变频器在冷轧五机架主传动中的应用

1 引言 
     宝钢股份冷轧厂1420酸轧机组是国内*条酸洗-轧机联合的新型生产线，由连续酸洗线（CPL）和五机架串列式冷轧机（TCM）联合而成。五机架冷连轧机的1、2、3机架为上/下工作辊传动的四辊式CVC轧机，4、5机架为上/下支撑辊直接传动的六辊式CVC轧机。五机架主传动采用了西门子大型交-交变频器矢量控制系统SIMOVERT-D，系统调速性能优良，空载时速度环静态精度为0.01%，调节时间小于50ms，电流环调节时间小于6.5ms，从零到zui大速度的加速时间为1S。这为能轧制高精度的镀锡原板和冷轧薄板提供了可靠保证。 
SIMOVERT-D传动系统由交-交变频器、励磁整流器、交流隐极同步电动机、全数字多处理器控制系统SIMADYN-D等组成，是典型的全数字矢量控制调速系统。
2 主传动控制系统构成
    主传动控制系统框图如图1所示,定子主回路由高压断路器、整流变压器、三相交-交变频器、无负荷隔离开关、交流同步电机等组成。而转子（激磁）主回路由断路器、进线电抗器、激磁整流器等组成。
    上辊变压器接线方式为Ddo/Ddo/Ddo（即△/△-0），而下辊变压器接线方式为Dy5/Dy5/Dy5（即△/Y-5），因此上下辊两台变压器二次侧绕组相位相差30度,这样做可以减少电网的谐波。
电动机的激磁绕组（既转子绕组）由一台整流变压器统一供电，每台电机转子激磁回路由单独的六脉冲整流桥供电。
    每套主传动的变频器由三个可控硅柜组成，每个可控硅柜是一套三相桥式无环流反并联连接的单相输出的交-交变频器，由三个单相交-交变频器柜组成一套输出Y连接方式的三相交-交变频器。
电动机采用西门子直流激磁隐极式转子交流同步电机。每个机架上/下辊传动各有一台，功率均为2000kW。其中1#～3#机架使用滚柱型轴承的4极电机，通过齿轮箱传动工作辊，而4#、5#机架使用轴瓦的6极电机，直接用万向轴驱动支撑辊。所有电机都采用Y形接线方式。
此外由于轧机轧辊没有抱闸，为了防止主回路跳电时轧机自由停车，另设置了一套能耗制动设备，即激磁回路上并接一套蓄电池组和定子回路上并接一套制动电阻。
2.1 控制回路构成及设备
     控制部分由全数字SIMADYN D控制柜及其它辅助控制柜组成。SIMADYN D控制器由框架、电源、处理器板、接口板等组成。每套传动由一台SIMADYN D控制，其主要控制功能有速度控制、矢量控制、相电流控制、激磁控制、工艺控制等。
3 交-交变频器基本工作原理
    实际使用的三相交-交变频器由三个单相交-交变频器组成，三相输出为Y连接方式。而单相交-交变频器是一套三相桥式无环流反并联连接的可逆的可控硅整流装置。
交-交变频器额定输入电压为3AC 950V 50Hz，额定输出电压为3AC 808V，额定输入电流为3AC 701A，额定输出电流为3AC 859A，zui大输出电流为3AC 1200A。额定输出频率为22Hz，输出频率范围为6.5～22Hz。使用的可控硅元件的额定电压和电流为3500V/1670A。
三相交-交变频器由三套输出电压彼此相差120°时间电角度的单相交-交变频器组成。
三相交-交变频器由SIMADYN D相电流处理器板控制，该控制板包括三相电流控制、电压前馈控制以及三相触发脉冲控制和输出等部分。触发脉冲为双脉冲形式，保证了每个桥中的两个可控硅同时导通;每个脉冲宽度为36°，保证了两组桥中的可控硅的同时导通;而每个脉冲由一系列窄脉冲列组成，脉冲列里的脉冲频率为7KHz，可以提高抗*力。每组桥的脉冲周期为60°，且按1、2、3、4、5、6的顺序循环触发导通可控硅。由于三相交-交变频器输出为Y连接方式，系统要能构成回路形成电流进行正常工作，变频器必须有两组桥中的四个可控硅同时有触发脉冲（即电机两相绕组通电）或三组桥中的六个可控硅同时有触发脉冲（即电机三相绕组通电）。
由于变频器中的正反两组可控硅桥是采用无环流反并联连接的，因此本变频器采用了快速无环流控制方案，无环流换相逻辑切换由相电流控制板控制，而“零电流”信号由可控硅断态电压检测模块检测出。电流的死区时间可以达到0.8ms左右。
相电流控制板还有电压前馈控制，电压前馈控制的目的是将电压源型的交-交变频器改造成具有电流源特性的变频器，实现变频器输出电流跟踪的快速性。
