寬厚板可逆熱軋機組大功率直流調速系統

史 偉，袁歡媚，劉 峰，馬步強，李聯飛

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著電力電子技術的發展，對于直流電動機的調速，由原來的交流異步電動機拖動直流發電機實現變流，通過調節直流發電機勵磁電壓來實現對電動機進行調壓調速的發電機組式供電方式，發展為由整流變壓器供電，可控硅變流調速裝置進行調速的方式。但對于高電壓、大電流的直流電動機，標準的直流調速裝置往往不能滿足要求。需要研發一種新型的高電壓、大電流直流調速系統。

某寬厚板可逆熱軋機組，主傳動由兩臺相同功率的直流電動機同軸剛性聯接共同驅動，單臺直流電動機額定功率達到5 050 kW，額定電壓1 440 V，最大電流10 200 A，而單臺整流傳動裝置無法滿足要求。針對此種工況提出了，每臺直流電動機使用4臺標準的大功率四象限工作制整流裝置，組成硬并聯加串聯12脈波的結構，滿足電動機對高電壓及大電流的調速要求。整個傳動系統包括了硬并聯主從、串聯12脈波主從和電機主從3種主要結構，實現了各傳動模塊之間及電動機之間的負荷平衡。

1 直流調速系統供電及無功補償

為減少大功率電動機對區域電網的影響并保證供電的可靠性，從110 kV變電站為熱軋開坯機組主機調速系統提供35 kV專用供電線路。

1.1 整流變壓器選擇

選擇整流變壓器需要考慮的因素：

(1)整流裝置的功率因數與晶閘管觸發脈沖角的相位有直接關系，觸發相位角越大功率因數越低，在滿足整流裝置的額定輸出直流電壓的條件下，整流變壓器的二次側額定電壓不宜過大。

(2)熱軋開坯機組屬于大沖擊性負荷，整流變壓器需短時處于較大的過載狀態，這時變壓器和線路壓降較大。在此情況下，整流變壓器二次側輸出電壓仍需滿足調速要求。

(3)整流變壓器需選擇三繞組變壓器，二次側的兩個繞組線電壓相位差30°，滿足12脈整流調速系統的電源要求。

(4)整流變壓器短路的機會較多，較大的漏抗可限制短路電流，改善電網電流波形，但漏抗增大了換向壓降，惡化了功率因數，一般整流變壓器的短路阻抗電壓為Zk%=5%～10%。

考慮到以上因素并經過計算，選擇兩臺變比為35 kV/750V，容量為8500 kW的三繞組整流變壓器，分別為兩臺主傳動電機的調速裝置供電。變壓器組別為D/ d0-yn11，短路阻抗電壓Zk%=8%。

1.2 無功補償系統

熱軋開坯機組軋制周期較短，功率變化速率高，具有大沖擊性負荷的特點。采用直流調速裝置后，在軋機咬鋼加速階段，電機的電流很大，同時晶閘管變流裝置控制角α較大，因而功率因數很低，導致無功沖擊激增，使電網產生很大的電壓波動和閃變。另外調速系統的高次諧波注入電網，會使電網的電能質量惡化，因此必須治理。

考慮到補償功率較大，在35 kV側設置動態無功補償及濾波裝置(SVC)，補償功率計算如下：

(1)

P=iωPNd/ηNd

(2)

(3)

式中，S、P、Q分別為整流變壓器一次側視在、有功、無功沖擊負荷；Ku整流電壓系數，為整流變壓器二次側電壓與電動機額定電壓之比；Ki整流電流系數，12脈波時取0.789；i電動機過載倍數，根據實際要求取2.1。PNd電動機額定功率，兩臺電動機為10 100 kW。ηNd為電動機效率，取0.923。ω為咬鋼時電機實際轉速與額定轉速之比，取0.4。

