日立變頻器在1 420 mm酸軋產(chǎn)線(xiàn)中的應(yīng)用

韓驗(yàn)龍，楊金昭，劉志剛，陳育新，劉佳奇

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋部，河北 唐山 063200）

1 420 mm酸軋產(chǎn)線(xiàn)采用鹽酸酸洗并經(jīng)五機(jī)架串列式UCM軋機(jī)，其主傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用日立IGBT矢量控制變頻系統(tǒng)。整流器和逆變器分別各由三組IGBT單元并聯(lián)而成，采用了對(duì)稱(chēng)式的結(jié)構(gòu)，保證了大功率變頻器功率因數(shù)為1.0，大大提高了變頻器的有效功率。變電站進(jìn)線(xiàn)電壓11 kV，輸送給變壓器變壓1 900 V，再經(jīng)過(guò)整流單元可輸出3 300 V直流電壓，逆變器逆變后輸出2 250 V的交流電壓供給IGBT驅(qū)動(dòng)單元，以驅(qū)動(dòng)主軋機(jī)工作，主傳動(dòng)變頻器最大可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量約為3 000 kW的軋制輥。在1—5號(hào)機(jī)架軋機(jī)的主傳動(dòng)和張力卷取機(jī)傳動(dòng)上采用的是大容量IGBT整流和逆變的傳動(dòng)系統(tǒng)（HIVECTOL-VSI-MH）；在2號(hào)張力輥2號(hào)輥電機(jī)、1—3號(hào)活套卷?yè)P(yáng)電機(jī)上的主要張緊輥等傳動(dòng)中，采用的是公共直流母線(xiàn)形式的中容量矢量變頻控制系統(tǒng)（HIVECTOL-VSI-M）；還有在其他有調(diào)速要求的小電機(jī)上使用的開(kāi)卷機(jī)、換輥小車(chē)等傳動(dòng)中，采用的是小容量矢量變頻控制系統(tǒng)（HIVECTOL-VSI-S）。

1 IGBT主傳動(dòng)的工作原理

1.1 IGBT裝置切換時(shí)輸出的電壓

IGBT是絕緣門(mén)雙極晶體管的縮寫(xiě)[1]，它是一個(gè)用于轉(zhuǎn)換主回路功率的晶體管。理想狀態(tài)下，絕緣門(mén)雙極晶體管不僅可以利用雙極性動(dòng)作來(lái)得到較高的耐電壓和電流容量，還可以利用MOS門(mén)觸發(fā)來(lái)進(jìn)行高速切換，在低ON電壓時(shí)很容易進(jìn)行門(mén)驅(qū)動(dòng)，因此，IGBT兼有雙極晶體管和MOSFET的特性，可輸出軋機(jī)壓下想要的功率。該裝置提供了一個(gè)自消弧功能，所以它不需要任何強(qiáng)制的換流回路，這樣可確保裝置的緊湊設(shè)計(jì)。

酸軋傳動(dòng)系統(tǒng)使用的IGBT裝置規(guī)格為3 300 V、1 200 A，IGBT驅(qū)動(dòng)單元由配備轉(zhuǎn)換IGBT整流器、控制回路的公共柜、逆變器組成。驅(qū)動(dòng)單元作為整流器，將各個(gè)范圍的電壓、各個(gè)頻率的交流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，逆變器再將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓。如圖1所示為主傳動(dòng)系統(tǒng)IGBT傳動(dòng)柜的運(yùn)行圖。

圖1 酸軋主傳動(dòng)系統(tǒng)IGBT傳動(dòng)柜的運(yùn)行圖

1.2 PWM功能切換

1 420 mm酸洗—軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組主傳動(dòng)采用的是3并2串功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)載所需的容量大小，采用三種主電路：3級(jí)型電路、2級(jí)型電路和1級(jí)型電路，即每相分別并聯(lián)3個(gè)、2個(gè)或1個(gè)IGBT單元。

