1 引言 寶鋼股份冷軋廠1420酸軋機組是國內(nèi)第一條酸洗-軋機聯(lián)合的新型生產(chǎn)線，由連續(xù)酸洗線（CPL）和五機架串列式冷軋機（TCM）聯(lián)合而成。五機架冷連軋機的1、2、3機架為上/下工作輥傳動的四輥式CVC軋機，4、5機架為上/下支撐輥直接傳動的六輥式CVC軋機。五機架主傳動采用了西門子大型交-交變頻器矢量控制系統(tǒng)SIMOVERT-D，系統(tǒng)調(diào)速性能優(yōu)良，空載時速度環(huán)靜態(tài)精度為0.01%，調(diào)節(jié)時間小于50ms，電流環(huán)調(diào)節(jié)時間小于6.5ms，從零到最大速度的加速時間為1S。這為能軋制高精度的鍍錫原板和冷軋薄板提供了可靠保證。 SIMOVERT-D傳動系統(tǒng)由交-交變頻器、勵磁整流器、交流隱極同步電動機、全數(shù)字多處理器控制系統(tǒng)SIMADYN-D等組成，是典型的全數(shù)字矢量控制調(diào)速系統(tǒng)。 2 主傳動控制系統(tǒng)構(gòu)成 主傳動控制系統(tǒng)框圖如圖1所示,定子主回路由高壓斷路器、整流變壓器、三相交-交變頻器、無負荷隔離開關(guān)、交流同步電機等組成。而轉(zhuǎn)子（激磁）主回路由斷路器、進線電抗器、激磁整流器等組成。 上輥變壓器接線方式為Ddo/Ddo/Ddo（即△/△-0），而下輥變壓器接線方式為Dy5/Dy5/Dy5（即△/Y-5），因此上下輥兩臺變壓器二次側(cè)繞組相位相差30度,這樣做可以減少電網(wǎng)的諧波。 電動機的激磁繞組（既轉(zhuǎn)子繞組）由一臺整流變壓器統(tǒng)一供電，每臺電機轉(zhuǎn)子激磁回路由單獨的六脈沖整流橋供電。 每套主傳動的變頻器由三個可控硅柜組成，每個可控硅柜是一套三相橋式無環(huán)流反并聯(lián)連接的單相輸出的交-交變頻器，由三個單相交-交變頻器柜組成一套輸出Y連接方式的三相交-交變頻器。 電動機采用西門子直流激磁隱極式轉(zhuǎn)子交流同步電機。每個機架上/下輥傳動各有一臺，功率均為2000kW。其中1#～3#機架使用滾柱型軸承的4極電機，通過齒輪箱傳動工作輥，而4#、5#機架使用軸瓦的6極電機，直接用萬向軸驅(qū)動支撐輥。所有電機都采用Y形接線方式。 此外由于軋機軋輥沒有抱閘，為了防止主回路跳電時軋機自由停車，另設(shè)置了一套能耗制動設(shè)備，即激磁回路上并接一套蓄電池組和定子回路上并接一套制動電阻。 2.1 控制回路構(gòu)成及設(shè)備 控制部分由全數(shù)字SIMADYN D控制柜及其它輔助控制柜組成。SIMADYN D控制器由框架、電源、處理器板、接口板等組成。每套傳動由一臺SIMADYN D控制，其主要控制功能有速度控制、矢量控制、相電流控制、激磁控制、工藝控制等。 3 交-交變頻器基本工作原理 實際使用的三相交-交變頻器由三個單相交-交變頻器組成，三相輸出為Y連接方式。而單相交-交變頻器是一套三相橋式無環(huán)流反并聯(lián)連接的可逆的可控硅整流裝置。 交-交變頻器額定輸入電壓為3AC 950V 50Hz，額定輸出電壓為3AC 808V，額定輸入電流為3AC 701A，額定輸出電流為3AC 859A，最大輸出電流為3AC 1200A。額定輸出頻率為22Hz，輸出頻率范圍為6.5～22Hz。使用的可控硅元件的額定電壓和電流為3500V/1670A。 三相交-交變頻器由三套輸出電壓彼此相差120°時間電角度的單相交-交變頻器組成。 三相交-交變頻器由SIMADYN D相電流處理器板控制，該控制板包括三相電流控制、電壓前饋控制以及三相觸發(fā)脈沖控制和輸出等部分。觸發(fā)脈沖為雙脈沖形式，保證了每個橋中的兩個可控硅同時導(dǎo)通;每個脈沖寬度為36°，保證了兩組橋中的可控硅的同時導(dǎo)通;而每個脈沖由一系列窄脈沖列組成，脈沖列里的脈沖頻率為7KHz，可以提高抗干擾能力。每組橋的脈沖周期為60°，且按1、2、3、4、5、6的順序循環(huán)觸發(fā)導(dǎo)通可控硅。由于三相交-交變頻器輸出為Y連接方式，系統(tǒng)要能構(gòu)成回路形成電流進行正常工作，變頻器必須有兩組橋中的四個可控硅同時有觸發(fā)脈沖（即電機兩相繞組通電）或三組橋中的六個可控硅同時有觸發(fā)脈沖（即電機三相繞組通電）。 