ACS 6000SD變頻器在粗軋機主傳動系統中的應用

王成鎮，陳錦標

（濟南鋼鐵股份有限公司中厚板廠，山東 濟南 250101）

ACS 6000SD變頻器在粗軋機主傳動系統中的應用

王成鎮，陳錦標

（濟南鋼鐵股份有限公司中厚板廠，山東 濟南 250101）

濟鋼中厚板廠3 500線粗軋機改造主傳動系統采用ACS 6000SD變頻驅動系統，系統的整流側和逆變側采用了對稱結構，降低了維護難度；采用了IGCT技術，保證了系統的性能響應；使用了DTC技術，提高了系統的魯棒性。這種交直交系統做到了對電網的最少諧波運行，既減少了對電網的污染，又省去了無功補償系統的投資。

變頻器；粗軋機；主傳動；DTC；IGCT

1 前言

濟鋼中厚板廠3 500生產線改造工程是濟鋼的重點項目，3 500線原設計是雙機架，粗軋機是1997年引進的二手設備，精軋機于2001年引進西門子技術，雙機架年產量達200萬t。隨著產品結構及產品質量的不斷提升，粗軋機的低軋制力越來越成為突出的問題，濟鋼決定對3 500線粗軋機進行改造。基礎自動化及過程自動化采用西門子技術，主傳動采用ABB公司的交直交傳動ACS 6000SD系統，電機為7 000 kW同步電動機。之所以采用ABB ACS 6000SD設備，主要考慮了交直交系統不用SVC無功補償系統（空間狹窄無法安裝SVC設備）和DTC（直接轉矩控制）技術。

2 主傳動系統結構

2.1 系統參數

主傳動所采用的變頻器為ABB公司的ACS 6000SD產品，驅動粗軋機主傳動的2臺7 000 kW的同步電動機，同步電動機的主要參數是：額定電壓3 050 V，額定電流2×695 A，16極，頻率為5.33～10.67 Hz，定子采用YY接法。

根據現場工藝需求及同步電動機的要求，ACS 6000SD的技術數據如下：額定輸入電壓AC 3 160 V（±10％），電流2×1 650 A，頻率為50 Hz；額定輸出電壓0～3 300 V，額定電流為2×1 650 A，最大輸出電流為2×2 050 A；系統控制精度：動態速降為0.15％，功率因數為1.0。

2.2 主回路結構

ABB公司的ACS 6000SD系列產品，結構緊湊，占地面積小。每套系統由2個有源整流單元（ARU）、2個逆變單元（INU）、2個電容單元（CBU）、1個終端單元（TEU）、2個控制單元（COU）、1個電壓限幅單元（VLU）、1個水冷單元（WCU）和1個勵磁單元（EXU）組成。

整流單元（ARU）是采用IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor，集成門極換流晶閘管）技術的自換流6脈沖3電平電壓型PWM整流器，2個整流單元組合成12脈沖系統；ARU將變壓器的二次側交流電壓轉變為直流電壓，用于給直流回路的電容充電，使直流回路的電壓保持恒定，根據電機的運行模式（電動或制動），ARU從電網獲取能量或向電網注入能量來實現能量流動；ARU和INU是完全等同的，都具有一個交流端和直流端，直流側都連接到直流回路的電容上（CBU），因此系統是對稱的，在電動時ARU的運行就是一個制動的INU，在制動時ARU的運行就是一個電動的INU；ARU與INU唯一不同的是ARU單元中增加了ASE抗飽和裝置，這是為了防止進線三相不平衡而使變壓器進入飽和狀態形成過熱現象。

其主回路設計采用了整流側和逆變側完全對稱的“背靠背”形式，實現了全功率的四象限運行，可以在減速或停車時全功率向電網回饋能量，從而大量節能，滿足了粗軋機主傳動可逆軋制的要求，同時這種整流側和逆變側相同的對稱結構形式，也減少了備件種類和數量，節省了運行成本。

