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冶金工业的变频器应用与维护 五 变频器与PL c】 Th e AC I n ve r t e r ’ S Ap pl i c a t i o n a n d M a i n t e n a n c e i n t h e M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r y 变频器在轧机中的应用 浙江工商职业技术学院 李方园 摘要 轧机主传动要求电气传动具有很高的动态响应和相当高的过载能力,这~领域长期以来一直被 直流电机传动所垄断。自2 0 世纪7 O 年代起 ,随着交流传动矢量控制理论的产生及其应用的推广,世界 发达国家都投入大量的人力物力对轧机主传动进行研究。本文主要介绍了变频器在轧机上的应用。 关键词变频器;轧机;电气传动 Ab s t r a c t Th e Ro i l i n g mi l l d r i v e r e q u i r e s a h i g h e l e c t ric d r i v e d y n a mi c r e s p o n s e a n d v e r y h i g h o v e r l o a d c a p a c i t y . Th i s a r e a h a s l o n g b e e n mon o p o l i z e d b y t h e DC mo t o r d r i v e . Si n c e 1 9 7 0 s o n wa r d s , wi t h t h e f o u n d t a t i o n o f t h e v e c t o r c o n t r o l AC d r i v e t h e o r y a n d t h e p r o mo t i o n o f i t s a p p l i c a t i o n s , t h e wo r ld ’ S d e v e l o p e d c o u n t r i e s h a v e i n v e s t e d a l o t o f ma n p o we r a n d r e s o u r c e s t o c o n d u c t a s t u d y o n t h e r o l l i n g mi l 1 . Th i s p a p e r d e s c rib e s the a p p l i c a t i o n o f t h e d r i v e i n t h e r o l l i n g mi l l Ke y wo r d s AC in v e r t e r ; rol l ing mi l l; E l e c t r i c a l Dr i v e 1 前言 轧机主传动要求电气传动具 有很 高 的动态响应和相当高的过载能力,这~领 域长期以来一直被直流电机传动所垄断 , 但由于直流电机存在换向问题 ,造成换向 器、电刷等部件的维护工作量大增,而且 直流电机在提高单机大容量、提高过载能 力、降低转动惯量以及简化维护方面都受 到了很大限制,已经不能满足轧机向大型 化 、高速 化方 向的发 展 。 自2 0 世纪 7 O 年代起 ,随 着交 流传动 矢量控制理论的产生及其应用的推广 ,世 界发达国家部投人大量的人力物力对轧机 主传动进行研究,到目前,在世界上已经 有数百台1 0 0 0 k W以上的交流变频轧机投 48 i -l ll fl A U T O MA T I O N P A N O R A M A 2 0 1 1 . 0 3 人工作,至于中/ J , L 机采用变频器的更是 不 计其 数 。 2 轧机传动对电气传动系统 的要求 电气传动系统作为电能与机械能的 转换环 节 ,应满 足生 产工 艺的需 要 ,同时 又要适应电网的要求 ,实现高效率运行和 高水平生产。在选择轧机主传动电机调速 系统时应考虑以下因素 2 . 