1850mm六輥鋁冷軋機IEGT主傳動系統的應用

陳福利，黃曉峰，林清俊

1 生產線概述

該冷軋機生產線年生產能力5萬噸，產品厚度最薄為0.1mm，板材寬度為800到1710mm。最高軋制速度為1500m/min。主傳動采用高壓異步電機，額定容量為4000kW，變頻器采用日本TMEIC公司生產的大功率IEGT變頻器。

2 傳動系統的構成

2.1 IEGT元件

IEGT（ Injection Enhanced Gate Transistor 的縮寫） 是注射增強型門極晶體管，是日本東芝公司生產的一種大功率電壓觸發型電力晶體管，其額定電壓為4500V,額定電流為4000A。與普通晶閘管只能控制開通不同， IEGT 元件既能控制開通，又能控制關斷，開關頻率為500Hz。

IEGT是一個三端器件，對外引出三個端子，分別為集電極C、發射極E、和柵極G，其基本結構及圖形符號如圖1所示。

圖1 結構及符號

IEGT是電壓驅動帶MOS柵極能控制大電流的電力電子新器件。日本東芝公司開發的IEGT利用了電子注入增強效應，通過采取增強注入的結構實現了低通態電壓，使之兼有IGBT和GTO兩者的優點：低飽和壓降，寬安全工作區，低柵極驅動功率（比GTO低兩個數量級）和較高的工作頻率。IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發展前景（如能將單套IEGT變頻器的容量提高到12MVA以上，則會有很好的應用及發展前景），具有低損耗、高速動作、高耐壓、在源柵驅動智能化等特點。

2.2 主傳動系統的控制對象

主傳動系統控制的對象為4000kW的主電機。

傳動設備因使用了高性能的速度測量工具－速度解析器（Resolver）使速度的控制精度達到了±0.01%。其轉矩控制精度為±10%，電流控制精度為±2%，速度的控制范圍為1:100,速度的數字量分辨率為1/25000。變頻器的整體效率可達98.5%。主電機的控制方式為速度控制。

圖2 主傳動的水冷系統圖

2.3 純水冷卻單元

主傳動系統簡圖中畫出了主傳動系統的冷卻回路及設備：傳動柜由一進一出的冷卻水管來冷卻，冷卻水管最終接至純水冷卻單元。

純水冷卻單元（如圖2右下方的虛線框）為一整體設備，其作用為帶走各相IEGT元件及水電阻的熱量。電機停止轉動時，IEGT元件的發熱量并不大，純水溫度上升較慢；當電機運轉時，IEGT元件的發熱量增大，純水溫度上升較快，需要外接工業水經熱交換器來冷卻純水。進入變頻柜的純水允許的最高溫度為32℃，額定流量為1850L/min，由兩臺泵驅動，開一備一。一臺泵因故障停轉后，另一臺自動啟動，純水流量低于1530L/min時報故障。工業水的額定流量2000L/min，允許的最低流量1700L/min，經容量為844kW的熱交換器冷卻純水，進入熱交換器的工業水允許的最高溫度為33℃，其溫度用溫度計來測量。進入變頻柜的純水允許的最高溫度為41℃，其溫度由電阻溫度傳感器RTD來測量。純水冷卻單元的上方有一儲水槽，容量150L，用于補充純水管道中的純水，并帶有液位檢測，40L和80L分別液位的報警點和故障點。純水冷卻單元的任何故障都會使變頻器報故障從而使主電機停轉。

2.4 電機保護系統（MPS）

電機保護系統MPS的主要作用是保護電機，其控制系統的PLC為東芝V系列PLC，控制系統由以下模塊組成： RTD數字量輸入模塊RT318，模擬量輸入模塊AD338，數字量輸入模塊DI334，繼電器輸出模塊RO363S，東芝V系列PLC模塊S3PU55， Profibus DP從模塊PF312， I/O總線模塊IF721，I/O總線模塊EN751。

1）主電機上裝有電阻溫度傳感器RTD（其測量范圍為-50℃～270℃），其反饋信號接入RT318模塊（其計數值為800～4000，即0.1℃/計數）來完成模擬量到數字量的轉化，用來顯示主電機定子、軸承的溫度。主電機定子溫度的報警值和故障值分別為140℃和150℃，軸承溫度的報警值和故障值分別為90℃和95℃，當定子或軸承的溫度超過了此報警值或報故障值，MPS斷開與傳動柜的聯鎖，通過傳動柜報聯鎖故障使主電機停轉。