COU單元具有監控整個傳動系統和冷卻系統的功能，是ACS 6000SD控制系統的大腦，柜內安裝有處理單元AMC34模板和INT模板，AMC34通過INT來控制IGCT的導通和關閉，具有與上位控制的接口，電機上的編碼器以及合、分閘等一些邏輯控制也在此單元。

CBU是用來平滑中間直流回路電壓，并將整流器和逆變器解耦，包括直流回路電容器、充電回路和接地開關。

VLU是在過壓情況下，可以實時地對直流回路電容進行放電，降至額定電壓水平。

系統中整流側及逆變側主回路器件采用了水冷散熱單元（WCU）進行冷卻。純水冷卻方式縮小了系統體積，避免了強迫風冷方式容易造成的粉塵積累及絕緣下降問題。

主傳動電機采用同步變頻電動機，其勵磁采用晶閘管三相全控橋式供電，勵磁主回路（EXU）也采用了純水冷卻形式。

3 控制系統組成

3.1 控制系統

ACS 6000SD的控制系統采用全數字控制、檢測和保護，采用分布式結構，其設計完全支持功率單元的模塊化設計和快速可靠的信號傳遞，采用了DTC和PWM技術，控制主回路中的逆變單元（INU）和整流單元（ARU）中IGCT產生的不同頻率的三電平電壓，是全數字交直交變頻控制系統；ARU、INU柜內設有快速短路檢測板（FSCD）來檢測主功率回路是否發生短路，電壓電流測量接口板（CVMI）、高壓分配板（HVD）測量的直流電壓、電流信號和來自交流電流互感器的信號，在電壓電流測量接口板（CVMI）上被轉換成數字信號，并通過光纖傳輸到接口板（INT），再傳給AMC34板，供系統控制。

該主傳動系統控制系統的特點是動態性能好、調速精度高、轉矩響應快、保護功能完善、功率因數高。另外，外部的信號如電機風機、電機軸瓦溫度、主機潤滑壓力、繞組溫度、與一級的接口等由AC800M來負責管理和監控，AC800M通過DDCS方式與AMC34通訊控制。

3.2 IGCT[1]

IGCT是1996年問世的一種新型半導體開關器件。該器件是將門極驅動電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個整體形成的。門極換流晶閘管GCT是基于GTO（Gate Turn-off Thyristor，門控晶閘管）結構的一種新型電力半導體器件，不僅有與GTO相同的高阻斷能力和低通態壓降，而且有與IGBT相同的開關性能，即GTO和IGBT相互取長補短的結果，是一種較理想的兆瓦級、中壓開關器件。

IGCT大功率元件應用于ACS 6000系統的ARU和INU中，從硬件上看ARU和INU模塊單元是一樣的，具有高封鎖電壓、低切換損失、高切換頻率、無緩存儲器、低傳導損失的快速切換技術，因而可以簡化電子元器件數量，提高操作可靠性。ACS 6000SD 2個ARU組合整流和2個INU組合逆變單元中每個單元都含有3個相模塊，每個相模塊有4個 IGCT組成。

3.3 DTC[2]

DTC技術相對于PWM調制技術和矢量控制技術有以下優點：

1）轉矩響應時間比矢量控制或PWM調制控制方式快很多，直接轉矩控制的響應時間為25 μs，矢量控制或PWM調制控制的響應時間為1～3 ms。原因是DTC控制回路里無固定的電機模型，其計算依據是一個自適應的電機模型。

2）DTC是直接對電機電磁場進行控制，力矩、磁場在每一循環均受控，用軟件進行的觸發計算，不受固定模型控制，計算依據自適應電機模型，以電機的基本固有數據為依據進行設置。直接轉矩控制是交流傳動方面獨特的電機控制方式，逆變器的導通與關斷由電機的核心變量磁通和轉矩直接控制，因此具有最小的轉矩紋波、精確的靜態速度和轉矩控制。