1 满足工艺要求和传动系统的性 能指标 电机调速系统应满足轧制材料的生 产所要求的轧制功率、转矩、转速、调速 范围,根据轧制的最大负荷确定传动系统 的过载能力,同时要考虑电机是否可逆运 转 、加减速时间、恒转矩和恒功率运行的 范围等。而作为电气传动系统 ,还应考虑 电机调速控制系统的性能指标、速度控制 精度、转矩或电流控制的动态响应、速度 控制的动态响应等。 轧机按照生产 工艺 大致可分为中厚 板 轧 机 、 热 连 轧机 、 冷连 轧 机 、高 速 线 材轧机和 冷轧加工线 。由表 1 可见 ,中 厚板和热连轧机的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 MW ~1 2 MW ,转 速 在 5 0 r p m 左右 ,过载2 . 5 倍以上 ,但对速度精度和 动态 响应的要求不高。热连 轧精轧机传 动功率大 ,电机功率5 MW ~1 0 MW,但 转速不高于6 0 0 r p m,电机单方向连续运 行 ,过载1 . 5 倍 ,要求传动系统具有0 . 1 % 的速度精度和高于3 0 r a d / s 的动态响应。 而连轧机功率2 MW ~6 MW ,对 传动 系 统的 性 能指标 要 求最 高 ,速 度精 度 为 0 . 01 %,动 态 响应达 lJ 6 O r a d / s 。冷连 轧加 工线传动 的功 率都不大 ,但系统性能指 标要 求与冷连轧相 同。型钢轧机 由于是 靠孔形来保证产品的精度和 形状 ,故对 电气传动系统的性能指标要 求不高 ,见 表 1 。 2 . 2 适应电网要求 根据电气 传动 系统 中电机和 电力电 子变换器的能量变换效率 ,电力电子变换 器注入电网的电流谐波和功率因素是否满 足供电系统的规定和要求,考虑是否增加 谐波滤波与无功补偿装置。 2 - 3 自动化控制要求 自动化控制是保证轧机生产工艺的 关键,以棒、线材轧机的连轧控制系统为 例,它包含以下几个控制要点 1 速度级联控制 在 钢材 连 轧机 中 ,为保 证成 品 质 量,以成品机架一末机架为基准机架,保 持其速度不变,并作为基准速度设定,其 前面机架速度根据金属秒流量相等的原 理 ,自动按比例设定;在轧制过程中来 自 活套闭环控制的调节量、手 动干预调节 量 ,依次按逆轧制方向对其前面的各机架 速度作增减,实现级联控制。在轧制不同 规格的钢材时,从轧制表中得到指定的末 机架号,和该末机架在此规格最高轧制线 速度VL Ma x ,及 当前选择的轧制总量百 分L L V L %,计算出末机架速度。 2 活套控制 在钢 材连 轧 线 中 ,为保 证 成 品质 量,避免由于各种原因导致的推钢 、活套 是由于在机架间存储了多余轧线长度的轧 件而 引起 的 ,也 正 是 由于 这 些 多 余 的 轧 件,起到了对轧件推拉的有效缓冲。在控 制过程中,以活套套量为目标 ,以速度调 节为手段 ,即可达到控制活套的 目的。具 体方法为当活套套量超过设定值时,就 降低上游机架的速度 ;反之,则升高上游 机架的速度。 3 微张力控制 微张力控制采用电流记忆法。当一 根钢头部咬入第n 架轧机 ,电动机动态速 降恢复后,直到该块钢咬人第n l 架前这 表 1 各轧机工艺对 电气传动技术性 能的要求 轧机类型 功率 转速 运转方式 速度精 度 响应速度 其他 M W r p m % r a d / s 中厚板 。初轧机 5 ~l 2 5 0 可逆 0 . 5 2 0 大过载 热连轧粗轧机 5 ~1 O 5 0 ~1 O 0 可逆 O . 1 3 0 大过载 热连轧精轧机 5 ~l 0 1 O 0 ~6 0 0 单向连续 O .0 5 ~0 . 1 3 0 ~4 0 高精度高动态响应 大型型钢轧机 3 ~5 3 0 0 ~1 0 0 0 单 向连续 O . 1 3 0 , J 、 型车 L 机中车 L 0 .3 ~0 _ 8 3 0 0 ~1 0 0 0 单向连续 O . 5 l 5 高速线材精轧 4 ~6 7 0 0 ~1 8 0 0 单 向连续 0 . 