浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李方園

軋機(jī)主傳動(dòng)要求電氣傳動(dòng)具有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和相當(dāng)高的過(guò)載能力,這一領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)一直被直流電機(jī)傳動(dòng)所壟斷,但由于直流電機(jī)存在換向問(wèn)題,造成換向器、電刷等部件的維護(hù)工作量大增,而且直流電機(jī)在提高單機(jī)大容量、提高過(guò)載能力、降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及簡(jiǎn)化維護(hù)方面都受到了很大限制,已經(jīng)不能滿足軋機(jī)向大型化、高速化方向的發(fā)展。
自20世紀(jì)70年代起,隨著交流傳動(dòng)矢量控制理論的產(chǎn)生及其應(yīng)用的推廣,世界發(fā)達(dá)國(guó)家都投入大量的人力物力對(duì)軋機(jī)主傳動(dòng)進(jìn)行研究,到目前,在世界上已經(jīng)有數(shù)百臺(tái)1000kW以上的交流變頻軋機(jī)投入工作,至于中小軋機(jī)采用變頻器的更是不計(jì)其數(shù)。
電氣傳動(dòng)系統(tǒng)作為電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的需要,同時(shí)又要適應(yīng)電網(wǎng)的要求,實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行和高水平生產(chǎn)。在選擇軋機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮以下因素:
電機(jī)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(fù)荷確定傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)載能力,同時(shí)要考慮電機(jī)是否可逆運(yùn)轉(zhuǎn)、加減速時(shí)間、恒轉(zhuǎn)矩和恒功率運(yùn)行的范圍等。而作為電氣傳動(dòng)系統(tǒng),還應(yīng)考慮電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)、速度控制精度、轉(zhuǎn)矩或電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、速度控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。
軋機(jī)按照生產(chǎn)工藝大致可分為中厚板軋機(jī)、熱連軋機(jī)、冷連軋機(jī)、高速線材軋機(jī)和冷軋加工線。由表1可見(jiàn),中厚板和熱連軋機(jī)的粗軋機(jī)屬于低速大容量可逆軋機(jī),要求大轉(zhuǎn)矩大過(guò)載能力,電機(jī)功率5MW~12MW,轉(zhuǎn)速在50rpm左右,過(guò)載2.5倍以上,但對(duì)速度精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求不高。熱連軋精軋機(jī)傳動(dòng)功率大,電機(jī)功率5MW~10MW,但轉(zhuǎn)速不高于600rpm,電機(jī)單方向連續(xù)運(yùn)行,過(guò)載1.5倍,要求傳動(dòng)系統(tǒng)具有0.1%的速度精度和高于30rad/s的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。而連軋機(jī)功率2MW~6MW,對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求最高,速度精度為0.01%,動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)到60rad/s。冷連軋加工線傳動(dòng)的功率都不大,但系統(tǒng)性能指標(biāo)要求與冷連軋相同。型鋼軋機(jī)由于是靠孔形來(lái)保證產(chǎn)品的精度和形狀,故對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求不高,見(jiàn)表1。
根據(jù)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)和電力電子變換器的能量變換效率,電力電子變換器注入電網(wǎng)的電流諧波和功率因素是否滿足供電系統(tǒng)的規(guī)定和要求,考慮是否增加諧波濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置。
自動(dòng)化控制是保證軋機(jī)生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵,以棒、線材軋機(jī)的連軋控制系統(tǒng)為例,它包含以下幾個(gè)控制要點(diǎn):
(1)速度級(jí)聯(lián)控制
在鋼材連軋機(jī)中,為保證成品質(zhì)量,以成品機(jī)架—末機(jī)架為基準(zhǔn)機(jī)架,保持其速度不變,并作為基準(zhǔn)速度設(shè)定,其前面機(jī)架速度根據(jù)金屬秒流量相等的原理,自動(dòng)按比例設(shè)定;在軋制過(guò)程中來(lái)自活套閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)量、手動(dòng)干預(yù)調(diào)節(jié)量,依次按逆軋制方向?qū)ζ淝懊娴母鳈C(jī)架速度作增減,實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)控制。在軋制不同規(guī)格的鋼材時(shí),從軋制表中得到指定的末機(jī)架號(hào),和該末機(jī)架在此規(guī)格最高軋制線速度VLMax,及當(dāng)前選擇的軋制總量百分比VL%,計(jì)算出末機(jī)架速度。
(2)活套控制
在鋼材連軋線中,為保證成品質(zhì)量,避免由于各種原因?qū)е碌耐其摗⒒钐资怯捎谠跈C(jī)架間存儲(chǔ)了多余軋線長(zhǎng)度的軋件而引起的,也正是由于這些多余的軋件,起到了對(duì)軋件推拉的有效緩沖。在控制過(guò)程中,以活套套量為目標(biāo),以速度調(diào)節(jié)為手段,即可達(dá)到控制活套的目的。具體方法為:當(dāng)活套套量超過(guò)設(shè)定值時(shí),就降低上游機(jī)架的速度;反之,則升高上游機(jī)架的速度。
(3)微張力控制
微張力控制采用電流記憶法。當(dāng)一根鋼頭部咬入第n架軋機(jī),電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)速降恢復(fù)后,直到該塊鋼咬入第n+1架前這段時(shí)間。對(duì)于第n架軋機(jī)而言,相當(dāng)于無(wú)前張力的自由軋制,濾波后采樣此時(shí)的軋制電流即視為自由軋制電流。當(dāng)該塊鋼咬入第n+1架,且動(dòng)態(tài)速降恢復(fù)后,濾波后再次采樣此時(shí)電流,若兩機(jī)架間存在張力偏差,必然有電流的偏差,根據(jù)電機(jī)學(xué)的有關(guān)公式,可以得到張力差,根據(jù)張力偏差對(duì)速度進(jìn)行修證,調(diào)節(jié)第n架及其以前的軋機(jī)速度,達(dá)到微張力狀態(tài),根據(jù)坯料的前進(jìn)過(guò)程依次按照上述過(guò)程不斷調(diào)節(jié),全線所有微張力閉環(huán)控制的軋機(jī)達(dá)到微張力狀態(tài)。

