使用西門子6RA70 SIMOREG？DC？MASTER直流調速系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)采用西門子S7-400 PLC，采用三級控制系統(tǒng)和兩層通訊網絡的模式，三級控制系統(tǒng)包括人機界面（西門子WINCC畫面）、控制單元（PLC）和遠程執(zhí)行單元（包括PLC遠程站、交直流調速裝置等），兩層通訊網絡包括工業(yè)以太網和Profibus-DP網絡。直流調速系統(tǒng)通過Profibus-DP網絡連接PLC，完成直流調速系統(tǒng)的控制。

二、直流電機調速控制

直流主電機的調速控包括：

（一）設定速度給定

電機啟動時能夠進行平穩(wěn)加速控制，調速系統(tǒng)由遠程和本地兩種方式設定。本地設定通過在PMU操作面板選擇P401參數進行電機給定設置，用于電機調試運行；遠程操作通過PROFIBUS-DP寫入PLC中給定的控制字，寫入調速裝置中，從而完成對電機速度的設定。電機的速度設定值的100%為直流電機的最大速度，速度給定為線性斜坡，可以使得電機平穩(wěn)的啟動。

在電機調速控制時，系統(tǒng)可進行手動人工干預功能，在允許范圍可以使用手動給定干預進行調速。例如在軋鋼過程中，主操作人員使用調速桿對軋鋼系統(tǒng)進行級聯調速以滿足正常的榨汁需求。

（二）直流電機速度反饋

直流電機的實際運行速度可使用電機后軸的速度編碼器獲取。脈沖編碼器測速精度高，在電機運行過程中，每轉一圈發(fā)出1024個脈沖信號（軋機為1024個脈沖，飛剪為2048個脈沖）。脈沖信號接入6RA70裝置的CUD1板，系統(tǒng)進行處理、轉換、運算，將此信號反饋到速度調節(jié)器進行比較運算，構成調速系統(tǒng)的雙閉環(huán)外環(huán)控制。

（三）直流電機速度調節(jié)

該系統(tǒng)內為速度負反饋三相全控橋式晶閘管直流調速系統(tǒng)，主回路是正、反兩組橋式電路，控制系統(tǒng)為電流環(huán)為內環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的雙閉環(huán)負反饋控制。在調速過程中，電機低速運行時，為調壓控制，調節(jié)電樞電壓，電樞電壓越大，速度越大，此時電樞電壓與速度成正比；當電壓無法繼續(xù)增大時，調節(jié)勵磁電流，勵磁電流越小，速度越大，此時勵磁電流與速度成反比，進入高速運行狀態(tài)。速度環(huán)調節(jié)使用PI調節(jié)器（P為比例環(huán)節(jié)，I為積分環(huán)節(jié)），作用是實現速度穩(wěn)態(tài)無靜差調節(jié)。電流環(huán)調節(jié)同樣使用PI調節(jié)器，為抑制系統(tǒng)電流電壓波動，對過電流起到自保護作用。

1ACR為橋式電路正組晶閘管的門極觸發(fā)，2ACR為橋式電路反組晶閘管的門極觸發(fā)。系統(tǒng)使用1ACR的給定信號Ui1取反后作為2ACR的給定信號-Ui1，使得Ui1極性在正向和反向時均不變化，因此避免使用了反極性的電流檢測器。該系統(tǒng)和核心部件包括一個無環(huán)流邏輯控制器DLC，它可以確保系統(tǒng)在正、反組橋導通切換過程中，不使兩組晶閘管同時出發(fā)導通，即在一組晶閘管導通時，另一組晶閘管自動封鎖，這樣確保了系統(tǒng)無環(huán)流情況，避免出現短路放炮情況。

除上述的速度、電流調節(jié)器、無環(huán)流邏輯控制器DLC，還包括下列重要的控制單元，即ON/OFF控制單元、使能控制單元、給定值單元、斜坡發(fā)生器、電流限幅，以及勵磁控制PI調節(jié)器、限幅單元等。

（四）直流電機弱磁控制

宣鋼高線軋機主電機有三種型號規(guī)格，分別是550kW，基速800r/min，最高速度1200 r/min ；650 kW，基速600 r/min，最高速度1200 r/min：750kW，基速600r/min，最高速度1400 r/min。高線生產工藝要求電機轉速需要非常寬的調速范圍要求，因此在軋鋼生產中，調壓調速和弱磁調速均需要用到。

上段已說到，直流電機的調速方式有兩個階段，第一階段是全磁通條件下，改變電樞電壓，電樞電壓范圍是零至額定電壓，速度為零速至額定速度；如進一步提升速度，需要減小勵磁，即減少勵磁電流，那么電樞磁通逐漸減少，速度即進一步提升，在全磁通條件下，額定電壓下的電機速度叫做基速，需要在增速，需要減少勵磁電流，即弱磁調速。

以650KW電機為例，需要注意，速度調節(jié)器的比例環(huán)節(jié)系數P需要隨電動勢的減小而增大。電動勢調節(jié)器的比例環(huán)節(jié)系數需要隨著速度的增加而減小。

當電機運行速度在基速的95%以下時，即570r/min，電樞處于全磁通狀態(tài)下，速度調節(jié)器比例環(huán)節(jié)系數P取值較小，系統(tǒng)機械特性較軟，能夠滿足生產工藝和設備運行要求。

當電機運行速度超過基速的95%和超過基速，即大于570r/min并逐漸增大至1400r/min，在超過基速時，即大于600 r/min，電機進行弱磁調速，電樞磁通需要逐漸減少，此時速度調節(jié)器比例環(huán)節(jié)系數P需要逐漸增大，增強系統(tǒng)機械特性以彌補電樞磁通減少引起的轉矩減小。這樣，通過在不同調速階段下，調節(jié)速度調節(jié)器的比例環(huán)節(jié)系數P，可以滿足寬范圍的調速，滿足生產工藝要求。

（五）PLC對直流電機的通訊與控制

直流電機電樞電壓調節(jié)是通過外部晶閘管導通角進行調壓，勵磁調節(jié)通過6RA70控制箱調節(jié)內部晶閘管導通角來調節(jié)勵磁電流，控制全部由6RA70控制箱內部控制板卡進行控制，控制參數存儲于內部控制模塊內，CUD1板上連接開關量和編碼器信號對電機進行急?？焱５瓤刂萍安杉俣刃盘?。

CUD1板上的CBP2通訊板通過Profibus-DP網絡連接PLC，實現直流調試裝置與PLC相互通訊，電機的合分閘信號、故障報警、實際速度和實際電流均通過此方式通訊，以達到對直流電機的控制。

三、結語

宣鋼高速線材生產線充分利用西門子自動化設備在自動化控制方面的優(yōu)良特性，結合西門子可編程邏輯控件PLC與配套的step7編程軟件和可視化軟件WINCC，設計應用了一套比較完善的自動調速系統(tǒng)，在軋鋼生產過程中取得了優(yōu)良的效果。