摘 要：軋機主傳動要求電氣傳動具有很高的動態(tài)響應(yīng)和相當高的過載能力，這一領(lǐng)域長期以來一直被直流傳動所壟斷。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，隨著交流傳動控制理論的產(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上的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：IPE200變頻器 軋機 電氣傳動 整流回饋
一、引言
國內(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)線集成了當今世界先進的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，采用了先進的生產(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。隨著計算機信息技術(shù)的快速發(fā)展，生產(chǎn)過程對生產(chǎn)效率和生產(chǎn)工藝的要求進一步提高，此鋼廠進一步加大技術(shù)改造力度，其扁鋼軋線項目使用英威騰IPE200系列四象限矢量變頻器和S7-300組成整流回饋多傳動控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計可靠性和工藝要求上達到國內(nèi)先進水平。本文將對其進行簡單介紹，對英威騰IPE200整流回饋多傳動系統(tǒng)著重說明。
二、應(yīng)用環(huán)境分析
軋機主傳動要求電氣傳動具有很高的動態(tài)響應(yīng)和相當高的過載能力，這一領(lǐng)域長期以來一直被直流電機傳動所壟斷，但由于直流電機存在換向問題，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載能力、降低轉(zhuǎn)動慣量以及簡化維護方面都受到了很大限制。自20世紀70年代起，隨著交流傳動矢量控制理論的產(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、中厚板軋機、線棒軋機、型鋼軋機、鋼管軋機包括主、輔傳動等領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)，軋機采用交流變頻器越來越多。
軋機傳動對電氣傳動系統(tǒng)的要求： 電氣傳動系統(tǒng)做為電能與機械能的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求，同時又要適應(yīng)電網(wǎng)的要求，實現(xiàn)高效率運行和高水平生產(chǎn)。選擇軋機主傳動電機調(diào)速系統(tǒng)時考慮一下因素：
1) 滿足工藝要求和傳動系統(tǒng)的性能指標
電機調(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)軋制的最大負荷確定傳動系統(tǒng)的過載能力，同時要考慮電機是否可逆運轉(zhuǎn)、加減速時間、恒轉(zhuǎn)矩和恒功率運行的范圍等。而作為電氣傳動系統(tǒng)，還應(yīng)考慮電機調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標、速度控制精度、轉(zhuǎn)矩或電流控制的動態(tài)響應(yīng)、速度控制的動態(tài)響應(yīng)等。
2) 適應(yīng)電網(wǎng)要求
根據(jù)電氣傳動系統(tǒng)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(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功補償裝置。
扁鋼軋線項目組通過多次技術(shù)論證和實地考察，最終選擇了英威騰IPE200整流回饋多傳動方案。
2.1 軋線主電機技術(shù)參數(shù)
型號 |
功率 |
轉(zhuǎn)速(rpm) |
額定電流 |
數(shù)量 |
設(shè)備名稱 |
備注 |
YJP200M-8 |
200kW |
500-1000 |
361—501A |
5臺 |
連軋主機 |
帶編碼器 |
YJP280X-8 |
280kW |
500-1000 |
502—708A |
2臺 |
連軋主機 |
帶編碼器 |
YJP280X-8 |
280kW |
500-1000 |
502—708A |
1臺 |
初軋主機 |
不帶編碼器 |
備注：
1) 其中一臺是初軋軋機，帶慣性大飛輪。啟動力矩大，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(shù)1024，數(shù)量7個。
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) 動態(tài)速降--------------2%（帶載）；
4) 恢復(fù)時間--------------200ms。
2.3 變壓器容量
2500kVA 輸出電壓400V
三、系統(tǒng)方案
根據(jù)項目特點和應(yīng)用要求，軋機主傳動等采用英威騰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產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)，達到節(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
型 號 |
輸出功率 |
輸入AC |
輸出DC |
數(shù)量 |
備注 |
IPE200-96-1200-4 |
1200kW |
2280A/400V |
1920A/680V |
2組 |
配電柜+整流柜 |
