變頻技術(shù)在帶鋼卷板機(jī)上的應(yīng)用

王 剛

（本鋼板材股份有限公司，遼寧本溪 117000）

0 引言

本鋼熱軋帶鋼生產(chǎn)線是本鋼的重要生產(chǎn)創(chuàng)效項(xiàng)目，對(duì)于提高經(jīng)濟(jì)效益有著關(guān)鍵作用。三熱軋項(xiàng)目的電氣部分有東芝三菱TMEIC 公司的全數(shù)字化變頻傳動(dòng)裝置。其中TMDrive-30/10 是中小容量的交流電機(jī)高精度、高效率可變速控制的全數(shù)字·矢量控制方式的正弦波PWM 逆變器裝置。TMdrive-30 三電位的電壓通過PWM 控制，實(shí)現(xiàn)了近似于正弦波的電壓輸出并有效地抑制了高諧波。轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)得到了有效地控制。變頻裝置是將進(jìn)線的交流電通過整流器變成三電平的直流電，再由逆變器變成可被電機(jī)使用的新交流電。TMdrive-30/10 變頻系統(tǒng)逆變單元采用的功率器件是IGBT，整流器采用可控硅，部分采用IGBT。

1 可控硅和IGBT 結(jié)構(gòu)和特性

可控硅由兩個(gè)PN 節(jié)串接構(gòu)成（圖1），相當(dāng)于兩個(gè)三極管PNP 型和NPN 型反串聯(lián)形式接在一起。其特性類似于真空閘流管，國際上通稱為硅晶體閘流管，在性能上，可控硅有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。可控硅能以毫安級(jí)電流控制大功率的機(jī)電設(shè)備，如果超過此頻率，因元件開關(guān)損耗顯著增加，允許通過的平均電流降低，因此標(biāo)稱電流應(yīng)降級(jí)使用。可控硅可用小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍；反應(yīng)極快，在微秒級(jí)內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點(diǎn)運(yùn)行，無火花和噪聲；效率高，成本低等。可控硅相對(duì)于IGBT 而言，是晶閘管的早期產(chǎn)品，IGBT 是后期產(chǎn)品，可控硅容量比IGBT 大。

2 卷板機(jī)及其TMDrive-30/10 變頻系統(tǒng)

圖1 可控硅

卷板機(jī)主要由主卷筒、助卷輥、上下夾送輥、壓下輥、活動(dòng)支撐等組成，功能是將軋機(jī)軋出的較長(zhǎng)帶鋼單向卷成鋼卷，以方便運(yùn)輸和保證帶鋼質(zhì)量。為保質(zhì)量，帶鋼在卷曲過程中，主卷筒要配合軋機(jī)，與軋機(jī)出鋼速度相匹配，但卷筒速度略大于軋機(jī)出鋼速度，這樣使主卷筒和軋機(jī)之間的帶鋼保持一定的張力來保證卷形。當(dāng)軋機(jī)末架拋鋼后，為了繼續(xù)保證板形，主卷筒升速，直至帶鋼尾部進(jìn)卷板機(jī)后才減速。但如果主卷筒電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩過大，那么流過電機(jī)的電流過大，使得電機(jī)可能出現(xiàn)過流或帶鋼被拉長(zhǎng)，板形不好，影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以在卷板機(jī)使用變頻系統(tǒng)是必不可少的。卷板區(qū)域主要使用的變頻裝置是TMDrive-30/10 變頻系統(tǒng)。

2.1 TMDrive-30/10 變頻系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）高性能和多功能。采用了功率電子控制專用的微處理器，實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)功能高性能。可實(shí)現(xiàn)各種控制切換。裝有高速光纖數(shù)據(jù)通信裝置（TL-S20）。

（2）小型化，易維護(hù)。實(shí)現(xiàn)盤柜的小型化，采用正面維護(hù)構(gòu)造。

2.2 控制原理

采用二極管鉗位，PWM 三電平NPC 電路控制，運(yùn)用矢量控制理論和直接轉(zhuǎn)矩控制，解決了功率元件的均壓?jiǎn)栴}，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能和可靠性得到很大提高。

對(duì)于由3 個(gè)橋臂組成的三相逆變器，根據(jù)三相橋臂U、V、W 的不同開關(guān)組合，最終可得到三電平變頻器的27 種開關(guān)模式。三電平PWM的控制指令是主控系統(tǒng)根據(jù)U/f 控制或者矢量控制等控制策略得到的空間電壓矢量給定值Uri=r（θ），它以某一角速度在空間旋轉(zhuǎn)，其幅值正比于輸出電壓幅值，其旋轉(zhuǎn)角頻率正比于輸出電壓頻率。