PWM（脈寬調(diào)制器）[2]方式用于將可選幅值和頻率的正弦波轉(zhuǎn)換成脈寬相等的3組數(shù)值波形。如上所述，IGBT整流器的各相輸出電壓可視為由P母線(xiàn)電位（+Edc），中心點(diǎn)電位（0）和N母線(xiàn)電位（-Edc）組成的三組數(shù)值。IGBT逆變器的每相產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓值等于電壓幅值及頻率皆可變的初始IGBT一次電壓。IGBT逆變器每相產(chǎn)生的AC電壓經(jīng)過(guò)PWM轉(zhuǎn)換，生成等脈寬電壓波形，隨后在PWM轉(zhuǎn)換生成的波形基礎(chǔ)上切換IGBT設(shè)備。如圖2為PWM開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換方式。

圖2 PWM開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換方式

圖3為IGBT單元切換導(dǎo)通示意圖。當(dāng)QP與QPC導(dǎo)通時(shí)，輸出正向電壓為P母線(xiàn)電位+Edc；當(dāng)QNC導(dǎo)通時(shí)，QP不導(dǎo)通而QPC導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓為中點(diǎn)電位0，從而實(shí)現(xiàn)在+Edc與0之間的導(dǎo)通切換；當(dāng)QN與QNC導(dǎo)通時(shí)，輸出負(fù)向電壓為N母線(xiàn)電位-Edc，QPC導(dǎo)通時(shí)，QN不導(dǎo)通。

圖3 IGBT導(dǎo)通切換示意圖

QNC導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓為0，此過(guò)程就在-Edc與0之間進(jìn)行導(dǎo)通切換。這樣就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)QP、QNC之間的導(dǎo)通切換，即P母線(xiàn)電位點(diǎn)與0電位點(diǎn)來(lái)回切換導(dǎo)通。而QN與QPC之間的切換，也就是N母線(xiàn)電位-Edc與0電位進(jìn)行切換導(dǎo)通。

1.3 消除疊加時(shí)間

通過(guò)控制IGBT門(mén)極和發(fā)射極之間的電壓來(lái)控制IGBT的通斷，控制該電壓的電路稱(chēng)為門(mén)極驅(qū)動(dòng)器。由于IGBT設(shè)備本身的特性，在發(fā)出實(shí)際的開(kāi)關(guān)命令時(shí)，門(mén)極電壓與開(kāi)關(guān)命令之間會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲，如圖3所示。如果PWM開(kāi)關(guān)命令信號(hào)太快，IGBT集電極電流則會(huì)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，從而導(dǎo)致P和中性點(diǎn)C之間出現(xiàn)短路，從而產(chǎn)生主電路DC短路。日立主傳動(dòng)系統(tǒng)在PWM切換時(shí)，采用了Non-lap time延時(shí)設(shè)置，有效避免了直流短路的發(fā)生，圖4為IGBT開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)兩種現(xiàn)象的比較。

圖4 IGBT開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)集電極電流情況

1.4 IGBT模塊的過(guò)熱保護(hù)

軋機(jī)主傳動(dòng)的電機(jī)功率為4 800 kW，其IGBT開(kāi)關(guān)頻率高，器件的損耗較大。如果能耗不能及時(shí)散發(fā)出去，將會(huì)導(dǎo)致IGBT損壞，造成巨大損失。因此，為每個(gè)IGBT單元都安裝了3個(gè)散熱片，通過(guò)工業(yè)水來(lái)冷卻純水，進(jìn)而冷卻IGBT設(shè)備及其功率元件。而且每個(gè)單元都有冷卻風(fēng)扇，可對(duì)單元設(shè)備進(jìn)行冷卻。工作時(shí)，這兩種冷卻方式同時(shí)開(kāi)啟，以達(dá)到對(duì)IGBT單元冷卻的目的。

2 主傳動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)

