淺析太鋼冷軋廠2號軋機中壓系統(tǒng)國產(chǎn)化改造

任巍

（太原鋼鐵公司，山西 太原 030008）

1 改造實施

通過對現(xiàn)場條件及現(xiàn)有系統(tǒng)的分析，我們決定改造只針對傳動系統(tǒng)，保留原上位HPC控制器及自動化系統(tǒng)。這樣既能保持原有系統(tǒng)的工藝特性，又能夠解決自動化系統(tǒng)硬件備件短缺的問題。傳動系統(tǒng)改造選用國產(chǎn)大功率中壓三電平IGCT交-直-交變頻器產(chǎn)品，并由天津電氣傳動研究院負責(zé)系統(tǒng)的成套，替換原阿爾斯通的變頻系統(tǒng)，保證新變頻系統(tǒng)與原自動化系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信和無縫接入。改造內(nèi)容主要包括：保留原雙副邊整流變壓器、新增兩臺進線電抗器、拆除原整流單元、原主機逆變單元及左右卷取機逆變單元；新增8MVA整流系統(tǒng)一套、主機及左右卷取機的三電平IGCT逆變系統(tǒng)三套，重新設(shè)計配套的水冷系統(tǒng)。

根據(jù)我廠現(xiàn)場實際情況，改造分兩個階段實施。第一階段，以試用形式提供1臺8MVA主軋機逆變器及相應(yīng)的切換設(shè)備，與原有主軋機逆變器切換，互為備用系統(tǒng)；逆變器出廠時安裝在可戶外安裝的集裝箱內(nèi)，初步確定集裝箱安裝在主電室與主電機之間的空地處，采用上進下出的方式與系統(tǒng)的母線電源及主軋機相連。第二階段，在主軋機逆變器穩(wěn)定運行4～6個月后，拆除原兩臺卷取機及主軋機的所有電控設(shè)備，安裝AFE整流單元及左右卷取機逆變器，并將室外已安裝試用的主軋機逆變器移至主電室內(nèi)，對整個軋機傳動系統(tǒng)進行替代更換。

分成兩個階段主要有以下優(yōu)點：（1）由于采用集裝箱集成的方式，且集裝箱整體安裝在主電室外，僅需少量投資及很短的施工周期即可完成第一階段的工作?，F(xiàn)場施工只需要完成主電室與集裝箱之間的水路、電源進線的施工及集裝箱與主軋機電機之間的連線，少量的輔助電源、信號線的施工。（2）如果新系統(tǒng)出現(xiàn)短時無法恢復(fù)的故障，可以快速切換到原系統(tǒng)運行，對生產(chǎn)造成的損失最小化。（3）可通過第一階段的試用進一步優(yōu)化整套系統(tǒng)的改造方案，確保在實施全部設(shè)備更換時更可靠、更快速。

1.1 第一階段改造說明

原有主軋機變頻調(diào)速系統(tǒng)仍舊保留，以確保生產(chǎn)，增加1臺8MVA主軋機逆變器，可以與原有逆變器系統(tǒng)切換，實現(xiàn)系統(tǒng)互為備用。

1.2 第二階段改造說明

主軋機逆變器穩(wěn)定運行4～6個月后，對整個軋主傳動系統(tǒng)進行改造，實現(xiàn)軋機主傳動系統(tǒng)的全面升級。替換下來的老設(shè)備可以作為3號軋機的備件，實現(xiàn)價值最大化。

整套主傳動設(shè)備（包含新增加的兩臺進線電抗器）全部替換，如圖2所示，虛線部分為更換設(shè)備。

2 中壓系統(tǒng)改造創(chuàng)新

針對本項目，根據(jù)現(xiàn)場要求對中壓變頻系統(tǒng)進了優(yōu)化調(diào)整，主要在以下幾方面進行了重點研究，取得了科技創(chuàng)新。（1）直流電子開關(guān)保護技術(shù)；（2）攻關(guān)與舊系統(tǒng)HPC控制器的通訊協(xié)議；（3）有源前端特定諧波抑制技術(shù)應(yīng)用；（4）電勵磁同步電機磁場定向控制技術(shù)應(yīng)用；（5）國產(chǎn)中壓變頻設(shè)備在軋機領(lǐng)域的首次應(yīng)用，且與國外設(shè)備的混合使用。

2.1 直流電子開關(guān)保護技術(shù)

為了能夠?qū)a(chǎn)設(shè)備接入系統(tǒng)中進行測試和試驗，同時保證原有控制系統(tǒng)安全，我們開發(fā)出了一種直流電子開關(guān)電路，在逆變設(shè)備異常時，通過電子開關(guān)快速將逆變設(shè)備切除，動作時間≤12us，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場逆變設(shè)備出現(xiàn)重故障時對前端整流電源的保護，防止逆變側(cè)故障將事故擴大到整流側(cè)，對原有控制系統(tǒng)造成損害。我們在整流器和逆變器之間串入一數(shù)值較大的電感（50uH）和IGCT，如果逆變器側(cè)發(fā)生直通短路，正、負半橋（或全橋）電壓突降為0，此時，整流電源輸出電流iDC的變化率為di/dt=2800V/50uH=56A/us。假設(shè)逆變器輸出功率為6MW，對應(yīng)直流電流1250A，考慮到電流脈動和一定的裕量，設(shè)定短路故障直流電流初值為2000A。當(dāng)發(fā)生過流時，包括光纖在內(nèi)的硬件電路信號延遲≤2us，F(xiàn)PGA中的信號濾波時間≤3us、IGCT關(guān)斷延遲≤7us，共計延遲時間不超過12us，對應(yīng)的最大電流值可能達到2000+ 56×12=2672A，距離IGCT可關(guān)斷最大電流4000A的門限還有充足裕量，完全可以確保可靠關(guān)斷。

