数字大功率交流变频调速装置在线材精轧机组上的应用

    在具有90年代国际先进技术装备水平的国家"八五"重点技改建设项目大连钢铁集团有限责任公司30万t高精度合金钢棒线材连轧生产线的10机架线材无扭精轧机组的主传动系统中，我们应用了全数字大功率交流变频调速技术，采用SIEMENS公司的SIMOVERT S电流源交－直－交变频器型全数字大功率交流变频调速装置(LCI)控制同步电动机，测速反馈采用脉冲发生器，构成全数字大功率交流变频调速传动控制系统，即所谓的无换向器电动机系统，以满足生产工艺对线材精轧机组主传动系统转速高及调频范围宽的要求。 
1　SIMOVERT S的配置及功能 
　　SIMOVERT S电流源交－直－交变频器型全数字大功率交流变频调速装置是一种具有90年代国际先进技术水平的组合式全数字大功率交流变频调速装置，主要用于控制大功率、高转速的同步电动机。整套装置主要由功率单元、控制单元及励磁单元3部分组成。 
    UTR/USV/UUK/ULS/ERD/USM/TUE－监视功能包；EAL－逻辑控制功能包；AST－顺序控制功能包；BED－操作员控制功能包；KLT－通信控制功能包；NRG－速度闭环控制功能包；MN1/2－电流闭环控制功能包；SMS－矢量控制功能包；TS12－矢量控制板；OP1－操作面板；ERW－励磁给定功能包；MER－励磁电流闭环控制功能包；1－逆变器侧电压互感器；2－逆变器侧电流互感器；3－整流器侧电流互感器；4－励磁单元；5－光电转换器件；6－触发单元；x－电机参数；CJ－触发角计算；A－监控信息引至DIA过程诊断功能包；VM－电压模型及实际值检测 
1.1功率单元 
　　在线材精轧机组应用的SIMOVERT S中，其功率单元由两套完全电气隔离的6脉波电流源交－直－交变频器组成，从而构成12脉波电流源交－直－交变频器。每套6脉波变频器主要由整流器、直流耦合电路及逆变器3部分组成，其中整流器、逆变器均采用SITOR晶闸管模块组成三相全控桥式整流电路；直流耦合电路中的平波电抗器采用环氧树脂浇注型铁芯电抗器。 
　　由于SIMOVERT S的调频范围较宽，因此，逆变器侧的电流互感器及电压互感器均采用霍尔效应变换器。 
1.2控制单元 
　　SIMOVERT S的控制单元采用SIMADYN D全数字控制系统，它是一种可以自由组态的多微处理器高速全数字控制系统，也是SIMOVERTS的核心部分，主要用于实现SIMOVERT S功率单元及励磁单元的各种高速开／闭环控制、运算、检测、监视、报警及诊断等功能，其全部功能均由基于图形组态的控制软件来实现，并由各微处理器按功能分类进行实时处理，控制采样时间可以小于1ms。SIMADYN D主要由硬件及软件两部分组成。 
1.2.1硬件配置 
　　SIMADYN D的硬件结构采用模块组合方式，其全部功能由控制软件定义。各硬件模块均采用标准化模块，主要有电源板、微处理器板、I／O板、I／O接口板、程序存储器板、通信板、通信缓冲器板、触发器板、诊断板、光电输入板、光电输出板及OP1操作面板等，所有硬件模块均安装在SIMOVERT S控制柜内的标准机架上，而OP1操作面板则安装在SIMOVERT S控制柜的门上。由于应用了专业化及标准化集成技术，大大简化了硬件结构，因此在SIMADYN D内部只需几种不同类型的硬件模块即可实现SIMOVERT S的全部控制及保护功能。 
　　SIMADYN D的各微处理器板之间以及微处理器板与其他外设控制板之间均通过局部总线及通信总线进行内部高速数据通信；而SIMOVERTS与其他传动控制系统之间及SIMOVERT S与上级自动化控制系统之间则通过I／O板、I／O接口板及通信板等硬件模块实现内／外部高速数据通信。 
　　从控制单元到功率单元的触发及检测信号采用光电耦合技术，即采用光纤电缆及光电转换器件进行传输。 
1.2.2软件组态及功能 
　　SIMADYN D的控制软件通常称作用户程序，其结构也采用模块组合方式。在用户程序中，有多种类型的功能块(FB)，例如像开环控制块、闭环控制块、逻辑控制块、算术块、I／O控制块及通信控制块等，每个功能块分别完成特定的控制任务，它们是用户程序的zui小组态单元。将各功能块进行正确的参数化赋值及有机连接，即构成了软件功能包(FP)，而各种软件功能包的有机组合又构成了用户程序。在SIMOVERT S的用户程序中，主要有监视、逻辑控制、操作员控制、通信控制、闭环控制及矢量控制等软件功能包，每个软件功能包均实现一定的系统控制功能。全部用户程序均采用STRUC G图形组态语言进行组态开发。 
　　各软件功能包按功能类别均衡分配，分别由各微处理器进行实时处理，即所谓的多微处理器、多任务并行处理技术，从而可以实现对SIMOVERT S的高速控制。 