2.1 主傳動(dòng)的矢量控制

1 420 mm酸洗—軋機(jī)機(jī)組生產(chǎn)的薄板主要接收來(lái)自基礎(chǔ)自動(dòng)化的信號(hào)，經(jīng)計(jì)算處理后，傳輸?shù)阶冾l器的HME001主控制板，由HME001控制板控制主傳動(dòng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。而HME001控制板在進(jìn)行速度控制的同時(shí)，也與主傳動(dòng)的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行通信[3]，依靠調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，以保證速度控制過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)磁鏈能滿(mǎn)足輸出轉(zhuǎn)矩的要求。這種技術(shù)應(yīng)用了矢量控制。

軋制鋼板屬于恒軋制力控制，對(duì)電力拖動(dòng)的動(dòng)、靜態(tài)精度要求高，要求做到高速弱磁、低速點(diǎn)動(dòng)、停車(chē)時(shí)強(qiáng)制制動(dòng)。1 420 mm酸軋主傳動(dòng)應(yīng)用矢量控制后，靜差度＜0.02%，速度響應(yīng)快，一般可達(dá)到毫秒級(jí)，能達(dá)到需求的電力拖動(dòng)的精度。

日立主傳動(dòng)矢量控制技術(shù)[4]依托定子電流反饋，經(jīng)矢量旋轉(zhuǎn)45°變換和3/2變換后，得到定子電流的激磁分量Iα和轉(zhuǎn)矩分量Iβ，其中Iβ與電動(dòng)機(jī)模型磁鏈的乘積用于計(jì)算電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩和實(shí)際功率，Iα和Iβ分別經(jīng)過(guò)電流控制器參與磁通計(jì)算，將Iα和Iβ分別輸入電動(dòng)機(jī)的電流模型和電壓模型，經(jīng)過(guò)模型計(jì)算和比例積分控制[5]后，得到電動(dòng)機(jī)定子電流的給定頻率，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)功率元件的觸發(fā)。電動(dòng)機(jī)定子電流經(jīng)矢量旋轉(zhuǎn)變換后，還要參與電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)控制和同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流給定與Iα合成系統(tǒng)勵(lì)磁電流，電流模型由要求輸出的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流所給定。圖5為矢量控制三相轉(zhuǎn)變兩相坐標(biāo)系示意圖。

圖5 三相坐標(biāo)系變換兩相坐標(biāo)系示意圖

2.2 整流功率因數(shù)輸出1.0控制

1 420 mm酸軋的大容量傳動(dòng)系統(tǒng)的整流和逆變由各自獨(dú)立運(yùn)行的PWM所控制，同時(shí)功率因數(shù)也受到控制，因此，其可以不受電機(jī)負(fù)載及其運(yùn)行速度的影響。

功率因數(shù)為1.0控制是指電源電流Is的相位和電源電壓Vs的相位相同，如圖6所示為功率因數(shù)1.0的控制電路和矢量圖。將Is分解成和Vs同相的有源電流Iq部分和與Vs垂直的無(wú)源電流Id部分，在整流器的控制回路里設(shè)定Id的參考值為0，以對(duì)VC進(jìn)行控制，這樣就能達(dá)到控制功率因數(shù)為1.0。整流器輸出功率因數(shù)為1.0，可以大大降低電力系統(tǒng)的電壓損失，減少電壓波動(dòng)，提高電壓穩(wěn)定性。

圖6 功率因數(shù)1.0控制電路圖和矢量圖

3 變頻系統(tǒng)對(duì)諧波的抑制

諧波的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)低頻、旋轉(zhuǎn)不均勻，從而引起振動(dòng)和噪音問(wèn)題。高次諧波產(chǎn)生的電流還會(huì)增加不必要的損耗，直接干擾負(fù)載。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱(chēng)關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除，只存在奇次諧波。又因?yàn)槿樟⒆冾l器采用Δ-Δ接線(xiàn)的單繞組變壓器，抑制了3n次諧波。所以對(duì)于三相整流負(fù)載，出現(xiàn)的諧波電流是5、7、11、13等次諧波。