ACS 6000SD的DTC功能就是在運行過程中，將實際測量的電機電流值、電機電壓值、IGCT開關位置量送入電機模型中進行計算，得出精確的電機轉矩和磁通，送入轉矩與磁通比較模塊，同時計算出當前實際速度值，并將其送入速度控制模塊，并與由電機模型計算出的當前實際速度值進行PID調節，所得結果送入轉矩給定調節器；同時給定的轉矩值也會送入轉矩給定調節器與速度控制模塊的結果進行對比、調節，結果送入轉矩磁通比較器，與電機模型所計算出的轉矩、磁通進行比較，最終得到逆變器IGCT的最佳觸發時間與最優的開關位置，然后由觸發邏輯功能塊發出執行命令。簡而言之，DTC控制是先進入速度控制環，再進入力矩控制環。

3.4 調試軟件

ACS 6000SD變頻器采用專用Driver Window軟件進行調試。該軟件在Windows環境下運行，使用該軟件可對傳動系統進行初始化配置，或進行在線的參數調整，調試完成的參數可作為文件進行存儲或下載到傳動系統運行。Driver Window還具有在線參數波形記錄功能，為傳動系統的調試和故障診斷提供了極大的便利。ACS 6000SD變頻器也是參數化的設計，也可以通過操作面板CDP312來進行維護和監控參數狀態以及故障信息。

3.5 注意事項

ACS 6000SD變頻器雖然維護比較方便，但經過改造調試，發現其除了對變壓器以及同步電動機的參數要求較高外，還有一些外部環節應該注意。

1）ACS 6000SD變頻器室內環境溫度應保持在25℃左右，保證恒溫且不可變化過快，以防結露造成絕緣降低。應定期對系統的絕緣進行遙測，確保絕緣值符合要求。

2）變頻器的輸入端應保證電網質量可靠，電網波動不能太大，特別是高壓開關關斷時間和靈敏性的要求比較高，還必須有欠壓線圈。由于沒有快熔保護系統，安全保護依賴于高壓開關的關斷。

3）ACS 6000SD變頻器在低速運行時狀態不好，電機會發出異響，這是其控制特性所決定的，在調試中要越過低速環節，減少故障概率。

4）ACS 6000SD變頻器的速度反饋系統復雜，使用了增量型編碼器和絕對值型編碼器各1個，在絕對值型編碼器與編碼器模塊之間還有1塊差分板，系統復雜，維護難度大。特別要注意接地屏蔽等抗干擾因素。

4 運行效果

本次粗軋機主傳動改造使用了ACS 6000SD交直交變頻傳動系統，系統的整流側和逆變側是對稱結構，做到了對電網的最少諧波運行，既減少了對電網的污染，又省去了無功補償系統的投資。新系統投用后，軋制力由原來的3 000 t提升到7 000 t，大大提高了軋制能力。隨著自動化程度的提高，既減輕了操作人員的工作量，又從設備角度保證了產品的產量和質量。

[1]余世科.新型電力電子器件IGCT及其應用[J].世界電子元器件，2003（9）：40-42.

[2]胡鑫.淺談ABB壓傳動裝置中ACS 6000及其應用[J].硅谷，2008（4）：54.

Application of ACS 6000SD Variable Frequency Drive System in Roughing Mill Main Drive System

WANG Cheng-zhen,CHEN Jin-biao
（The Medium Heavy Plant of Jinan Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

The Medium Heavy Plant of Jinan Iron and Steel Co.,Ltd.adopted ACS 6000SD variable frequency drive system for the main drive system when the roughing mill in 3 500 production line transformed.This system used symmetrical structure in rectifier side and inverter side,reducing maintenance difficulty;used IGCT technology,insuring the system’s response performance;and used DTC technology,enhancing system’s robust performance.This AC-DC-AC System produced least harmonious in operation, reducing the pollution to the power network and saving SVC investment.

frequency transformer;roughing mill;main drive;DTC;IGCT

TM921.51

B

1004-4620（2011）04-0016-03

2011-05-09

王成鎮，男，1975年生，1998年畢業于鞍山鋼鐵學院計算機應用專業，工程碩士。現為濟鋼中厚板廠高級工程師，從事電氣傳動、自動化的設計維護工作。