摘 要：軋機主傳動(dòng)要求電氣傳動(dòng)具有很高的動(dòng)態(tài)響應和相當高的過(guò)載能力，這一領(lǐng)域長(cháng)期以來(lái)一直被直流傳動(dòng)所壟斷。自20世紀70年代起，得益于電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的高度發(fā)展而日新月異的發(fā)展，隨著(zhù)交流傳動(dòng)控制理論的產(chǎn)生及其應用的推廣，變頻調速技術(shù)在其應用領(lǐng)域得到了質(zhì)的突破。 本文主要介紹英威騰IPE200系列變頻器在主軋機上的應用。

  關(guān)鍵詞：IPE200變頻器 軋機 電氣傳動(dòng) 整流回饋

   一、引言

   國內某鋼廠(chǎng)集采選礦、鋼鐵冶煉、鋼材軋制為一體，其中軋鋼生產(chǎn)線(xiàn)集成了當今世界先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，采用了先進(jìn)的生產(chǎn)管理手段，其工藝裝備和產(chǎn)品檔次均達到國際一流水平。隨著(zhù)計算機信息技術(shù)的快速發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程對生產(chǎn)效率和生產(chǎn)工藝的要求進(jìn)一步提高，此鋼廠(chǎng)進(jìn)一步加大技術(shù)改造力度，其扁鋼軋線(xiàn)項目使用英威騰IPE200系列四象限矢量變頻器和S7-300組成整流回饋多傳動(dòng)控制系統，在系統設計可靠性和工藝要求上達到國內先進(jìn)水平。本文將對其進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，對英威騰IPE200整流回饋多傳動(dòng)系統著(zhù)重說(shuō)明。

   二、應用環(huán)境分析

   軋機主傳動(dòng)要求電氣傳動(dòng)具有很高的動(dòng)態(tài)響應和相當高的過(guò)載能力，這一領(lǐng)域長(cháng)期以來(lái)一直被直流電機傳動(dòng)所壟斷，但由于直流電機存在換向問(wèn)題，造成換向器、電刷等部件的維護工作量大增，而且直流電機在提高過(guò)載能力、降低轉動(dòng)慣量以及簡(jiǎn)化維護方面都受到了很大限制。自20世紀70年代起，隨著(zhù)交流傳動(dòng)矢量控制理論的產(chǎn)生及其應用推廣，目前鋼鐵工業(yè)全交流化已經(jīng)在冷板帶連軋機、中厚板軋機、線(xiàn)棒軋機、型鋼軋機、鋼管軋機包括主、輔傳動(dòng)等領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現，軋機采用交流變頻器越來(lái)越多。

   軋機傳動(dòng)對電氣傳動(dòng)系統的要求： 電氣傳動(dòng)系統做為電能與機械能的轉換環(huán)節，應滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求，同時(shí)又要適應電網(wǎng)的要求，實(shí)現高效率運行和高水平生產(chǎn)。選擇軋機主傳動(dòng)電機調速系統時(shí)考慮一下因素：

   1) 滿(mǎn)足工藝要求和傳動(dòng)系統的性能指標

   電機調速系統應滿(mǎn)足軋制材料的生產(chǎn)所要求的軋制功率、轉矩、轉速、調速范圍，根據軋制的最大負荷確定傳動(dòng)系統的過(guò)載能力，同時(shí)要考慮電機是否可逆運轉、加減速時(shí)間、恒轉矩和恒功率運行的范圍等。而作為電氣傳動(dòng)系統，還應考慮電機調速控制系統的性能指標、速度控制精度、轉矩或電流控制的動(dòng)態(tài)響應、速度控制的動(dòng)態(tài)響應等。

   2) 適應電網(wǎng)要求

   根據電氣傳動(dòng)系統中電機和電力電子交換器的能量交換效率，電力電子交換器注入電網(wǎng)的電流諧波和功率因數是否滿(mǎn)足供電系統的規定和要求，考慮是否增加諧波濾波與無(wú)功補償裝置。

   扁鋼軋線(xiàn)項目組通過(guò)多次技術(shù)論證和實(shí)地考察，最終選擇了英威騰IPE200整流回饋多傳動(dòng)方案。

   2.1 軋線(xiàn)主電機技術(shù)參數
 
       

   備注：

1) 其中一臺是初軋軋機，帶慣性大飛輪。啟動(dòng)力矩大，停止慣性大。
2) 通訊要求：DP通訊。
3) 閉環(huán)控制：德國倍加福軸套式編碼器，工作電壓DC24V，每周脈沖數1024，數量7個(gè)。