由于變頻器中的正反兩組可控硅橋是采用無環(huán)流反并聯(lián)連接的，因此本變頻器采用了快速無環(huán)流控制方案，無環(huán)流換相邏輯切換由相電流控制板控制，而“零電流”信號由可控硅斷態(tài)電壓檢測模塊檢測出。電流的死區(qū)時間可以達到0.8ms左右。 相電流控制板還有電壓前饋控制，電壓前饋控制的目的是將電壓源型的交-交變頻器改造成具有電流源特性的變頻器，實現(xiàn)變頻器輸出電流跟蹤的快速性。 本交-交變頻器還采用了交流偏置控制方法，使變頻器的輸出電壓為“準梯形波”，以提高變頻器的輸出能力。 4 主傳動控制功能 4.1 速度控制 速度調(diào)節(jié)器采用典型的PI調(diào)節(jié)器，但P調(diào)節(jié)器和I調(diào)節(jié)器是分開獨立工作的。傳動的速度給定有以下幾種情況: 傳動主導(dǎo)速度WN從上級SIMADYN D送來。 附加速度WNCOR和WNTC從自動厚度控制AGC、張力控制TENS等工藝控制環(huán)節(jié)送來。 附加速度WNLB從雙傳動負荷平衡控制環(huán)節(jié)送來。 點動速度，軋輥定位等由傳動本身給定。 在調(diào)試、維護時可由操作面板OP45給定（WNOP）。 這些速度或附加速度給定都要經(jīng)過相應(yīng)的斜率限制后，再送給速度PI調(diào)節(jié)器。速度控制原理圖如圖2所示。 速度實際值XN由同步電機轉(zhuǎn)子軸上的脈沖發(fā)生器（2800脈沖/轉(zhuǎn)）測量，經(jīng)計數(shù)變換后，一路直接送到矢量控制，用于震蕩補償控制（實際中未用），另一路經(jīng)濾波器送到速度調(diào)節(jié)器和矢量控制里。使用濾波器主要是考慮到傳動軸、齒輪箱等不是完全剛性的，有一定的彈性扭曲，對速度來說它相當于一個低頻干擾量。如果不濾波掉，會引起系統(tǒng)震蕩。 速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)矩給定值，此外還要疊加轉(zhuǎn)矩預(yù)控給定值WMPR、雙傳動公共I調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩給定值YICON。綜合所有轉(zhuǎn)矩，則同步電機定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定值為:總轉(zhuǎn)矩ΣM除以磁通ψ。轉(zhuǎn)矩給定值限幅為100%。 五機架主傳動中，1、2、3機架采取上下工作輥獨立傳動控制方式，而4、5機架采取上下支撐輥獨立傳動控制方式。上下輥速度控制采用公共I調(diào)節(jié)器和上下輥負荷平衡控制方案。 上下輥雙傳動工作時，封鎖各傳動速度調(diào)節(jié)器的I調(diào)節(jié)器，同時釋放上下輥公共I調(diào)節(jié)器，各傳動的P調(diào)節(jié)器工作方式不變。公共I調(diào)節(jié)器的速度給定值和實際值均取兩個傳動電機的平均值，公共I調(diào)節(jié)器輸出與各電機自己的P調(diào)節(jié)器輸出相加。如果各電機的定子電流轉(zhuǎn)矩分量的實際值超過最大值，I調(diào)節(jié)器輸入封鎖，以防止進一步積分，從而保證輸出不變。但在單臺電機點動、軋輥定位、轉(zhuǎn)動慣量和摩擦轉(zhuǎn)矩測量等時，封鎖公共I調(diào)節(jié)器，同時P調(diào)節(jié)器切換到PI調(diào)節(jié)器。 采用以上控制方案后，對應(yīng)帶鋼速度所需的電機轉(zhuǎn)速值由公共I調(diào)節(jié)器給出，而工藝要求動態(tài)響應(yīng)和負荷平衡由P調(diào)節(jié)器實現(xiàn)。 4.2 轉(zhuǎn)矩預(yù)控 為了保證調(diào)速性能和調(diào)節(jié)器最佳化工作，因此，必須對加/減速轉(zhuǎn)矩、摩擦轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量等進行預(yù)先補償，也就是所謂的“轉(zhuǎn)矩預(yù)控”，如圖3所示。