2）使能與主傳動啟動和運行聯鎖，當這些聯鎖不滿足時，主電機不能啟動和運轉。

啟動聯鎖：定子的三相溫度值、軸承的溫度值。當以上溫度值分別低于定子、軸承的報警值時，主傳動可以起動。

運行聯鎖：主電機的高、低壓滑泵的壓力，主電機低壓潤滑流量，主電機風扇及高低壓潤滑泵是否啟動。以下條件之中若有1個不滿足，即破壞了主電機運行聯鎖，主電機因MPS報聯鎖故障而停轉。聯鎖條件為主電機機潤滑的高壓壓力＜5.6MPaG，低壓潤滑壓力＜0.11MPaG，或低壓潤滑油流量＜137L/min，主電機風扇及高低壓潤滑泵沒有啟動。

3 自身保護功能

3.1 電流相關的保護

交流過電流：變頻器的輸出電流超過設定值時，檢測到過電流并且瞬時跳閘。

IEGT過電流：電壓型的變頻器中，同一相的兩個IEGT同時導通會導致大電流流過IEGT，已充電的電容被IEGT元件短路，造成瞬時跳閘。

過負荷：傳動執行輸出5分鐘及20分鐘的均方根值的計算，若此值超過設定值，則報過負荷。5分鐘及20分鐘過負荷故障值由正式給出：

OL：過負荷率

T：過負荷時間（s）

如在過負荷150%-60s時，5minRMS=111.8%，20minRMS=103.1%。

電流限幅定時器：在任意預定的時間段內電流達限幅值。

堵轉：低頻過負荷。

3.2 電壓保護

直流過電壓：直流電壓超過設定值。

直流低電壓：直流電壓低于設定值。

3.3 電機的速度的保護

過速：電機速度超過預定速度。

過頻：輸出頻率超過設定頻率值。

速度檢測故障：速度傳感器故障時及反饋速度與給定速度之差超過設定值及其延遲時間。

3.4 控制回路及電源

控制電源故障：控制電源電壓低于設定的控制電源檢測等級。

門極電源故障：此門極電源由控制電源經門極板上的脈沖變壓器提供，門極板故障時報此故障。

熔絲燒毀：發生短路時熔絲燒毀以阻止故障進一步擴大，熔絲燒毀由微動開關檢測。

輸出接觸器斷開：輸出接觸器應閉合但斷開時報此故障。

CPU故障：執行控制操作時檢測到了微處理器故障，主板上的CPU故障由硬件檢測以保護CPU。

通訊故障：L1與傳動的通訊及傳動間的通訊出現故障。

預充電故障（F_PRE）：預充電回路提供了一個保險絲以阻止短路故障進一步擴大。

接地故障：接地回路提供了一個保險絲以阻止接地故障進一步擴大，保險絲燒毀由微動開關檢測。

3.5 與電機和抱閘相關的保護

溫度來保護電機，電機溫度超過設定值時（電機定子：155℃，電機軸承：95℃）。電機溫度檢測器故障：電機溫度超過200℃時。電機風扇停轉：電機的風扇未啟動或因故障停轉時。