   2.2 系統調節精度要求

1) 系統調節精度----------0.1%；
2) 靜態(tài)速降--------------0.1%（空載）；
3) 動(dòng)態(tài)速降--------------2%（帶載）；
4) 恢復時(shí)間--------------200ms。
2.3 變壓器容量
2500kVA 輸出電壓400V

   三、系統方案

   根據項目特點(diǎn)和應用要求，軋機主傳動(dòng)等采用英威騰IPE200系列四象限矢量變頻器。IPE200系列四象限矢量變頻器由配電柜、PWM整流回饋柜和逆變柜三部分組成，其中配電柜和PWM整流回饋柜組成變頻器的PWM整流回饋部分，逆變柜則包含了變頻器的逆變部分。用戶(hù)可以根據實(shí)際需要靈活選配PWM整流回饋部分（包含配電柜和整流柜）和逆變部分。

   整流柜由PWM整流單元組成，該整流單元采用三相交流電源輸入，實(shí)現了上電預充電功能并可以提供穩定的直流母線(xiàn)電壓。PWM整流單元采用IGBT做整流橋，用高速度、高運算能力的DSP產(chǎn)生PWM控制脈沖。一方面可以調整輸入的功率因數，消除對電網(wǎng)的諧波污染，讓變頻器真正成為“綠色產(chǎn)品”；另一方面可以將電機制動(dòng)產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)，達到節能的效果。

   3.1 整流回饋選型

    1) IPE200系列整流器選型及配置 

     

   備注：1、進(jìn)線(xiàn)柜包含隔離開(kāi)關(guān)、框架式自動(dòng)空氣斷路器、電流互感器、指示儀表等。饋電柜包含濾波電抗器、上電緩沖電路等。

   2、由于系統的電流較大（按1920A*2計），整流/回饋裝置分為二組，每組二臺柜，每柜內置3個(gè)200kW功率單元，每組1200kW，共計2400kW。四臺柜共12個(gè)200kW整流回饋功率單元并聯(lián)運行。

   2) 整流回饋并聯(lián)
 
              
   3) PWM整流回饋系統工作原理

   PWM整流單元的主回路由主接觸器，預充電電路，LC濾波電路、輸入主電抗器、IGBT功率模塊，電解電容等組成?？刂粕喜捎秒p閉環(huán)控制結構，其外環(huán)為母線(xiàn)電壓環(huán)，內環(huán)為電流環(huán)，通過(guò)對電源電壓的相位檢測和坐標變換以及PI調節器的調節作用實(shí)現對電網(wǎng)輸入電流的有功分量和無(wú)功分量的獨立控制，當控制無(wú)功電流分量為0值時(shí)，就可實(shí)現整流器功率因數接近于1和能量的雙向流動(dòng)。
  
                

   備注：上圖中AVR為自動(dòng)電壓調整模塊；ACR為自動(dòng)電流調整模塊；VD為矢量控制模塊；PWM為脈寬調制；PLL為鎖相環(huán)；L1、R1、C1為電源濾波器；L2為升壓電感；R0為上電緩沖電阻；MC為上電緩沖接觸器；Edc為母線(xiàn)電壓，其中帶“*”的為設定值，不帶的為檢測值，θ為網(wǎng)側電壓相位角。

   PWM整流回饋單元通過(guò)自動(dòng)電壓調節器（AVR）調節整流器輸出母線(xiàn)電壓，維持母線(xiàn)電壓為一個(gè)恒定的設定值；同時(shí)自動(dòng)電壓調節器（AVR）的輸出作為自動(dòng)電流調節器（ACR）的輸入，PWM整流器根據所檢測的三相電流來(lái)控制自動(dòng)電流調節器（ACR）的輸出。PWM整流器檢測三相輸入電壓，并通過(guò)鎖相環(huán)（PLL）來(lái)計算電網(wǎng)的實(shí)時(shí)相位，保證PWM整流器輸出的電壓相位與電網(wǎng)實(shí)際相位同步，前面所提到的自動(dòng)電流調節器（ACR）的輸出通過(guò)空間電壓矢量調制方式轉換為控制IGBT的驅動(dòng)信號，實(shí)現PWM整流器的控制。