表1 各軋機(jī)工藝對(duì)電氣傳動(dòng)技術(shù)性能的要求
首先成功應(yīng)用于軋機(jī)的交流傳動(dòng)是交-交變頻器同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng),它應(yīng)用于我國(guó)多套軋機(jī),如鞍鋼初軋機(jī)、大型材軋機(jī)、寶鋼連軋機(jī)、邯鋼板坯連鑄軋機(jī)、攀鋼連軋機(jī)等。交-交變頻器主回路本質(zhì)上是三套可逆反并聯(lián)直流晶閘管調(diào)速裝置,每相一套。輸出的波形是正負(fù)可變的緩慢變化的直流波形,輸出的頻率為電源頻率的1/3以下。交交變頻采用矢量控制,其調(diào)速范圍、調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)均能滿足軋鋼工藝的要求。
圖1所示為1450主傳動(dòng)交交變頻全數(shù)字矢量控制系統(tǒng),它主要由6個(gè)交交變頻主柜、1個(gè)勵(lì)磁柜、1個(gè)SIMADYND控制柜、一個(gè)繼開(kāi)柜、3個(gè)吸收柜組成。主傳動(dòng)控制系統(tǒng)主回路中,定子主回路由高壓斷路器、整流變壓器、三相交-交變頻器、快開(kāi)、無(wú)負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)、交流同步電機(jī)等組成;而轉(zhuǎn)子(激磁)主回路由斷路器、進(jìn)線電抗器、激磁整流器等組成。整流變壓器采用不同形式的連接方式,即d/d0和d/y11,這使變壓器二次側(cè)繞組相位相差一定的電角度,這樣做可以減少電網(wǎng)的諧波。電動(dòng)機(jī)的激磁繞組(即轉(zhuǎn)子繞組)由4臺(tái)整流變壓器供電,有兩臺(tái)分別為粗軋R2的上下輥的勵(lì)磁供電;2臺(tái)給精軋F(tuán)1-F6的勵(lì)磁供電,這2臺(tái)互為備用,正常情況下1臺(tái)運(yùn)行,每臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子激磁回路由單獨(dú)的六脈沖整流橋供電。每套變頻器由6個(gè)可控硅柜組成,2套變頻器并聯(lián)組成一相變頻器,分為主從柜,每個(gè)變頻柜是一套三相橋式無(wú)環(huán)流反并聯(lián)連接的單相輸出的交-交變頻器,由6個(gè)單相交-交變頻器柜組成一套輸出Y連接方式的三相交-交變頻器。電動(dòng)機(jī)采用東電(粗軋)和哈爾濱(精軋)直流激磁凸極式轉(zhuǎn)子交流同步電機(jī)。R2機(jī)架上/下輥傳動(dòng)各有一臺(tái)電機(jī)傳動(dòng),功率均為5000kW,精軋每個(gè)機(jī)架各有一臺(tái)電機(jī)傳動(dòng),F(xiàn)1-F4功率為5000kW,F(xiàn)5-F6功率為4000kW;所有電機(jī)都采用Y形接線方式。