要進行轉(zhuǎn)矩預(yù)控的關(guān)鍵是測量出實際的機械的轉(zhuǎn)動慣量和摩擦轉(zhuǎn)矩，然后把它們存入初始化參數(shù)中，用于正常工作時的預(yù)控補償。 轉(zhuǎn)子慣量的測量方法是:以20%的額定轉(zhuǎn)矩給定轉(zhuǎn)矩限幅，速度從0加速到基速NG，然后從NG減速到0，根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩和加減速時間計算出轉(zhuǎn)矩慣量J。 J=（MN/4×NG×π）×[（T上×T下）/（T上+T下）] 其中: MN為電機額定轉(zhuǎn)矩、NG為電機轉(zhuǎn)速、T上為加速上升時間、T下為減速下降時間。 摩擦轉(zhuǎn)矩測量方法:把速度０～100%分成16個點（給定值），測量時先給定出一個速度，等到實際速度到達時，自動記錄下此時的轉(zhuǎn)矩值，然后又給出另一個速度，再記錄下該速度下的轉(zhuǎn)矩值，直到n=100%時的轉(zhuǎn)矩給定值。 然后把所有轉(zhuǎn)矩值，寫在出始化參數(shù)里，形成一個函數(shù)表，用于摩擦轉(zhuǎn)矩補償。加/減速轉(zhuǎn)矩為MMACC=J×（dw/dt）= J×2I/D×dv/dt，其中:J為轉(zhuǎn)動慣量、I為齒輪比、D為傳動輥輥徑、dv/dt為帶鋼加速度。 總的轉(zhuǎn)矩預(yù)控原理見圖3: 其中:WMADD為附加速度轉(zhuǎn)矩補償; WMFRI為摩擦轉(zhuǎn)矩補償; WMACC為主導(dǎo)加/減速轉(zhuǎn)矩補償; WMPRE總的轉(zhuǎn)矩預(yù)控值。 4.3 矢量控制 主傳動同步電機控制系統(tǒng)采用氣隙磁場定向矢量變換控制，通過矢量變換控制使同步機氣隙磁通保持不變，這樣就可以通過控制電機定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，很方便地控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩。 實際控制系統(tǒng)中的矢量控制采用軟件模塊化結(jié)構(gòu)，見圖4所示, 矢量控制的主要控制環(huán)節(jié)由以下幾部分組成: 實際值檢測處理（IWE） l直流調(diào)節(jié)器（GGR） 電壓模型（UMO） l磁通調(diào)節(jié)器（PUR） 電流模型（IMO） l功率因素控制（COS） 轉(zhuǎn)子位置估算（OWA） l閉環(huán)控制給定值傳送（SUGS） 最小激磁電流控制（IEM） 開環(huán)控制交流給定值發(fā)生器（DSGS） （1） 實際值檢測IWE IWE功能塊用于測量定子實際電流iS（即iSA、iSB、iSC），實際電壓uS（即uSA、uSB、uSC）和轉(zhuǎn)子實際位置λ，并可對實際測量值進行校正。 （2） 電壓模型UMO 電壓模型UMO根據(jù)實際電流iS、實際電壓uS計算出實際磁通ψ和磁通位置角φUMO以及實際電勢e。當速度小于5%時，由于定子電壓很低，測量值相對誤差較大，電壓模型不準確，電流模型起主要作用。 （3） 電流模型IMO 電流模型IMO根據(jù)實際情況計算出總的給定值i＊Sφ1和i＊Sφ2，以及磁通ψIMO和磁通位置角φIMO。當電機速度在4%～8%之間時，電壓模型UMO和電流模型IMO同時起作用，磁通值及其位置角取兩者的加權(quán)計算值。 此外，電流模型還計算輸出弱磁系數(shù)F，用于弱磁控制。當電機速度在基速nN以下時，弱磁系數(shù)F=1，ψ＊=ψG＊，保持磁通值不變，電機以恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。當電機速度在基速以上時，弱磁系數(shù)F=n/nG ，磁通ψ＊=（nN/n）ψN＊，電機以恒功率調(diào)速。 （4） 轉(zhuǎn)子位置估算OWA OWA根據(jù)速度大小，從電壓模型UMO輸出磁通位置角jUMO和電流模型IMO輸出磁通位置φIMO兩者之中選擇更精確的一個作為轉(zhuǎn)子位置估算值。當電機速度小于4%時，轉(zhuǎn)子位置估算值使用IMO的計算φIMO;當速度大于8%時，取UMO的計算值φUMO;當速度在4%和8%之間時，φM取兩者速度加權(quán)平均值，使電機速度能平滑地變化。 