宝钢交流变频器应用概述

   引言

    1 变频器在宝钢的应用历程

    (1)宝钢在一期建设(1985年9月以前)：宝钢设备的电气传动大多是采用直流电机调速装置。特别是主轧线全部采用大容量直流电机传动。

    (2)二期建设(1985年9月～1991年10月)：设备的电气传动少量采用交流变频调速技术，且为模拟量控制。例如2050热轧R3机架采用同步电机，变频器为模拟量控制。

    (3) 三期及以后的建设中(1993年以后至今)：大量采用交流变频调速技术，且为全数字化控制。

    随着电子技术和交流变频调速技术的迅猛发展，原直流电机存在的换向和换向器、电刷等部件维护工作量较大等问题，使其在提高单机大容量、过载能力和降低转动惯量以及简化维护等方面受到了限制，不能满足轧钢机向大型化、高速化方面的发展，新建的热轧，冷轧，炼钢，连铸，高炉等几乎*采用全交流化传动。

    2 变频器在自动化系统中的作用

    从自动化角度看，过程控制系统分为：

    设备级(简称L0)
    基础自动化级(简称L1)；
    过程控制级(简称L2)；
    上级管理计算机(简称L3)。

    过程控制级(简称L2)，其主要功能是根据接收上级管理计算机(简称L3)下传的生产计划及工艺要求进行模型计算和优化设定计算；基础自动化级(简称L1)其主要功能是实施优化控制和顺序控制及对生产实绩进行收集；设备级(简称L0)按下传的指令对设备进行直接控制，完成按工艺要求对材料的加工。由于交流变频器(L0)的全数字化，通过现场总线连接，强化了L0与L1的信息集成，便于调试和维护，因而L0(马达控制)已成为自动化控制系统中重要组成部分。

    3 变频器在宝钢的应用

    交流变频器在宝钢具有大量而广泛的应用，变频器的供电装置、变频器及马达三者已成为宝钢生产厂设备的心脏，其应用包括热轧粗轧机、精轧机、飞剪、卷取机、平整机、立辊、活套及辅助生产线；冷轧包括冷连轧；各种处理线及辅助生产线；炼钢包括倾动，氧副枪等；连铸包括大包旋转、结晶器调宽、引锭杆，还有高速线材，钢管，宽厚板等生产线都大量采用变频调速技术。宝钢主生产线上的变频装置随主合同一起引进，由于主线上变频装置属于高电压、大电流、大容量变频装置，技术复杂性高，设备庞大，在选择方案时要十分慎重，主要采用三菱/东芝(TMEIC)、西门子、ABB、安川、富士、施耐德、罗克韦尔等世界电气厂商的产品。 

    马达控制方式及轧机对变频器的要求

    1 马达控制方式

    马达是根据变频器产生驱动的，变频器的控制方式大致可分为三类：速度控制、电流控制和电压控制。

    (1) 速度控制(简称ASR)

     图1 马达控制方式

     速度控制框图如图1(a)所示，适用于速度控制精度要求高的场合。

     图1(a)中：

     Ref：从PLC向变频器传递的速度指令(Reference)；

     Fbk：马达的直接速度检测器(PLG)信号向变频器反馈(Feedback)。

    (2) 电流控制(简称ACR)

    电流控制如图1(b)所示。一般用于要求电流恒定的负载。如活套张力控制，卷取机咬钢时带钢的控制。

    图1(b)中：

    C.Ref.：从PLC向变频器传输的电流指令；

    SLC-Ref.：从PLC向变频器传输的速度极限值；

    SLC-Fbk：马达将速度检测(PLG)的信号向变频器反馈；

    SLC：速度极限控制。

    (3) 电压控制(简称AVR)

    电压控制如图1(c)所示，即变频器输出电压/频率的协调控制=V/F控制，一般用于对速度控制精度要求不高的场合。

    图1(c)中：

    Ref.：从PLC向变频器传输的频率指令(Reference)。

    2 轧机对变频器的要求

    变频器是将工频交流电源变成对马达可控的变频交流电源，向马达供电，实现马达将电能转换成机械能，宝钢生产对变频器的总要求如图2所示。具体来说，应满足：

  图2  对变频器的要求 

    (1) 适应电网要求，变频器注入电网的电流谐波和功率因数要满足电网要求；
    (2) 满足工艺要求(马达)，即满足轧钢工艺对轧制功率、转矩、转速、调速范围；
    (3) 满足传动系统指标要求；
    (4) 满足信息化要求，即满足与自动化系统硬软件接口的要求；
    (5) 经济性。

    3 轧机工艺对电气传动控制性的要求

     轧机对电气传动控制性的要求如下：

    (1)中厚板热连轧机：粗轧机属于低速，大容量可逆轧机，要求大转矩大过载能力，电机功率5～12MW，转速在50r/min左右，过载2.5倍以上，但对速度精度和动态响应要求不高；

    (2)热连轧机：精轧机传动功率大，电机功率5~10MW，但转速不高于600r/min，电机单方向连续运行，过载1.5倍，要求传动系统具有0.1%的速度和高于30rad/s的动态响应； 

    (3)冷连轧机：轧机功率2～6MW，对传动系统的性能指标要求zui高，速度精度0.01%，动态响应达到60rad/s。冷轧加工线传动的功率不大，一般小于2MVA，但系统性能指标要求同冷连轧。

    4 轧机工艺对通讯的要求

    过程控制现场设备(马达)与控制器(PLC)之间信息互访要求，以及对网络通信通用性的要求，促进了各个相互兼容适用的标准、串行、开放、双向的多站数字实时通信系统的发展，产生了现场总线标准。从本质上说，现场总线是一种实时控制网络。现场总线连接自动化zui底层的现场控制器和现场智能设备，网线上传输的主要是检测信息、状态信息、控制信息等，传输信息量小，但要求可靠性高，实时性强。
      