本交-交变频器还采用了交流偏置控制方法，使变频器的输出电压为“准梯形波”，以提高变频器的输出能力。
4 主传动控制功能
4.1 速度控制
速度调节器采用典型的PI调节器，但P调节器和I调节器是分开独立工作的。传动的速度给定有以下几种情况:
传动主导速度WN从上级SIMADYN D送来。
附加速度WNCOR和WNTC从自动厚度控制AGC、张力控制TENS等工艺控制环节送来。
附加速度WNLB从双传动负荷平衡控制环节送来。
点动速度，轧辊定位等由传动本身给定。
在调试、维护时可由操作面板OP45给定（WNOP）。
这些速度或附加速度给定都要经过相应的斜率限制后，再送给速度PI调节器。速度控制原理图如图2所示。
速度实际值XN由同步电机转子轴上的脉冲发生器（2800脉冲/转）测量，经计数变换后，一路直接送到矢量控制，用于震荡补偿控制（实际中未用），另一路经滤波器送到速度调节器和矢量控制里。使用滤波器主要是考虑到传动轴、齿轮箱等不是*刚性的，有一定的弹性扭曲，对速度来说它相当于一个低频干扰量。如果不滤波掉，会引起系统震荡。
速度调节器的输出为转矩给定值，此外还要叠加转矩预控给定值WMPR、双传动公共I调节器输出转矩给定值YICON。综合所有转矩，则同步电机定子电流转矩分量给定值为:总转矩ΣM除以磁通ψ。转矩给定值限幅为*。
五机架主传动中，1、2、3机架采取上下工作辊独立传动控制方式，而4、5机架采取上下支撑辊独立传动控制方式。上下辊速度控制采用公共I调节器和上下辊负荷平衡控制方案。
上下辊双传动工作时，封锁各传动速度调节器的I调节器，同时释放上下辊公共I调节器，各传动的P调节器工作方式不变。公共I调节器的速度给定值和实际值均取两个传动电机的平均值，公共I调节器输出与各电机自己的P调节器输出相加。如果各电机的定子电流转矩分量的实际值超过zui大值，I调节器输入封锁，以防止进一步积分，从而保证输出不变。但在单台电机点动、轧辊定位、转动惯量和摩擦转矩测量等时，封锁公共I调节器，同时P调节器切换到PI调节器。
采用以上控制方案后，对应带钢速度所需的电机转速值由公共I调节器给出，而工艺要求动态响应和负荷平衡由P调节器实现。
4.2 转矩预控
为了保证调速性能和调节器*化工作，因此，必须对加/减速转矩、摩擦转矩、转动惯量等进行预先补偿，也就是所谓的“转矩预控”，如图3所示。要进行转矩预控的关键是测量出实际的机械的转动惯量和摩擦转矩，然后把它们存入初始化参数中，用于正常工作时的预控补偿。
转子惯量的测量方法是:以20%的额定转矩给定转矩限幅，速度从0加速到基速NG，然后从NG减速到0，根据给定转矩和加减速时间计算出转矩惯量J。
J=（MN/4×NG×π）×[（T上×T下）/（T上+T下）>
其中: MN为电机额定转矩、NG为电机转速、T上为加速上升时间、T下为减速下降时间。
摩擦转矩测量方法:把速度０～*分成16个点（给定值），测量时先给定出一个速度，等到实际速度到达时，自动记录下此时的转矩值，然后又给出另一个速度，再记录下该速度下的转矩值，直到n=*时的转矩给定值。
然后把所有转矩值，写在出始化参数里，形成一个函数表，用于摩擦转矩补偿。加/减速转矩为MMACC=J×（dw/dt）= J×2I/D×dv/dt，其中:J为转动惯量、I为齿轮比、D为传动辊辊径、dv/dt为带钢加速度。
总的转矩预控原理见图3:
其中:WMADD为附加速度转矩补偿;
WMFRI为摩擦转矩补偿;
WMACC为主导加/减速转矩补偿;
WMPRE总的转矩预控值。
4.3 矢量控制
主传动同步电机控制系统采用气隙磁场定向矢量变换控制，通过矢量变换控制使同步机气隙磁通保持不变，这样就可以通过控制电机定子电流的转矩分量，很方便地控制电机的电磁转矩。
实际控制系统中的矢量控制采用软件模块化结构，见图4所示, 矢量控制的主要控制环节由以下几部分组成:
实际值检测处理（IWE） l直流调节器（GGR）
电压模型（UMO） l磁通调节器（PUR）
电流模型（IMO） l功率因素控制（COS）
转子位置估算（OWA） l闭环控制给定值传送（SUGS） 
zui小激磁电流控制（IEM）
开环控制交流给定值发生器（DSGS）
（1） 实际值检测IWE
IWE功能块用于测量定子实际电流iS（即iSA、iSB、iSC），实际电压uS（即uSA、uSB、uSC）和转子实际位置λ，并可对实际测量值进行校正。
（2） 电压模型UMO