此外，此功能塊還要校正數(shù)字系統(tǒng)的死區(qū)時間，因此還要計算經(jīng)過校正的轉(zhuǎn)子位置角。 （5） 直流調(diào)節(jié)器GGR GGR有兩個功能，一個功能是 直流量i＊Sφ1、i＊Sφ2積分調(diào)節(jié)器，另一個功能是解耦環(huán)節(jié)（即電壓給定值計算），總的輸出作為定子電壓預(yù)控給定值uS＊。GGR還根據(jù)相電流實際值iSA、iSB、iSC，計算給出輸出iSφ1、iSφ2實際值。 當i＊Sφ1、i＊Sφ2給定值都小于5%時，并且給定值與實際值偏差小于1%時，封鎖直流調(diào)節(jié)器（I調(diào)節(jié)器）。電壓預(yù)控給定值限幅為100%，當達到限幅后，允許減少輸出調(diào)節(jié)。 （6） 磁通調(diào)節(jié)器PUR 磁通調(diào)節(jié)器主要用于校正同步電動機磁化狀態(tài)。電機磁化初始狀態(tài)由電流模型控制。磁通調(diào)節(jié)器只有在電機速度大于8%時才釋放工作。磁通調(diào)節(jié)器PUR里有兩個調(diào)節(jié)器及其輸出，它們可以相互獨立工作。一個是P調(diào)節(jié)器輸出，經(jīng)最小激磁電流控制環(huán)節(jié)IEM傳送到IMO，作為定子電流磁化分量的動態(tài)補償。另一個調(diào)節(jié)器是PI調(diào)節(jié)器，輸出也送到IMO，作為激磁電流給定值IS＊E的動態(tài)和靜態(tài)補償。 （7） 功率因素控制COS 同步電機功率因素可以通過調(diào)節(jié)定子電流磁化分量i＊Sφ1來改變。COS環(huán)節(jié)就是根據(jù)期望功率（COSφ=1）、電機漏電抗、負載電流i＊Sφ2以及弱磁系數(shù)計算出所需的定子電流磁化分量給定值i＊Sφ1。 此外，COS環(huán)節(jié)還有最小定子電流ISmin限制功能，當電機實際定子電流小于5%，通過限制磁化分量電流的大小，可以避免定子電流斷續(xù)。 （8） 給定值傳送SUGS SUGS把矢量控制里計算出的電流矢量I＊S（極坐標形式，從IMO來），電壓矢量U＊S（極坐標形式，從GGR來），以及經(jīng)較正過的轉(zhuǎn)子位置角φM，存儲到通訊緩沖器里，然后由相電流控制里的相應(yīng)功能塊讀出，作為相電流控制給定值。 （9） 交流給定值發(fā)生器DSGS DSGS主要用于電流閉環(huán)控制、電壓模型、實際值檢測等功能的初始測試。DSGS根據(jù)給定電流和頻率計算出旋轉(zhuǎn)定子電流矢量給定值。DSGS起作用時，自動代替SUGS，把有關(guān)給定值送到通訊緩沖器里。 4.4 電流控制 電流控制分為定子相電流控制和轉(zhuǎn)子激磁電流控制。 相電流控制基本功能為P調(diào)節(jié)器，每相各有一個電流調(diào)節(jié)器，通過相電流控制，使交-交變頻器具有電流源特性。實際中這部分內(nèi)容做成了“黑匣子”，無須用戶修改程序，在矢量控制里有一個專用功能塊SEND1與相電流控制部分進行通訊，用它可以設(shè)定各種參數(shù)和控制信號。 轉(zhuǎn)子激磁電流控制和以前的直流激磁控制原理基本一樣。主要由電流給定斜坡發(fā)生器MCSP、邏輯切換MSOC、電流PI調(diào)節(jié)器MCPI、觸發(fā)脈沖形成MTG6、電流實際值檢測MCAV功能塊等組成。 其中IS＊E是定子坐標系下的轉(zhuǎn)子電流給定值，送給轉(zhuǎn)子電流控制回路時，必須乘上一個轉(zhuǎn)換系數(shù)g（由轉(zhuǎn)換系數(shù)計算功能塊MAES計算出）后方得到轉(zhuǎn)子控制回路給定值IR＊E。轉(zhuǎn)子電流控制原理圖如圖5所示。 5 結(jié)束語 通過對實際應(yīng)用的交-交變頻器主傳動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制原理的介紹，希望能對有關(guān)人員熟悉和了解交-交變頻器有所幫助。 交-交變頻器的調(diào)試、維護簡單方便，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)技術(shù)指標完全能滿足冷軋生產(chǎn)工藝要求。