1 2 0 冷连轧机 2 ~5 3 0 0 ~1 0 0 0 单向连续 0 . O 1 4 0 ~6 0 高精度高动态响应 冷轧加工线 0 . 1 ~1 . 5 5 0 0 ~1 5 0 0 可逆 O . O 1 4 0 ~6 0 高精度高动态响应 段时间。对于第n 架轧机而言 ,相当于无 前张力的自由轧制 ,滤波后采样此时的轧 制电流即视为 自由轧制电流。当该块钢咬 入第n l 架 ,且动态速降恢复后 ,滤波后 再次采样此时电流,若两机架间存在张力 偏差,必然有电流的偏差 ,根据电机学的 有关公式,可以得到张力差,根据张力偏 差对速度进行修证,调节第n 架及其以前 的轧机速度 ,达到微张力状态,根据坯料 的前进过程依次按照上述过程不断调节, 全线所有微张力闭环控制的轧机达到微张 力状态 。 3 交交变频器在大型轧机 中 的应用 首先成功 应用于轧机 的交流传动是 交一 交变频器同步电动机传动 ,它应用于 我国多套轧机 ,如鞍钢初轧机 、大型材轧 机、宝钢连轧机、邯钢板坯连铸轧机、攀 钢连轧机等。交一 交变频器主回路本质上 是三套可逆反并联直流晶闸管调速装置, 每相一套。输出的波形是正负可变的缓慢 变化的直流波形 ,输出的频率为电源频率 的1 / 3 以下。交交变频采用矢量控制 ,其 调速范围、调速精度、动态响应均能满足 轧钢工艺的要求。 图1 所示为1 4 5 0 主传动交交变频全数 字矢量控 制系统 ,它主要由6 个 交交变频 主柜、1 个励磁柜、1 个S I MAD Y ND 控制 柜、一个继开柜、3 个吸收柜组成。主传 动控 制系统主回路 中,定子主 回路 由高 压断路器 、整流变压器、三相交一 交变频 器、快开 、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。整 流变压器采用不同形式的连接方式 ,即d / d O H d / y1 1 ,这 使 变 压 器二 次 侧绕 组 相 位 相差一定的 电角度 ,这样做 可以减少 电 网的谐波 。电动机的激磁绕组 即转子绕 组 由4 台整流变压器供 电,有两台分别为 粗 轧 R2 的上 下 辊 的励 磁 供 电; 2 台 给精 轧 F 1 一 F 6 的励磁供电,这2 台互为备用,正常 情况下1 台运行,每台电机转子激磁回路 由单独的六脉冲整流桥供电。每套变频器 由6 个可控硅柜组成,2 套变频器并联组成 一 相变频器 ,分为主从柜,每个变频柜是 一 套三相桥式无环流反并联连接的单相输 出的交一 交变频器 ,由6 个单相交一 交变频 器柜 组 成 一 套 输 出 Y连 接 方 式 的 三 相 交一 交变频器 。电动机采用东 电 粗轧 和哈尔 滨 精轧 直流激磁凸极式转子交流同步电 机 。R 2 机架上/ 下辊传动各有一台电机传 动 ,功率均为5 0 0 0 k W ,精轧每个机架各 有~台电机传动 ,F 1 一 F 4 功率为5 0 0 0 k W , F 5 一 F 6 功率为4 0 0 0 k W;所有 电机都采用Y 形接 线 方式 。 2 0 1 1 .0 3 A U T O M A T I O N P A N O R A M A苦 葫 沁49 c 装置 图1 交一交高压变频器在轧机中的应用 4 高压交 一直 一交变频器在 轧机 中的应用 随 着P W M技 术 的 发 展 ,现 代 变频 器 均以P WM为核心 ,输 出波形好,频率调 节范 围宽 ,控制算法简单 ,其 开关器件 为I GB T ,这种变频器在低压获得广泛应 用 ,普通的P WM变频器输入侧为不可控 的全波整流桥,不能实现能量回馈,电动 机不能实现 四象 限运行 ,为了制动 ,一 般 采用 直 流 环 节 加 装 能 耗 制 动 电阻 的 办 法 。对 于 轧机 电动机 电压一 般 为3 . 3 k V或 6 k V,需要有高压变频器,如图2 所示。 