針對(duì)5、7、11、13次諧波，日立變頻器系統(tǒng)采用如下2種方法來(lái)抑制諧波：對(duì)電力系統(tǒng)裝置本身進(jìn)行改造；在供電網(wǎng)系統(tǒng)中采取措施。

第一種方法：對(duì)電力系統(tǒng)裝置本身進(jìn)行改造，應(yīng)用電源同步PWM控制使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控為1.0[6]。日立主傳動(dòng)采用電源同步PWM控制系統(tǒng)的低切換頻率來(lái)抑制、消除高次諧波。PWM整流器產(chǎn)生高次諧波的數(shù)量取決于載波的相位，通過(guò)設(shè)定載波的相位可以消除兩個(gè)或多個(gè)整流器單元的諧波。如果用相同的載波驅(qū)動(dòng)兩個(gè)整流單元，那么兩個(gè)整流器產(chǎn)生的高次諧波將會(huì)疊加放大。

HIVECTOL-CNV-MH采用控制相位差為180°的兩個(gè)載波來(lái)控制兩個(gè)整流單元。通過(guò)設(shè)置電源電壓和相位差180°的同相載波，可相互抵消產(chǎn)生的高次諧波。首鋼京唐1 420 mm酸軋的變壓器采用10 kV的電源，利用該方法可不配備高壓濾波器，穩(wěn)定了系統(tǒng)的同時(shí)，也節(jié)省了一定的投資。當(dāng)驅(qū)動(dòng)m個(gè)整流單元時(shí)，可以通過(guò)公式來(lái)獲得用于抵消次數(shù)為n的高次諧波的載波相位差Δψ。

第二種方法：日立變頻系統(tǒng)在供電網(wǎng)系統(tǒng)中采用了5種措施來(lái)抑制諧波。

1）酸軋日立變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源保持相互獨(dú)立，或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器，以切斷諧波電流。

2）在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接合適的電抗器（TCR）來(lái)進(jìn)行濾波，濾波器的組成必須是LC型，即無(wú)源濾波型，通過(guò)吸收諧波和增大電源或負(fù)載的阻抗來(lái)達(dá)到抑制諧波的目的。

3）電機(jī)和變頻器之間的動(dòng)力電纜采用銀白色鎧裝電纜，并與其他弱電信號(hào)分別敷設(shè)在不同的電纜溝，以避免輻射干擾。

4）日立主傳動(dòng)變頻器信號(hào)線(xiàn)采用屏蔽線(xiàn)，且布線(xiàn)時(shí)與變頻器主回路控制線(xiàn)錯(cuò)開(kāi)一定距離（至少20 cm以上），以切斷輻射干擾。

5）變頻器使用粗短專(zhuān)用線(xiàn)接地，鄰近其他電器設(shè)備的地線(xiàn)必須與變頻器配線(xiàn)分開(kāi)，使用短線(xiàn)，這樣能有效抑制電流諧波對(duì)鄰近設(shè)備的輻射干擾。

4 系統(tǒng)故障及設(shè)備改進(jìn)

4.1 “71880”故障

故障的出現(xiàn)：1 420 mm酸軋聯(lián)動(dòng)運(yùn)行期間，尤其是軋制T料薄板時(shí)，1、2號(hào)開(kāi)卷機(jī)，2、3號(hào)卷?yè)P(yáng)電機(jī)傳動(dòng)柜等設(shè)備連續(xù)出現(xiàn)“71880”（電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)停止）的故障代碼，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常，即閃斷現(xiàn)象。對(duì)于小型傳動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，71880傳動(dòng)故障中偶爾的閃斷不會(huì)導(dǎo)致停車(chē)，但是對(duì)于2、3號(hào)卷?yè)P(yáng)電機(jī)來(lái)說(shuō)，則會(huì)造成傳動(dòng)設(shè)備報(bào)重故障，從而導(dǎo)致軋機(jī)停車(chē)，影響軋機(jī)的連續(xù)生產(chǎn)，造成經(jīng)濟(jì)損失。

