摘  要：軋機(jī)主傳動(dòng)要求電氣傳動(dòng)具有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和相當(dāng)高的過(guò)載能力，這一領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)一直被直流傳動(dòng)所壟斷。自20世紀(jì)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，隨著交流傳動(dòng)控制理論的產(chǎn)生及其應(yīng)用的推廣，變頻調(diào)速技術(shù)在其應(yīng)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(jī)上的應(yīng)用。

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

一、引言

      國(guó)內(nèi)某鋼廠集采選礦、鋼鐵冶煉、鋼材軋制為一體，其中軋鋼生產(chǎn)線集成了當(dāng)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(dá)到國(guó)際一流水平。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程對(duì)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)工藝的要求進(jìn)一步提高，此鋼廠進(jìn)一步加大技術(shù)改造力度，其扁鋼軋線項(xiàng)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(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性和工藝要求上達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。本文將對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，對(duì)英威騰IPE200整流回饋多傳動(dòng)系統(tǒng)著重說(shuō)明。

二、應(yīng)用環(huán)境分析

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

      軋機(jī)傳動(dòng)對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的要求： 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)做為電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求，同時(shí)又要適應(yīng)電網(wǎng)的要求，實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行和高水平生產(chǎn)。選擇軋機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)考慮一下因素：

      1)   滿足工藝要求和傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)

      電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)滿足軋制材料的生產(chǎn)所要求的軋制功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、調(diào)速范圍，根據(jù)軋制的最大負(fù)荷確定傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)載能力，同時(shí)要考慮電機(jī)是否可逆運(yùn)轉(zhuǎn)、加減速時(shí)間、恒轉(zhuǎn)矩和恒功率運(yùn)行的范圍等。而作為電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，還應(yīng)考慮電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)、速度控制精度、轉(zhuǎn)矩或電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、速度控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。

      2)   適應(yīng)電網(wǎng)要求

      根據(jù)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)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(shù)是否滿足供電系統(tǒng)的規(guī)定和要求，考慮是否增加諧波濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置。

      扁鋼軋線項(xiàng)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 軋線主電機(jī)技術(shù)參數(shù)

      備注：

      1)   其中一臺(tái)是初軋軋機(jī)，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(guó)倍加福軸套式編碼器，工作電壓DC24V，每周脈沖數(shù)1024，數(shù)量7個(gè)。

      2.2  系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度要求

      1)     系統(tǒng)調(diào)節(jié)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(fù)時(shí)間--------------200ms。

      2.3  變壓器容量

      2500kVA  輸出電壓400V

三、系統(tǒng)方案

      根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和應(yīng)用要求，軋機(jī)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。用戶可以根據(jù)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(xiàn)了上電預(yù)充電功能并可以提供穩(wěn)定的直流母線電壓。PWM整流單元采用IGBT做整流橋，用高速度、高運(yùn)算能力的DSP產(chǎn)生PWM控制脈沖。一方面可以調(diào)整輸入的功率因數(shù)，消除對(duì)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(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)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(tǒng)的電流較大（按1920A*2計(jì)），整流/回饋裝置分為二組，每組二臺(tái)柜，每柜內(nèi)置3個(gè)200kW功率單元，每組1200kW，共計(jì)2400kW。四臺(tái)柜共12個(gè)200kW整流回饋功率單元并聯(lián)運(yùn)行。

      2)   整流回饋并聯(lián)

      3)   PWM整流回饋系統(tǒng)工作原理

      PWM整流單元的主回路由主接觸器，預(yù)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(jié)構(gòu)，其外環(huán)為母線電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過(guò)對(duì)電源電壓的相位檢測(cè)和坐標(biāo)變換以及PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)輸入電流的有功分量和無(wú)功分量的獨(dú)立控制，當(dāng)控制無(wú)功電流分量為0值時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)整流器功率因數(shù)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(diào)整模塊；ACR為自動(dòng)電流調(diào)整模塊；VD為矢量控制模塊；PWM為脈寬調(diào)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為母線電壓，其中帶“*”的為設(shè)定值，不帶的為檢測(cè)值，θ為網(wǎng)側(cè)電壓相位角。