     变频器在宝钢的应用

    1 TIMEIC/三菱电机/东芝的变频器在宝钢的应用情况

    TIMEIC/三菱电机/东芝的变频器在宝钢的应用情况，如表1所示。

    表1  TIMEC/三菱电机/东芝变频器在宝钢应用


    2 西门子变频器在宝钢的应用情况

    西门子变频器在宝钢的应用情况，如表2所示。

    表2  西门子变频器在宝钢应用

    3 变频器在宝钢热轧的应用

   图3 变频器在热轧的应用
 
    以1780热连轧为例，由图3可知：

    (1)采用交流电动机驱动，全部为交流变频调速系统，其中主传动为交流同步电机驱动(粗轧7800kW、精轧8000kW)，驱动装置采用三菱电机的MELVEC-3000型变频器。该装置为电压型交流变频装置，主回路采用大功率的自关断型器件—GCT(Gate commutated Turn-off Thyristor)，元件容量6kA/6kV，逆变器zui大输出功率60Hz。由于单个元件的容量较大，整个装置采用纯水冷却，变频器在热轧的应用如图3所示；

    (2) 在调试及试运行期间，曾经发生25次以上电压畸变率大于10%的情况，主要采取的措施：

    将相邻两台变频器的调制相位错开；

    由于35kV电源上已有另外2个用户存在不同程度的电压畸变，再与本厂高次谐波叠加(向量和)，将使电压畸变率增至很大，经分析进行负荷重新调整，将热轧供电与上述2个用户分开。

    通过以上措施，目前的电压畸变率已在正常范围之内。1780热轧自2003年12月热负荷试车以来，曾发生两次故障，一次是精轧F4逆变器元件损坏，经分析是单元装配时控制板没有压接好，造成接触不良，另一次是飞剪整流侧元件损坏，原因是电源进线处有短路痕迹。该装置投产以来基本运行情况良好，平均功率因数保持在0.98，电源侧的电压畸变率，谐波29、31次小于4%。

    (3) 热轧变频器选择

    在设计阶段注意变频器和马达参数的正确匹配，热轧变频器选择如表3所示。
 
    表3   热轧变频器选择

 4 变频器在冷轧的应用

   图4 五冷轧酸轧变频器应用

    变频器在冷轧的应用如图4所示。

    采用TDC控制器(工艺驱动控制器)需与电机进行协调控制，它主要应用在运算工作量大，运算速度快的场合，还有轧机主传动电机容量大的主传动控制。如：AGC控制、压下控制、张力控制、速度指令控制、卷径计算等。非工艺驱动控制的即仅需要逻辑控制的采用PLC。

    5 冷轧处理线

    (1) 采用直流母线

    机组变速传动点共123个；

    驱动电机容量0.06~2450kW； 

    根据驱动设备工位分7个整流母线组。

    图5示出直流母线电源结构简图。

    图5 直流母线电源结构简图

    (2) 逆变单元(ACS800)

    逆变器采用DTC(直接转矩控制)，DTC控制思路是把电机和逆变器看成一个整体，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下，分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，通过跟踪功率元件开关状态，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内。DTC控制原理如图6所示。

  图6    DTC控制原理

    (3) DTC与VC主要控制性能比较

    DTC与VC主要控制性能比较。

    (4) 驱动控制结构

    主要变频传动有：卷取/开卷控制；张紧辊控制；活套控制；AGC控制等。 

    以上几种控制的基本结构除了在制动时，只采用回馈再生制动，没有抱闸制动外

    变频器应用上，主要故障表现如下：

    1) 变频器主回路谐波过大，电压畸变过大，影响电网品质和设备正常；

    2) 变频器控制回路屏蔽不良，影响变频正常工作；

    3) 变频器接地不良，导致元气件故障；

    4) 变频器与连接电机距离过大，造成变频器干扰过电流过大故障，或低速启动不良；

    5) 变频器转速检测信号干扰，导致变频器误启动，电机堵转，变频器出现过电流故障；

    6) 在变频器同步控制中，抱闸制动同步失调，导致电机堵转，变频器出现过电流故障；

    7) 变频器冷却单元故障，导致变频器故障。


    随着电子技术、变频技术和现场总线技术的迅猛发展，变频器在宝钢得到了广泛的应用，除在轧机主传动上得到了广泛的应用外，在其它生产单元例如炼钢、连铸、高炉的主生产线及辅助生产线以及能源设备等也得到了很好的应用。采用交流变频调速除要满足工艺控制的要求外，还要注意对电网品质的影响，即对电网不产生污染，注意采用变频技术带来的节能效果等。总之变频器将成为宝钢自动化系统重要组成部分。

    在变频器工程评判上，在考虑变频器产品在工艺应用成熟的基础上，本着对工艺具体要求优化出发，着重变频器特性特点，另外，主要考虑变频器应用、布置、使用条件与现有电网对变频器的要求必须满足，以及电源侧谐波对电网品质与网上其他设备的影响及其消除，强调变频器与电机类型、容量、电压与电流上的匹配，对改造项目要特别注意变频器与已有控制系统的通讯接口。

    总起来说，以下几点考虑，是十分必要的：

    (1) 变频器引进时要从传动供电控制系统综合考虑；

    (2) 重视提高变频器的可维护性、可靠性； 

    (3) 对原有传动系统改造的侧略应尽量保护已有资源； 

    (4) 注意对电网品质的影响。