电压模型UMO根据实际电流iS、实际电压uS计算出实际磁通ψ和磁通位置角φUMO以及实际电势e。当速度小于5%时，由于定子电压很低，测量值相对误差较大，电压模型不准确，电流模型起主要作用。
（3） 电流模型IMO 
电流模型IMO根据实际情况计算出总的给定值i＊Sφ1和i＊Sφ2，以及磁通ψIMO和磁通位置角φIMO。当电机速度在4%～8%之间时，电压模型UMO和电流模型IMO同时起作用，磁通值及其位置角取两者的加权计算值。
此外，电流模型还计算输出弱磁系数F，用于弱磁控制。当电机速度在基速nN以下时，弱磁系数F=1，ψ＊=ψG＊，保持磁通值不变，电机以恒转矩调速。当电机速度在基速以上时，弱磁系数F=n/nG ，磁通ψ＊=（nN/n）ψN＊，电机以恒功率调速。
（4） 转子位置估算OWA
OWA根据速度大小，从电压模型UMO输出磁通位置角jUMO和电流模型IMO输出磁通位置φIMO两者之中选择更的一个作为转子位置估算值。当电机速度小于4%时，转子位置估算值使用IMO的计算φIMO;当速度大于8%时，取UMO的计算值φUMO;当速度在4%和8%之间时，φM取两者速度加权平均值，使电机速度能平滑地变化。
此外，此功能块还要校正数字系统的死区时间，因此还要计算经过校正的转子位置角。
（5） 直流调节器GGR
GGR有两个功能，一个功能是 直流量i＊Sφ1、i＊Sφ2积分调节器，另一个功能是解耦环节（即电压给定值计算），总的输出作为定子电压预控给定值uS＊。GGR还根据相电流实际值iSA、iSB、iSC，计算给出输出iSφ1、iSφ2实际值。
当i＊Sφ1、i＊Sφ2给定值都小于5%时，并且给定值与实际值偏差小于1%时，封锁直流调节器（I调节器）。电压预控给定值限幅为*，当达到限幅后，允许减少输出调节。
（6） 磁通调节器PUR
磁通调节器主要用于校正同步电动机磁化状态。电机磁化初始状态由电流模型控制。磁通调节器只有在电机速度大于8%时才释放工作。磁通调节器PUR里有两个调节器及其输出，它们可以相互独立工作。一个是P调节器输出，经zui小激磁电流控制环节IEM传送到IMO，作为定子电流磁化分量的动态补偿。另一个调节器是PI调节器，输出也送到IMO，作为激磁电流给定值IS＊E的动态和静态补偿。
（7） 功率因素控制COS
同步电机功率因素可以通过调节定子电流磁化分量i＊Sφ1来改变。COS环节就是根据期望功率（COSφ=1）、电机漏电抗、负载电流i＊Sφ2以及弱磁系数计算出所需的定子电流磁化分量给定值i＊Sφ1。
此外，COS环节还有zui小定子电流ISmin限制功能，当电机实际定子电流小于5%，通过限制磁化分量电流的大小，可以避免定子电流断续。
（8） 给定值传送SUGS
SUGS把矢量控制里计算出的电流矢量I＊S（极坐标形式，从IMO来），电压矢量U＊S（极坐标形式，从GGR来），以及经较正过的转子位置角φM，存储到通讯缓冲器里，然后由相电流控制里的相应功能块读出，作为相电流控制给定值。
（9） 交流给定值发生器DSGS
DSGS主要用于电流闭环控制、电压模型、实际值检测等功能的初始测试。DSGS根据给定电流和频率计算出旋转定子电流矢量给定值。DSGS起作用时，自动代替SUGS，把有关给定值送到通讯缓冲器里。
4.4 电流控制
电流控制分为定子相电流控制和转子激磁电流控制。
相电流控制基本功能为P调节器，每相各有一个电流调节器，通过相电流控制，使交-交变频器具有电流源特性。实际中这部分内容做成了“黑匣子”，无须用户修改程序，在矢量控制里有一个功能块SEND1与相电流控制部分进行通讯，用它可以设定各种参数和控制信号。
转子激磁电流控制和以前的直流激磁控制原理基本一样。主要由电流给定斜坡发生器MCSP、逻辑切换MSOC、电流PI调节器MCPI、触发脉冲形成MTG6、电流实际值检测MCAV功能块等组成。
其中IS＊E是定子坐标系下的转子电流给定值，送给转子电流控制回路时，必须乘上一个转换系数g（由转换系数计算功能块MAES计算出）后方得到转子控制回路给定值IR＊E。转子电流控制原理图如图5所示。
5 结束语
通过对实际应用的交-交变频器主传动控制系统的结构和控制原理的介绍，希望能对有关人员熟悉和了解交-交变频器有所帮助。
交-交变频器的调试、维护简单方便，控制系统稳定可靠，系统静态和动态技术指标完满足冷轧生产工艺要求。