由式(1)～(3)計算無功補償容量，并考慮到國家標準允許的電壓波動值，確定補償容量為25 MW。

2 直流調速系統工作原理及組成

為每臺直流電動機配置4臺標準的直流調速裝置和1臺勵磁整流模塊。分別將2臺直流調速裝置采用硬并聯的方式連接，用以提高輸出電流，再將兩組硬并聯裝置用12脈波的方式串聯連接，用以提高輸出電壓，滿足單臺電動機對高電壓和大電流的要求，兩臺電動機共兩組相同的調速系統。調速系統的整體連接原理圖如圖1所示。整個傳動系統包括了硬并聯主從、串聯12脈波主從和電機主從3種主要結構。

圖1 調速系統原理圖

2.1 硬并聯主從結構

硬并聯主從用以擴大直流傳動裝置的功率或輸出電流，使其能夠驅動更大功率的電動機。

硬并聯主機裝置具有一整套的調速控制單元，負責產生晶閘管觸發脈沖，并通過硬線的聯接方式傳遞給從動裝置，從動裝置則具有一整套完善的檢測與保護功能，可檢測負載電流主從裝置之間的平衡。硬并聯的裝置由一個整流變壓器同一副邊供電，以保證并聯整流裝置進線電源的電壓、相序、相位相同，使負載電流能平衡分配。

2.2 串聯12脈波主從結構

串聯12脈波主從用以擴大直流傳動裝置的輸出電壓，從而提高了輸出功率并滿足高電壓直流電動機調壓調速的要求，同時可以抑制電網側5、7、17、19次等諧波電流，減少對電網電能質量的影響。

串聯12脈波由兩組6脈波的整流器串聯組成，兩組6脈波的整流器進線電源分別接在三繞組整流變壓器的兩個二次繞組，要求整流變壓器兩個二次繞組線電壓相位相差30°。串聯12脈波主從結構的控制方式為：主裝置根據調速要求負責產生晶閘管的脈沖觸發角，并通過CAN總線的通訊協議將晶閘管的脈沖觸發角發送給從裝置，以保證在任意時刻主裝置與從裝置的脈沖觸發角相同。

2.3 電機主從結構

電機主從結構用以使兩臺主傳動電機的負荷盡量平衡，由于兩臺主傳動電機是同軸聯接共同驅動一個齒輪箱，所以在工作中要盡量使兩臺電機的電流和輸出轉矩大小相同。

在電機主從結構中，兩臺主傳動電機的兩組串聯12脈波整流傳動裝置之間通過光纖進行通訊，以保證通訊的快速性和可靠性。在電機主從結構中，主電機配有重載光電編碼器并工作在轉速控制狀態，產生轉矩設定值，將轉矩設定值發送給從電機，從電機工作在轉矩控制狀態，接收從主電機發送來的轉矩設定，兩臺電機共用一個速度控制器，以保證主電機與從電機的輸出轉矩相同，從而達到負荷平衡。

3種主從結構具體的控制框圖如圖2所示。

圖2 調速系統控制框圖

3 現場實驗分析

本文所述大功率直流傳動系統已在企業成功投運，對單臺電動機滿足額定輸出電壓1 440 V和額定輸出電流大于8 kA的要求。調速系統電流響應時間在200 ms以內，電機從正傳額定轉速到反轉額定轉速，轉換時間小于6 s。

圖3給出了寬厚板可逆熱軋機組在實際生產時每一軋制道次的轉速和兩臺電動機的電樞電流波形，可以看出兩臺電動機的電樞電流在軋機咬鋼時均達到了7 500 A以上，且電樞電流波形基本重合，兩臺電動機負載平衡較好。在熱軋開坯機組正反向軋制時，電動機轉速換向迅速，具有較好的動態和靜態性能。

圖3 調速系統實驗波形

4 結論

本文提出的大功率直流調速系統，采用3種主從結構解決了高電壓、大功率直流電動機的傳動調速難題，替代了傳統的大功率直流電動機G-M的調速方式，克服了G-M調速方式能耗巨大、維護工作量大、維護時間長等缺點，而且大大減少了設備的占地面積。經現場實際運行證明，該直流調速系統在提高工作效率的同時，運行可靠且各項性能指標滿足實際生產要求。

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