　　在线材精轧机组应用的SIMOVERT S中，其全部控制及保护功能均由MP-A200用户程序来实现。根据功能类别，可以将整套用户程序分为供电控制、开／闭环控制及励磁控制3组软件功能包。 
　　(1)供电控制 
　　在供电控制中，用UTR／USV／UUK／ULS／ERD／USM／TUE等监视功能包实现对由SIMOVERT S构成的全数字大功率交流变频调速传动控制系统各主要功率器件例如高压断路器、功率单元、励磁单元、变流变压器及同步电动机等的综合监视及控制；用逻辑控制功能包EAL综合各监视功能包、顺序控制功能包AST的控制信号及操作员控制功能包BED和通信控制功能包KLT的命令字，实现对SIMOVERT S主电路及辅助电路分／合闸的顺序控制，它是供电控制的核心；用操作员控制功能包BED实现对SIMOVERT S的就地控制，并组态SIMADYN D的OP1操作面板的输入及显示功能；用通信控制功能包KLT与CS51通信板相配合，实现SIMOVERT S与上级自动化控制系统之间的连网通信。 
　　(2)开／闭环控制 
　　在开／闭环控制中，用闭环控制功能包NRG实现对整流器速度环的闭环控制及监视，用闭环控制功能包MN1／2实现对整流器电流环及触发单元的闭环控制及监视；用矢量控制功能包SMS与TS12控制板相配合，实现对逆变器正常运行时负载换相的矢量控制及监视，低速运行时断续换相触发脉冲的控制及监视；用过程诊断功能包DIA实现对SIMOVERT S相关过程控制量及信号的实时诊断显示，即首先将各过程控制量及实时信号存储在DIA的跟踪存储器中，然后可以通过D／A转换器随时输出，供故障分析诊断用。 
　　(3)励磁控制 
　　在励磁控制中，用闭环控制功能包ERW实现对励磁单元给定值的综合计算；用闭环控制功能包MER实现对励磁单元电流环和触发单元的闭环控制及监视，而且既能实现强励控制，又能实现弱磁控制，以满足生产工艺对SIMOVERT S的调速要求。 
　　这种软／硬件结构使得SIMOVERT S整个控制单元的控制任务能够清晰、平衡、有效地在各微处理器板之间进行分配，大大提高了工作效率，简化了SIMOVERT S的系统组态、安装调试、操作运行及故障诊断等过程。 
　　我们既可以通过SIMOVERT S控制柜上的OP1操作面板实现对该装置的就地操作，也可以通过SIMADYN D的CS51通信板从上级自动化控制系统(或PC机)对SIMOVERT S进行远程操作。 
1.3励磁单元 
　　SIMOVERT S的励磁单元同功率单元一样，也采用SITOR晶闸管模块组成三相全控桥式整流电路，实现6脉冲三相全控整流。 
2　SIMOVERT S的工作原理 
　　在SIMOVERT S中，功率单元整流器的晶闸管采用电源的交流电压换相，逆变器的晶闸管采用负载同步电动机的定子反电势换相；SIMOVERT S输出电流的辐值由整流器控制，输出电流的频率由逆变器控制。在额定转速以下采用恒磁调压／调频调速；在额定转速之上，采用恒压弱磁／调频调速；此外，还可以实现强励控制。 
　　在同步电动机起动的初始阶段或运行过程中，当其转速低于额定值的10％时，由于电动机定子的反电势较小，致使逆变器的负载换相方式不能正常工作，此时需靠断续换相电路控制整流器进入逆变状态，将直流耦合电压周期性地反向，迫使直流耦合电流短时为零，从而使逆变器已导通的晶闸管恢复阻断能力，然后再适当控制整流器，重新建立直流耦合电流，并触发逆变器下一对要导通的晶闸管，从而实现强制换相。当采用强制换相时，逆变器以β=0°运行，这样会有效改善功率因数，补偿由于电流断续而产生的输出转矩降低及输出转矩脉动。当电动机转速升至超过其额定值的10％时，电动机定子的反电势超前，则SIMOVERT S自动切除断续换相电路，转为负载换相。 
　　整流器的控制方式采用速度及电流闭环的双环控制系统，类似于直流调速技术，同步控制电压取自电源侧的电压互感器。逆变器的控制方式采用矢量控制技术，其负载换相及强制换相控制均由矢量控制功能包SMS实现，晶闸管的触发脉冲由同步电动机的反电势控制。在逆变器的运行过程中，采用霍尔效应变换器型的电压互感器检测电动机定子电压矢量的幅值及角位置，并进行综合补偿计算后产生同步电动机电压模型的磁通矢量，然后通过计算该磁通矢量的角位置，完成对逆变器晶闸管的触发脉冲的同步定位，实现对同步电动机的电压模型的矢量控制，使逆变器每次都选择在电动机转子的磁通矢量与定子的磁通矢量互相成90°角的时刻进行换相，这样就保证了电动机的输出转矩zui大，效率zui高。而励磁单元的控制方式则采用电流闭环的单环控制系统。 