      PWM整流回饋單元通過(guò)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）調(diào)節(jié)整流器輸出母線電壓，維持母線電壓為一個(gè)恒定的設(shè)定值；同時(shí)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的輸出作為自動(dòng)電流調(diào)節(jié)器（ACR）的輸入，PWM整流器根據(jù)所檢測(cè)的三相電流來(lái)控制自動(dòng)電流調(diào)節(jié)器（ACR）的輸出。PWM整流器檢測(cè)三相輸入電壓，并通過(guò)鎖相環(huán)（PLL）來(lái)計(jì)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(diào)節(jié)器（ACR）的輸出通過(guò)空間電壓矢量調(diào)制方式轉(zhuǎn)換為控制IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)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(yīng)用場(chǎng)合是具有位勢(shì)負(fù)載的場(chǎng)合，例如提升機(jī)，機(jī)車牽引，油田磕頭機(jī)，離心機(jī)等，有些大功率的應(yīng)用中，也需要四象限變頻以減小對(duì)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(yùn)行的功能，能滿足各種位勢(shì)負(fù)載的調(diào)速要求，可將電機(jī)的再生能量轉(zhuǎn)化為電能送回電網(wǎng)，達(dá)到最大限度的節(jié)能目的。

      整流回饋部分對(duì)交流電源過(guò)壓、缺相故障、IGBT模塊過(guò)熱、過(guò)流、過(guò)載、預(yù)充電之前的整流單元控制電源進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)任何故障時(shí)都會(huì)導(dǎo)致整流單元封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖并發(fā)出一個(gè)故障信號(hào)。通過(guò)交流電源或控制電源的重新上電可復(fù)位故障信號(hào)。

      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

      PWM整流回饋部分將三相交流電整流為直流電向直流母線電路供電，直流電路向驅(qū)動(dòng)電機(jī)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，具體用戶可以靈活配置。  

四、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備系統(tǒng)調(diào)試

      主控臺(tái)通過(guò)操作臺(tái)及上位機(jī)對(duì)整個(gè)軋線進(jìn)行集中控制和監(jiān)控，S7-300通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與變頻器進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的交換，完成整個(gè)軋線的速度級(jí)聯(lián)控制。上位機(jī)在線實(shí)時(shí)了解變頻器運(yùn)行狀態(tài)，所有數(shù)據(jù)在屏幕上一目了然。調(diào)試后效果顯示集中操作非常簡(jiǎn)便，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)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  軋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

      以下為采用英威騰公司IPE200四象限產(chǎn)品的軋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

      4.2  上位機(jī)組態(tài)

      4.3  設(shè)備調(diào)試

      列舉K5軋輥的帶載運(yùn)行圖，動(dòng)態(tài)響應(yīng)在500ms，滿足生產(chǎn)需求。

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

 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備圖片

五、結(jié)束語(yǔ)

      英威騰IPE200交流傳動(dòng)系統(tǒng)在扁鋼生產(chǎn)線軋機(jī)主傳動(dòng)上的成功運(yùn)用，是國(guó)產(chǎn)變頻器在軋鋼生產(chǎn)線上成功嘗試，大幅提高了生產(chǎn)線的運(yùn)行效率；由于采用了PWM整流器，提高了變頻系統(tǒng)輸入的功率因數(shù)，降低惡劣系統(tǒng)對(duì)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(yùn)行，因而可以將電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的效果。IPE200交流傳動(dòng)系統(tǒng)以其先進(jìn)性、可靠性和穩(wěn)定性贏得了客戶的認(rèn)同；也提高了企業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，滿足了生產(chǎn)工藝要求，進(jìn)而提高了產(chǎn)品效益。

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(yīng)商，2010年在深交所A股上市，股票代碼：002334。英威騰是國(guó)家火炬計(jì)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(jī)控制、節(jié)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(jī)、伺服系統(tǒng)、PLC、HMI、電機(jī)和電主軸、SVG、UPS、光伏逆變器等。英威騰現(xiàn)有員工1600多人，大型生產(chǎn)基地4個(gè)，營(yíng)銷網(wǎng)絡(luò)遍布國(guó)內(nèi)及海外60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。