備注：1、進線柜包含隔離開關(guān)、框架式自動空氣斷路器、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），整流/回饋裝置分為二組，每組二臺柜，每柜內(nèi)置3個200kW功率單元，每組1200kW，共計2400kW。四臺柜共12個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(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。控制上采用雙閉環(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)，通過對電源電壓的相位檢測和坐標變換以及PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用實現(xiàn)對電網(wǎng)輸入電流的有功分量和無功分量的獨立控制，當控制無功電流分量為0值時，就可實現(xiàn)整流器功率因數(shù)接近于1和能量的雙向流動。
備注：上圖中AVR為自動電壓調(diào)整模塊；ACR為自動電流調(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，不帶的為檢測值，θ為網(wǎng)側(cè)電壓相位角。
PWM整流回饋單元通過自動電壓調(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恒定的設(shè)定值；同時自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的輸出作為自動電流調(diào)節(jié)器（ACR）的輸入，PWM整流器根據(jù)所檢測的三相電流來控制自動電流調(diào)節(jié)器（ACR）的輸出。PWM整流器檢測三相輸入電壓，并通過鎖相環(huán)（PLL）來計算電網(wǎng)的實時相位，保證PWM整流器輸出的電壓相位與電網(wǎng)實際相位同步，前面所提到的自動電流調(diào)節(jié)器（ACR）的輸出通過空間電壓矢量調(diào)制方式轉(zhuǎn)換為控制IGBT的驅(qū)動信號，實現(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)用場合是具有位勢負載的場合，例如提升機，機車牽引，油田磕頭機，離心機等，有些大功率的應(yīng)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，能滿足各種位勢負載的調(diào)速要求，可將電機的再生能量轉(zhuǎn)化為電能送回電網(wǎng)，達到最大限度的節(jié)能目的。
整流回饋部分對交流電源過壓、缺相故障、IGBT模塊過熱、過流、過載、預(yù)充電之前的整流單元控制電源進行監(jiān)控，出現(xiàn)任何故障時都會導(dǎo)致整流單元封鎖驅(qū)動脈沖并發(fā)出一個故障信號。通過交流電源或控制電源的重新上電可復(fù)位故障信號。
3.2 逆變傳動選型
1) IPE200系列逆變柜選型及配置
型 號 |
輸出功率（kW） |
輸入電流DC（A） |
輸出電流AC（A） |
數(shù)量（套） |
柜體尺寸 |
680VDC |
IPE200-56-0400-4 |
400 |
640 |
760 |
5 |
700*2300*600 |
680VDC |
IPE200-56-0400-4 |
400 |
640 |
760 |
3 |
700*2300*600 |
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)動電機的逆變器供電。直流電路可以只連接一個逆變單元，也可以連接多個逆變單元，具體用戶可以靈活配置。
四、現(xiàn)場設(shè)備系統(tǒng)調(diào)試
主控臺通過操作臺及上位機對整個軋線進行集中控制和監(jiān)控，S7-300通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與變頻器進行動態(tài)數(shù)據(jù)的交換，完成整個軋線的速度級聯(lián)控制。上位機在線實時了解變頻器運行狀態(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便，系統(tǒng)運行穩(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 上位機組態(tài)
4.3 設(shè)備調(diào)試
列舉K5軋輥的帶載運行圖，動態(tài)響應(yīng)在500ms，滿足生產(chǎn)需求。
圖表說明：紅色---速度跌落 棕色---轉(zhuǎn)矩電流
現(xiàn)場設(shè)備圖片
五、結(jié)束語
英威騰IPE200交流傳動系統(tǒng)在扁鋼生產(chǎn)線軋機主傳動上的成功運用，是國產(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)對電網(wǎng)的諧波污染，讓變頻器真正成為“綠色產(chǎn)品”；同時由于變頻可以四象限運行，因而可以將電機制動產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)，達到節(jié)能的效果。IPE200交流傳動系統(tǒng)以其先進性、可靠性和穩(wěn)定性贏得了客戶的認同；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，進而提高了產(chǎn)品效益。
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[6]《IPE200系列四象限矢量變頻器說明書》 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、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。英威騰是國家火炬計劃重點高新技術(shù)企業(yè)，目前擁有11家控股子公司，依托于電力電子、自動控制、電機控制、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、伺服系統(tǒng)、PLC、HMI、電機和電主軸、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，營銷網(wǎng)絡(luò)遍布國內(nèi)及海外60多個國家和地區(qū)。