　　在正常运行时，逆变器通过同步电动机定子电压及电流的实际值来确定转速实际值，当同步电动机的转速低于其额定值的10％时，则采用脉冲发生器提供附加的转速实际值。 
3　SIMOVERT S的特点及应用 
　　在国外设计联络、技术培训、设备安装、冷／热负荷调试及试生产过程中，我们对SIMOVERT S在工程设计、安装调试及运行维护等方面的应用进行了初步探索及消化吸收，感觉到线材精轧机组主传动系统所用的SIMOVERT S在软／硬件结构、功能组态及操作方式等方面具有许多新特点，概括如下。 
　　(1)组态灵活　由于SIMOVERT S的软/硬件均采用自由组态方式，因此，可以根据生产工艺的要求随时方便、灵活地组态所需要的各种控制系统。 
　　(2)功能全面　由于SIMOVERT S的控制单元采用了SIMADYN D全数字控制系统，具有丰富、全面的控制，监视及故障诊断功能，因此，大大减少了调试、维护及检修所需的时间，增加了有效工作时间。 
　　(3)性能优越　由于SIMOVERT S应用了矢量控制技术、多微处理器并行处理技术及12脉波电流源交－直－交变频器技术，使得SIMOVERT S具有优越的控制性能，充分满足了生产工艺对线材精轧机组主传动系统的要求。 
　　(4)操作简单　由于采用了友好的窗口界面，且附有各种提示及在线帮助信息，因此极大地方便了用户的操作。 
　　(5)运行可靠　由于SIMOVERT S的全部控制、监视及保护功能均由软件实现，从而大大减少了硬件故障隐患点；而且由于其软／硬件均采用模块组合技术，因此当发生故障时，大大降低了故障的危害程度及影响范围；此外由于从控制单元到功率单元的触发及检测信号采用光电耦合技术传输，因此增强了抗强电磁干扰能力，确保了触发的正确性及可靠性。总之，以上各点保证了SIMOVERT S运行的高可靠性。 
　　(6)降低干扰　由于采用了12脉波电流源交－直－交变频器技术，基本消除了SIMOVERT S所产生的5、7次高次谐波，其他各次高次谐波含量也有不同程度的降低，使电网及同步电动机中的谐波电流大致可以降为6脉波变频器的1／2，从而大大降低了SIMOVERT S对电网所造成的高次谐波影响，有效改善了电网质量。 
　　在棒线材连轧生产线中，根据生产工艺的要求，线材精轧机组主传动全数字大功率交流变频调速传动控制系统的典型工作状况主要有： 
　　(1)额定工作状况　电压=2×1450V；电流=2×120；功率=5500kW；转速=720r·min－1；频率=36Hz；励磁电压=86V；励磁电流=390A；转矩=72.9kNm；工作制=S9。 
　　(2)强励工作状况　电压=2×1450V；电流=2×1932A；功率=8800kW；转速=720r·min－1；频率=36Hz；励磁电压=121V；励磁电流=549A；转矩=116.7kNm；工况为峰值时持续时间为60s。 
　　(3)弱磁工作状况　电压=2×2000V；电流=2×140；功率=8800kW；转速=1600r·min－1；频率=80Hz；励磁电压=76V；励磁电流=348A；转矩=52.5kNm；工况为峰值时持续时间为60s。 
　　针对电流源交－直－交变频器的输出电流波形为梯形，存在输出转矩脉动及过载能力低的缺点，在系统设计上主要采取了以下几点措施。 
　　(1)SIMOVERT S的功率单元采用12脉波电流源交－直－交变频器技术，控制单元采用矢量控制技术对转矩脉动进行专门的动态补偿，同时电动机采用双定子绕组结构的隐极式同步电动机，从而有效地改善了输出电流的波形质量，降低了输出转矩脉动，即使在同步电动机启动过程中也能保证较小的输出转矩脉动，一般可以将输出转矩脉动降为6脉波变频器的1／2～1／3，从而大大提高了SIMOVERT S的控制性能。 
　　(2)SIMOVERT S功率单元及控制单元的硬件分别采用高性能的功率器件和控制元件，并通过控制软件对逆变器换相进行先进的矢量控制，从而使SIMOVERT S的过载能力可达150％，基本克服了普通电流源交－直－交变频器过载能力低的缺点。 
　　目前，线材精轧机组已顺利通过冷／热负荷调试，并转入正式生产。实际运行结果表明，该装置的性能优越、工作稳定，具有、低耗等特点，充分保证了连轧生产的正常进行及线材成品质量。 
　　由以上介绍可以看到，应用SIMOVERT　S这样组态灵活、功能全面、性能优越、界面友好、操作简单、运行可靠、维护方便的全数字大功率交流变频调速装置，可以有效简化工程设计、安装及调试过程，缩短工程建设周期，降低工程造价，提高电气设备的控制性能及运行可靠性，减少电气设备维护、检修的工作量，充分满足生产工艺的要求，保证产品质量，获得很好的技术、经济及社会效益，具有广阔的发展前景。