摘  要：軋機主傳動要求電氣傳動具有很高的動態(tài)響應和相當高的過載能力，這一領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和微電子技術的高度發(fā)展而日新月異的發(fā)展，隨著交流傳動控制理論的產生及其應用的推廣，變頻調速技術在其應用領域得到了質的突破。 本文主要介紹英威騰IPE200系列變頻器在主軋機上的應用。

　　關鍵詞：IPE200變頻器  軋機  電氣傳動  整流回饋

　　一、引言

　　國內某鋼廠集采選礦、鋼鐵冶煉、鋼材軋制為一體，其中軋鋼生產線集成了當今世界先進的生產工藝和技術，采用了先進的生產管理手段，其工藝裝備和產品檔次均達到國際一流水平。隨著計算機信息技術的快速發(fā)展，生產過程對生產效率和生產工藝的要求進一步提高，此鋼廠進一步加大技術改造力度，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)設計可靠性和工藝要求上達到國內先進水平。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)響應和相當高的過載能力，這一領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、線棒軋機、型鋼軋機、鋼管軋機包括主、輔傳動等領域已經(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換環(huán)節(jié)，應滿足生產工藝的要求，同時又要適應電網(wǎng)的要求，實現(xiàn)高效率運行和高水平生產。選擇軋機主傳動電機調速系統(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

　　電機調速系統(tǒng)應滿足軋制材料的生產所要求的軋制功率、轉矩、轉速、調速范圍，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、加減速時間、恒轉矩和恒功率運行的范圍等。而作為電氣傳動系統(tǒng)，還應考慮電機調速控制系統(tǒng)的性能指標、速度控制精度、轉矩或電流控制的動態(tài)響應、速度控制的動態(tài)響應等。

　　2) 適應電網(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 軋線主電機技術參數(shù)

　　

型號	功率	轉速(rpm)	額定電流	數(shù)量	設備名稱	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)調節(jié)精度要求

　　1) 系統(tǒng)調節(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產生PWM控制脈沖。一方面可以調整輸入的功率因數(shù)，消除對電網(wǎng)的諧波污染，讓變頻器真正成為“綠色產品”；另一方面可以將電機制動產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、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)控制結構，其外環(huán)為母線電壓環(huán)，內環(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調節(jié)器的調節(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為自動電壓調整模塊；ACR為自動電流調整模塊；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整流回饋單元通過自動電壓調節(jié)器（AVR）調節(jié)整流器輸出母線電壓，維持母線電壓為一個恒定的設定值；同時自動電壓調節(jié)器（AVR）的輸出作為自動電流調節(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節(jié)器（ACR）的輸出通過空間電壓矢量調制方式轉換為控制IGBT的驅動信號，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(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)任何故障時都會導致整流單元封鎖驅動脈沖并發(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

　　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)場設備系統(tǒng)調試

　　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，產品質量和生產效率也大大提高。

　　4.1 軋線系統(tǒng)結構圖

　　以下為采用英威騰公司IPE200四象限產品的軋線系統(tǒng)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，動態(tài)響應在500ms，滿足生產需求。

圖表說明：紅色---速度跌落  棕色---轉矩電流

現(xiàn)場設備圖片　

五、結束語

　　英威騰IPE200交流傳動系統(tǒng)在扁鋼生產線軋機主傳動上的成功運用，是國產變頻器在軋鋼生產線上成功嘗試，大幅提高了生產線的運行效率；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“綠色產品”；同時由于變頻可以四象限運行，因而可以將電機制動產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)產品的產量和質量，滿足了生產工藝要求，進而提高了產品效益。

參考文獻：

[1]譚死娃，金如麟.展望變頻調速及其控制技術的前景.電氣時代，2002(8)

[2]陳伯時，陳敏遜.交流調速系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2002

[3]王亞京，王璋保.節(jié)約能源是我國新型工業(yè)化的客觀需要.2003, 25(4)

[4]張登山，李華德.三電平雙PWM變頻調速系統(tǒng)研究.電氣傳動，2003(4)

[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明書》   深圳英威騰電氣股份有限公司

 

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