   PWM整流回饋部分與逆變部分一起組成四象限變頻器，四象限變頻器的典型應用場(chǎng)合是具有位勢負載的場(chǎng)合，例如提升機，機車(chē)牽引，油田磕頭機，離心機等，有些大功率的應用中，也需要四象限變頻以減小對電網(wǎng)的諧波污染。采用帶有PWM控制整流器的變頻器具有四象限運行的功能，能滿(mǎn)足各種位勢負載的調速要求，可將電機的再生能量轉化為電能送回電網(wǎng)，達到最大限度的節能目的。

   整流回饋部分對交流電源過(guò)壓、缺相故障、IGBT模塊過(guò)熱、過(guò)流、過(guò)載、預充電之前的整流單元控制電源進(jìn)行監控，出現任何故障時(shí)都會(huì )導致整流單元封鎖驅動(dòng)脈沖并發(fā)出一個(gè)故障信號。通過(guò)交流電源或控制電源的重新上電可復位故障信號。

   3.2 逆變傳動(dòng)選型

  1) IPE200系列逆變柜選型及配置
 
           

   2) 共直流母線(xiàn)

   PWM整流回饋部分將三相交流電整流為直流電向直流母線(xiàn)電路供電，直流電路向驅動(dòng)電機的逆變器供電。直流電路可以只連接一個(gè)逆變單元，也可以連接多個(gè)逆變單元，具體用戶(hù)可以靈活配置。
 
             

   四、現場(chǎng)設備系統調試

   主控臺通過(guò)操作臺及上位機對整個(gè)軋線(xiàn)進(jìn)行集中控制和監控，S7-300通過(guò)Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)與變頻器進(jìn)行動(dòng)態(tài)數據的交換，完成整個(gè)軋線(xiàn)的速度級聯(lián)控制。上位機在線(xiàn)實(shí)時(shí)了解變頻器運行狀態(tài)，所有數據在屏幕上一目了然。調試后效果顯示集中操作非常簡(jiǎn)便，系統運行穩定可靠集成度提高，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率也大大提高。

   4.1 軋線(xiàn)系統結構圖

   以下為采用英威騰公司IPE200四象限產(chǎn)品的軋線(xiàn)系統結構圖。
 
             

   4.2 上位機組態(tài)
 
             

   4.3 設備調試

   列舉K5軋輥的帶載運行圖，動(dòng)態(tài)響應在500ms，滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。
 
                

                              圖表說(shuō)明：紅色---速度跌落 棕色---轉矩電流

   現場(chǎng)設備圖片
  
            
              

   五、結束語(yǔ)

   英威騰IPE200交流傳動(dòng)系統在扁鋼生產(chǎn)線(xiàn)軋機主傳動(dòng)上的成功運用，是國產(chǎn)變頻器在軋鋼生產(chǎn)線(xiàn)上成功嘗試，大幅提高了生產(chǎn)線(xiàn)的運行效率；由于采用了PWM整流器，提高了變頻系統輸入的功率因數，降低惡劣系統對電網(wǎng)的諧波污染，讓變頻器真正成為“綠色產(chǎn)品”；同時(shí)由于變頻可以四象限運行，因而可以將電機制動(dòng)產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)，達到節能的效果。IPE200交流傳動(dòng)系統以其先進(jìn)性、可靠性和穩定性贏(yíng)得了客戶(hù)的認同；也提高了企業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，滿(mǎn)足了生產(chǎn)工藝要求，進(jìn)而提高了產(chǎn)品效益。

   參考文獻： 

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   [5]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制，北京:機械工業(yè)出版社，2003

   [6]《IPE200系列四象限矢量變頻器說(shuō)明書(shū)》 深圳英威騰電氣股份有限公司

   關(guān)于英威騰：

   英威騰，成立于2002年，致力于成為全球領(lǐng)先、受人尊敬的電氣傳動(dòng)、工業(yè)控制、新能源領(lǐng)域的產(chǎn)品與服務(wù)供應商，2010年在深交所A股上市，股票代碼：002334。英威騰是國家火炬計劃重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)，目前擁有11家控股子公司，依托于電力電子、自動(dòng)控制、電機控制、節能環(huán)保、物聯(lián)網(wǎng)、信息化等關(guān)鍵技術(shù)的掌握，主要產(chǎn)品涵括高、中、低壓變頻器、電梯智能整體機、伺服系統、PLC、HMI、電機和電主軸、SVG、UPS、光伏逆變器等。英威騰現有員工1600多人，大型生產(chǎn)基地4個(gè)，營(yíng)銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò )遍布國內及海外60多個(gè)國家和地區。
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