电阿电潭 变绚 嚣母线电压 变颤 器母线电压一电机 薅 士{ } {f { 蕤 土 骥 蠹 I I 土 U l J d c Ud c f 图2 3 3 0 0 V双向对称三 电平功率桥 等值电路电动状态 图3 AF E 单相等值电路 电瀛和电垂波形 图4 输出电压电流波形 5 0 氲 商 溘釜A U T O M A T I O N P A N O R A MA 2 0 J 1 .0 3 另外为了轧机快速性 的要 求 ,即快 速正反转运行,高压变频器需要四象限运 行 ,因此发展一种输入输出双向对称的变 频 系统 ,也 称AF E,如图3 所 示 。 整流桥与逆变桥为相 同的结构 ,整 流 桥 供 电侧 串 联 电感 ,控 制 直 流 电压 水 平 ,达到调节功率因数的作用 ,电动状 态从电源取得功率 ,调节支流电压使电 流与输入电压 同相,g c o s 1 ;再生发 电时,电动机 的能量 回馈给直流环节 , 整流桥逆变 回馈 电网,同样控制直流 电 压水平 ,使 回馈 电流与 电网输入 电压反 相l 8 0 。,C O S 1 。其工作原理向量图如 图3 所示 。其 中u 为电网电压;u 为整流 桥段 电压 ;u 为输入电抗压降 包括 变 压器漏抗 ;u 与直流环节电压成正比 例 。I 为 交流相 电流 。 所 谓三 电平 ,即 将直 流 环节 用 电 容分隔成两半 ,形成P UDC ,z o , N UDC 一 三个 电平 ,每个半桥 臂由二极 管将 串联的2 个开 关管 中点箝位于z o 上。当上桥臂 的上下两管 同时导通时输 出U D C ,当上管截止 ,下管导通 ,而且 下桥臂的上管也导通 下管截止 时 ,输出 z 0 ,即0 电平 。下半桥臂同样,如两管 同 时导 通 时 ,输 出 UDC一 ,只 有这 三 种 导 通状态。这样输出电压波形成台阶状 ,电 压波形接近正弦波,电流正弦波,如图4 所示 这样的系统最大优点就是保证 输人 功率因数为1 ,电网无谐波干扰 ,清洁能 源。这样使用这种变频器完全省去了动态 补偿装置,大大节省了投资,也减少运行 费用。这样的系统是比较理想的。 这 样 系统 的 关键 技 术 在于 开 关器 件 ,首先使用的是G T O I 极可关断晶闸 管 在 鞍 钢 热连 轧 机 组 上采 用 日本三 菱 公 司生产的ME L VE C 一 3 0 0 0 系统1 0 套总容量 7 0 MW。G T O 器件虽然是可关断器件,但 是关断功率大,损耗大,d i / d t ,d v / d t 吸收 回路复 杂 。 ABB公 司 在GTO的基 础 上 研 制 出一 种I GC T Iq 极集成换流晶闸管 把门极控制 回路集成在器件上,用户只须提供一个电 源 2 0 V、1 5 W和光导纤维控制信号就 可以工作了 ,开关频率为1 k Hz ,该器件 采用特殊的缓冲层结构 ,使其导通压降特 别小 ,开 、关损 耗小 ,承受 的d i / d t ,d v / d t 大,并且反向同一个芯片上造一个逆导两 极管。该器件串联使用时均匀性好,可以 无 吸收 电路工 作 。 5 结 束语 在 轧 机 系统 中采 用 变 频 器 ,稳 定 性 和可靠性高,调节特性好 。变频调速使电 机运行状况明显改善,维护量大大减少, 同时大大减少机械系统的变速机构和控制 机 构 ,使 系统 更加方 便操作 ,设 备工作 效 率更高。轧机变频系统采用过流、过压、 瞬时断电、短路 、欠压 、缺相等多种保 护 ,避免了因此造成电机烧损而影响生产 所带来的直接和间接经济损失。更为重要 的是它的节能效果好,取得了可观的经济 效益。 参考文献 [ 1 ]李方园. 变频器行业应用实践[ M] . 北京 中 国电力出版社, 2 0 0 6 [ 2 ]高压变频器在轧机 的应用, wWW C a 8 0 0 CO1 1 1 [ 3 ] 大功率变流技术在钢铁工业小的应刚, W V V V c a 8 0 0 c o m 李方园 1 9 7 3 一 男 ,浙 江舟 山人 ,毕 业于浙 江大学 电气 自动化 专业 ,高级 工程 师 ,长期从 事于 变频器等现代工控产品的应用与研究工 作 。现在职 就读 于浙江 工业 大学信 息学 院工程硕士专业。 j f j {
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