圖1 交-交高壓變頻器在軋機(jī)中的應(yīng)用
隨著PWM技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代變頻器均以PWM為核心,輸出波形好,頻率調(diào)節(jié)范圍寬,控制算法簡(jiǎn)單,其開(kāi)關(guān)器件為IGBT,這種變頻器在低壓獲得廣泛應(yīng)用,普通的PWM變頻器輸入側(cè)為不可控的全波整流橋,不能實(shí)現(xiàn)能量回饋,電動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行,為了制動(dòng),一般采用直流環(huán)節(jié)加裝能耗制動(dòng)電阻的辦法。對(duì)于軋機(jī)電動(dòng)機(jī)電壓一般為3.3kV或6kV,需要有高壓變頻器,如圖2所示。
另外為了軋機(jī)快速性的要求,即快速正反轉(zhuǎn)運(yùn)行,高壓變頻器需要四象限運(yùn)行,因此發(fā)展一種輸入輸出雙向?qū)ΨQ的變頻系統(tǒng),也稱AFE,如圖3所示。
整流橋與逆變橋?yàn)橄嗤慕Y(jié)構(gòu),整流橋供電側(cè)串聯(lián)電感,控制直流電壓水平,達(dá)到調(diào)節(jié)功率因數(shù)的作用,電動(dòng)狀態(tài)從電源取得功率,調(diào)節(jié)支流電壓使電流與輸入電壓同相,即cosφ=1;再生發(fā)電時(shí),電動(dòng)機(jī)的能量回饋給直流環(huán)節(jié),整流橋逆變回饋電網(wǎng),同樣控制直流電壓水平,使回饋電流與電網(wǎng)輸入電壓反相180°,cosφ=1。其工作原理向量圖如圖3所示。其中UN為電網(wǎng)電壓;UB為整流橋段電壓;UL為輸入電抗壓降(包括變壓器漏抗);UB與直流環(huán)節(jié)電壓成正比例。I為交流相電流。
所謂三電平,即將直流環(huán)節(jié)用電容分隔成兩半,形成P(UDC+),Z(0),N(UDC-)三個(gè)電平,每個(gè)半橋臂由二極管將串聯(lián)的2個(gè)開(kāi)關(guān)管中點(diǎn)箝位于Z(0)上。當(dāng)上橋臂的上下兩管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)輸出UDC+,當(dāng)上管截止,下管導(dǎo)通,而且下橋臂的上管也導(dǎo)通(下管截止)時(shí),輸出Z(0),即0電平。下半橋臂同樣,如兩管同時(shí)導(dǎo)通時(shí),輸出UDC-,只有這三種導(dǎo)通狀態(tài)。這樣輸出電壓波形成臺(tái)階狀,電壓波形接近正弦波,電流正弦波,如圖4所示。

圖2 3300V雙向?qū)ΨQ三電平功率橋

圖3 AFE單相等值電路

圖4 輸出電壓電流波形
這樣的系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)就是保證輸入功率因數(shù)為1,電網(wǎng)無(wú)諧波干擾,清潔能源。這樣使用這種變頻器完全省去了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置,大大節(jié)省了投資,也減少運(yùn)行費(fèi)用。這樣的系統(tǒng)是比較理想的。
這樣系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于開(kāi)關(guān)器件,首先使用的是GTO(門(mén)極可關(guān)斷晶閘管)在鞍鋼熱連軋機(jī)組上采用日本三菱公司生產(chǎn)的MELVEC-3000系統(tǒng)10套總?cè)萘?0MW。GTO器件雖然是可關(guān)斷器件,但是關(guān)斷功率大,損耗大,di/dt,dv/dt吸收回路復(fù)雜。
ABB公司在GTO的基礎(chǔ)上研制出一種IGCT(門(mén)極集成換流晶閘管)把門(mén)極控制回路集成在器件上,用戶只須提供一個(gè)電源(20V、15W)和光導(dǎo)纖維控制信號(hào)就可以工作了,開(kāi)關(guān)頻率為1kHz,該器件采用特殊的緩沖層結(jié)構(gòu),使其導(dǎo)通壓降特別小,開(kāi)、關(guān)損耗小,承受的di/dt,dv/dt大,并且反向同一個(gè)芯片上造一個(gè)逆導(dǎo)兩極管。該器件串聯(lián)使用時(shí)均勻性好,可以無(wú)吸收電路工作。
在軋機(jī)系統(tǒng)中采用變頻器,穩(wěn)定性和可靠性高,調(diào)節(jié)特性好。變頻調(diào)速使電機(jī)運(yùn)行狀況明顯改善,維護(hù)量大大減少,同時(shí)大大減少機(jī)械系統(tǒng)的變速機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu),使系統(tǒng)更加方便操作,設(shè)備工作效率更高。軋機(jī)變頻系統(tǒng)采用過(guò)流、過(guò)壓、瞬時(shí)斷電、短路、欠壓、缺相等多種保護(hù),避免了因此造成電機(jī)燒損而影響生產(chǎn)所帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。更為重要的是它的節(jié)能效果好,取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
[1] 李方園. 變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2006.
[2] 高壓變頻器在軋機(jī)上的應(yīng)用, www.ca800.com.
[3] 大功率變流技術(shù)在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用, www.ca800.com.