實施效果：經(jīng)測試，整個電路可以有效起到快速與舊系統(tǒng)直流母線分斷的保護動作。

2.2 有源前端特定諧波抑制技術(shù)應(yīng)用

有源整流器主要作用是從交流變直流，與電網(wǎng)直接相關(guān)，控制的目標是中壓大功率有源整流。在低開關(guān)頻率下實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電壓電流諧波抑制、高功率因數(shù)和直流電壓高穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)速度等，特別中壓大功率整流器電流諧波問題，一直是業(yè)內(nèi)技術(shù)難點。本項目開發(fā)的中壓三電平同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)，其網(wǎng)側(cè)整流器采用PWM整流器，為了解決諧波問題，項目開發(fā)“特定諧波抑制PWM”技術(shù)。其思路與SHEPWM類似，但開關(guān)角度的計算是通過求解“特征諧波含量小于某一門限值”對應(yīng)的不等式方程組來完成，所述門限值根據(jù)遵循的諧波標準確定。于是，開關(guān)角度的求解被轉(zhuǎn)化為最優(yōu)解這一數(shù)學(xué)問題，而最優(yōu)解的數(shù)值解法有許多較為成熟的算法可供參考。此種創(chuàng)造性的采用特定諧波抑制法(SHM-PWM)在三電平PWM整流器中的應(yīng)用，解決大功率變頻器在低開關(guān)頻率下的諧波問題，使電網(wǎng)側(cè)諧波含量低于國家相關(guān)標準規(guī)定值，防止整流設(shè)備對電網(wǎng)污染。

實施效果：有效抑制有源整流器網(wǎng)側(cè)電流對電網(wǎng)諧波污染，適應(yīng)原整流變壓器的參數(shù)，使現(xiàn)場原有變壓器可以繼續(xù)使用，減少了改造費用。

2.3 電勵磁同步電機磁場定向控制技術(shù)應(yīng)用

本次技術(shù)改造重點研究了電勵磁同步電機磁場定向技術(shù)在ALSTOM傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用,原理框圖參見圖6，采用以電動機氣隙磁場定向的控制方法，通過速度傳感器采集電動機實際速度和轉(zhuǎn)子位置，通過電壓、電流傳感器采集定子實際電壓和電流信號，經(jīng)主控制器軟件中電機的電壓模型和電流模型計算出磁通矢量，以該矢量的方向作為電流勵磁分量的方向，以該矢量逆時針旋轉(zhuǎn)90°的方向作為電流力矩分量的方向。通過采用磁通矢量定向控制，使定子電流可以按照勵磁和力矩分量分別控制，達到與直流電動機調(diào)速系統(tǒng)相同的靜態(tài)、動態(tài)品質(zhì)。

實施效果：采用了以磁通定向的矢量控制，可滿足軋機基速以下恒轉(zhuǎn)矩、基速以上恒功率的調(diào)速要求，使速度調(diào)節(jié)器具備了弱磁自適應(yīng)控制功能。

2.4 國產(chǎn)中壓變頻設(shè)備在軋機領(lǐng)域的首次應(yīng)用

本次技術(shù)改造是整套國產(chǎn)中壓變頻設(shè)備首次在軋鋼領(lǐng)域的應(yīng)用，同時也是國產(chǎn)設(shè)備首次與國外設(shè)備并網(wǎng)運行，改造完成后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性備受考驗。因此，在設(shè)計實施時先保留原有控制系統(tǒng)，第一階段項目項目改造完成后可實現(xiàn)新舊控制系統(tǒng)的快速可靠切換，經(jīng)過6個月的穩(wěn)定運行后，實現(xiàn)了整套控制系統(tǒng)的全部改造，整個項目于2020年5月成功完成。

3 與當(dāng)前國內(nèi)外同類技術(shù)主要參數(shù)、效益、市場競爭力比較

本次技術(shù)改造開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中壓三電平變頻器產(chǎn)品與國外品牌產(chǎn)品性能指標比較見表1所示。

表1 三電平變頻器產(chǎn)品與國外品牌比較

綜合上表，與國外同類產(chǎn)品比較，本次改造中采用的中壓三電平變頻器產(chǎn)品性能較好，與西門子產(chǎn)品基本一致，可實現(xiàn)對國外進口同類高端品牌的替代。

4 結(jié)語

2#軋機改造后，跳閘故障消除，產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量大幅提高，經(jīng)濟效益明顯，為我廠未來傳動及PLC改造摸索出一條成功的方法道路。