故障處理的流程及設(shè)備的改進(jìn)：“71880”是通訊閃斷問(wèn)題，已經(jīng)嘗試了多種方案，如加抗干擾磁環(huán)、更換一級(jí)通訊模塊、更換傳動(dòng)控制板及信號(hào)電纜等，但效果不是十分理想。后將原用國(guó)產(chǎn)磁環(huán)替換為日立公司提供的進(jìn)口磁環(huán)，降低了風(fēng)扇閃斷頻率；將HMD932主板卡傳輸速率由500kbps修改為250kbps，增大數(shù)據(jù)傳輸有效距離，終端電阻END RESISTOR模式選為NO USE，即關(guān)閉中間位置，經(jīng)此優(yōu)化后，效果明顯，誤報(bào)警明顯減少，但是沒(méi)能徹底解決故障；將主傳動(dòng)HMD932板卡由E升級(jí)到F級(jí)，一級(jí)通訊板卡C.NET由原來(lái)的C級(jí)升到D級(jí)，修改后至今無(wú)故障發(fā)生，徹底解決了“71880”通訊閃斷的問(wèn)題。

在此后的生產(chǎn)中，沒(méi)有因?yàn)檎`報(bào)警導(dǎo)致停車(chē)事故的發(fā)生，節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 漏水檢測(cè)故障

漏水檢測(cè)故障的出現(xiàn)：5號(hào)機(jī)架報(bào)重故障掉電，顯示屏顯示報(bào)警信息為“PURE WATER LEAK DETECT”（漏水檢測(cè)檢測(cè)到信號(hào)），先對(duì)傳動(dòng)柜內(nèi)有無(wú)漏水情況進(jìn)行檢查，確認(rèn)無(wú)漏點(diǎn)，但仍無(wú)法進(jìn)行復(fù)位操作。此時(shí)猜測(cè)為傳動(dòng)室濕度過(guò)大導(dǎo)致了漏水檢測(cè)報(bào)警情況，將報(bào)警信息點(diǎn)XP4甩掉后，可以進(jìn)行復(fù)位操作，此時(shí)1號(hào)機(jī)架出現(xiàn)相同報(bào)警，檢查后同樣沒(méi)有漏水情況，手摸漏水檢測(cè)有潮濕感。

問(wèn)題分析：由于夏天多雨，海邊環(huán)境濕度上升較快，相對(duì)濕度變化較大，無(wú)法提前預(yù)知。事故發(fā)生時(shí)，軋機(jī)傳動(dòng)室室內(nèi)相對(duì)濕度為75%，近兩周歷史記錄的相對(duì)濕度穩(wěn)定在66%左右，而漏水檢測(cè)相對(duì)濕度上限值為80%，漏水檢測(cè)帶表面有明顯潮濕感。參照漏水檢測(cè)器與漏水檢測(cè)帶產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，符合檢測(cè)帶表面有凝結(jié)水或凝露現(xiàn)象導(dǎo)致的漏水報(bào)警。

故障處理及設(shè)備改進(jìn)：在軋機(jī)傳動(dòng)室內(nèi)裝設(shè)除濕機(jī)來(lái)去除濕度，選用除濕機(jī)的型號(hào)為杭州松井電器有限公司SGSJ-158E，額定輸入功率為2.2 kW，冷凝壓力最大為2.5 MPa。恢復(fù)漏水檢測(cè)信號(hào)線(xiàn)XP4后，未再出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象，保證了產(chǎn)線(xiàn)的穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

1 420 mm酸軋生產(chǎn)線(xiàn)經(jīng)過(guò)8年多的工作運(yùn)行，因不斷地對(duì)其進(jìn)行硬件改良和軟件系統(tǒng)更新升級(jí)，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)一直平穩(wěn)運(yùn)行，系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)也都滿(mǎn)足生產(chǎn)和工藝的需求。由于大容量IGBT變頻調(diào)速系統(tǒng)在控制性能上具有高精度、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，已在對(duì)性能有較高要求的軋機(jī)傳動(dòng)中得到了廣泛應(yīng)用。