電磁抱閘回路故障：電磁抱閘的勵磁回路出現故障時。

3.6 操作相關的保護

外部設備電氣準備好條件：變頻器運行的聯鎖信號。此信號斷開時，變頻器停止運行。

外部聯鎖：來自于外部設備的運行聯鎖信號，此信號為一硬件或串行通訊信號。

柜門安全開關：柜門上的聯鎖開關，通過此開關，可從柜門上使變頻器停止運行。

3.7 預充電相關的保護

預充電故障：檢測到預充電故障（預充電回路接觸器或熔絲燒毀）。

3.8 接地檢測相關的保護

整流器接地檢測：接地回路與主回路帶高壓阻抗接地且檢測異常電流時。

整流器接地檢測定時器：檢測到接地回路中出現異常電流時。

4 特點

4.1 高性能和多功能

1）采用了功率電子控制的專用高性能微處理器（PP7），實現了快速響應功能；

2）1ms速度控制采樣時間；

3）采用了高分辨率R/D整流器；

4）裝有高速光纖數據通信裝置（TOSLINE-20）；

5）最快1 m s的掃描傳輸，可裝載與MELPLAC，ISBus的傳輸。通過Profibus-DP，Device-Net，可與其他公司的PLC連接；

6）對于同步電機、鼠籠式感應電機均可實現高精度矢量控制 ；

7）適用于功率因數1的控制。

4.2 高電壓、大容量

1）高電壓、大容量IEGT功率模塊及三電平PWM控制的采用，實現了輸出電壓最大可達3.4KV；

2）比原產品更高效率，小型化；

3）2組合（2 Bank）、3組合（3 Bank）、4組合（4 Bank）的并聯方式，實現了大容量化。

4.3 易維護

1）充實的維護監控功能備有小型化，多功能操作面板。通過維護軟件工具，可對系統進行監控及調試；

2）大容量功率模塊的使用，使使用的元件數量得以減少；

3）完備的設備保護功能；4）軟件和硬件雙重保護。

5 傳動控制

圖3 逆變器控制塊圖

5.1 速度控制

在傳動控制中，主要使用速度控制回路進行調節。

由主PLC發給主傳動的速度給定信號經傳動處理后形成自身的速度給定SP_R。此速度給定信號與編碼器的速度反饋信號SP_F作差，差值經比例/積分運算后輸出，此輸出再經速度濾波和轉矩限幅處理后形成轉矩給定SFC_T_R。

速度控制的另一路是將上述傳動自身形成的速度給定SP_R作比例運算，并與編碼器的速度反饋信號SP_F經比例運算后的值作差，得一差值A; 傳動自身形成的速度給定SP_R與速度反饋信號SP_F作差，此差值經死區及積分運算后得差值B。差值A、B的和與慣量及慣量的乘積之積再加上轉矩補償即得張力控制的轉矩信號T_R。此功能只有在選擇了張力控制時才有效。且當機械設備的轉動慣量遠遠大于電機的轉動慣量或電機軸發生共振時，控制響應降低。

5.2 張力控制

如果使用張力控制，由速度控制的結果計算得到的轉矩給定信號TRQ_REF（SFC_T_R與轉矩給定輸入EXT_TRQ求和得到的）與外部轉矩給定TRNS_R（L1發給傳動的轉矩給定TENS_R1與附加轉矩給定TENS_R_A之和）比較后再經選擇控制（即經取最大值或最小值的運算）即得傳動自身的轉矩給定信號T_R。在此可選擇的控制中，在正常運轉和用速度控制回路功能作為速度限幅過程中，運算是基于TENS_R作為轉矩給定的（在卷繞機械中運算是基于外部轉矩給定的。然而，出現斷帶時，運算則變為速度控制運算）。

5.3 轉矩控制

我們知道，在卷繞機械中，帶材以一定的張力來控制的，而此張力是靠電機的轉矩來實現的。因此，主PLC計算電機輸出的轉矩給定，傳動設備根據此轉矩給定來控制電機的輸出轉矩。另外，當一鋼卷卷取結束及另一卷卷取開始時是由速度控制來實現的。如果來自主PLC的轉矩給定出現故障，如出現斷帶時，將導致過速故障。此時，控制模式自動轉變為速度控制。

5.4 IQ控制

轉矩給定是速度控制輸入的結果，除以磁通量即可得到IQ給定。此IQ給定和經檢測得到的IQ反饋輸入到D/Q電流控制中，經比例積分運算后得到一結果A，感應電壓補償和電抗補償加到此結果A上即到EQ給定。

5.5 ID控制

根據速度給定可以得到磁通量給定，根據此磁通量給定即可得到ID給定。此ID給定和經檢測得到的ID反饋輸入到D/Q電流控制中，經比例積分運算后得到一結果B，感應電壓補償和電抗補償加到此結果B上即到ED給定。

5.6 PWM控制

PWM控制是我們所熟悉的，即用于輸出基于每相電壓給定所對應的門極脈沖信號。

6 結束語

世界上生產高壓大功率變頻的知名廠家有多個，所生產的變頻器也各具特色。本文介紹了我公司1850mm六輥冷軋機主傳動的控制系統的各組成部分及其功能，傳動系統的保護功能及特點，并簡要描述了其主要的控制功能的實現過程。