2.3 卷板機(jī)各輥及相應(yīng)的變頻傳動(dòng)系統(tǒng)

3 號(hào)卷板機(jī)示意如圖2 所示，卷板機(jī)各輥及相應(yīng)的變頻傳動(dòng)系統(tǒng)見表1。

圖2 3 號(hào)卷板機(jī)示意

表1 卷板機(jī)各輥及相應(yīng)的變頻傳動(dòng)系統(tǒng)

3 變頻系統(tǒng)在卷板機(jī)上的應(yīng)用

卷板機(jī)大致分為以下4 種工作狀態(tài)。

（1）停車狀態(tài)。卷板機(jī)的主卷筒、成型輥、夾送輥都處在靜止?fàn)顟B(tài)。

（2）待機(jī)狀態(tài)。卷板機(jī)在未卷鋼時(shí)所處的空轉(zhuǎn)階段。

（3）工作狀態(tài)。咬鋼狀態(tài)，卷板機(jī)處于卷鋼時(shí)刻。

（4）對(duì)中狀態(tài)。卷板機(jī)剛卷完帶鋼后，鋼卷并未從卷板機(jī)中取出，而且操作人員手動(dòng)將鋼卷尾部調(diào)整到合適位置，然后卸出。變頻設(shè)備均在上電狀態(tài)的情況如下。

（1）在第一種狀態(tài)時(shí)，由于卷板機(jī)的主卷筒、助卷輥、夾送輥都處在靜止?fàn)顟B(tài)，所以變頻器沒有對(duì)電機(jī)輸出功率，無電壓輸出。逆變單元的功率元件IGBT 的門電路處于封鎖狀態(tài)，IGBT未工作。

（2）在第二種狀態(tài)時(shí)，卷板機(jī)處于整體空轉(zhuǎn)狀態(tài)下，各個(gè)電機(jī)為低速“爬行”的運(yùn)行方式。這種狀態(tài)不要求變頻裝置對(duì)電機(jī)有高精度、大功率的輸出，變頻器只運(yùn)行在低電壓，低頻率的工作模式下，相對(duì)于工作狀態(tài)來說，能耗要小很多，有一定的節(jié)能作用。

（3）在第三種狀態(tài)下，還要分為3 種狀態(tài)來看：①軋機(jī)末架F7 剛要出鋼，而卷板機(jī)正處于“爬行”狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)7 一出鋼，卷曲變頻裝置輸出的電壓和頻率逐步提高，卷板機(jī)立刻開始升速。當(dāng)卷板機(jī)速度即各個(gè)輥的線速度達(dá)到F7 出鋼速度后，卷板機(jī)停止升速，變頻器電壓和頻率輸出恒定。F7 開始出鋼。②當(dāng)卷板機(jī)剛一咬鋼時(shí)，變頻器的輸出功率開始增加，為了保持帶鋼卷曲質(zhì)量，在主卷筒和軋機(jī)之間要保證一定的張力，所以主卷筒的變頻輸出電流變大，電壓和頻率都有所提高，轉(zhuǎn)速也略大一些。③當(dāng)軋機(jī)末架F7 剛剛拋鋼時(shí)，為了平衡主卷筒的大轉(zhuǎn)矩不使其速度突然變化，逆變器會(huì)適當(dāng)降低輸出功率，減小電壓和頻率來調(diào)整卷筒速度。同時(shí)為了保證帶鋼卷形，主卷筒會(huì)和上下夾送輥之間建立一個(gè)張力平衡。為了張力的建立，夾送輥的逆變器將改變工作方式，上下夾送輥的逆變器將會(huì)在電機(jī)的帶動(dòng)下，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，產(chǎn)生與原來方向相反的電流，但轉(zhuǎn)動(dòng)方向并不改變，直至卷鋼結(jié)束。

（4）在第四種狀態(tài)時(shí)，操作人員要對(duì)帶鋼尾部進(jìn)行“對(duì)中”，這就使主卷筒在助卷輥的幫助下，進(jìn)行正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，逆變器要改變導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

卷板機(jī)各輥的速度、轉(zhuǎn)矩等的變化，都與變頻器的壓頻比的變化是分不開的。大型傳動(dòng)系統(tǒng)TMDrive-30 和輔助傳動(dòng)系統(tǒng)TMDrive-10 能夠滿足卷板機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的高速響應(yīng)和高過載能力的需求。同時(shí)，變頻器的使用提高了設(shè)備的使用效率和功率因數(shù)。