大功率交直交變頻器在鎳板帶軋機系統的應用＊

張天紅，趙 鵬 ，吉春山，柳艷峰

（1.金川鎳鈷研究設計院，甘肅 金昌 737100；2.北京北科麥思科公司，北京 102200）

1 引言

以生產稀有金屬而著稱的某集團公司是國內最大的鎳生產基地，其鎳產量占全國的80%以上。為了提高鎳的深加工能力，該公司上馬了國內首條最大的鎳及鎳合金5000噸板帶材生產線。該生產線主要由一條800mm熱軋板帶軋機、800mm四輥冷軋機組及650mm六輥冷軋機組組成，完全立足國內設計制造。該生產線主要軋制純鎳板帶、膨脹合金帶鋼、軟磁合金帶鋼、電阻電熱合金帶鋼、耐腐蝕合金板材、高溫合金板材、耐熱鋼板帶等，其產品主要應用于航空、航天、電工和核能等領域。整個生產線的邏輯控制、順序控制、位置控制、運行控制、速度控制、張力控制、材料跟蹤、事故停車、物料跟蹤、生產計劃及生產報表的生成，同時通過二級計算機工藝控制模型完成設定計算和對所有質量指標的控制，二級預留與生產控制計算機（三級）系統的接口。整個電氣控制系統達到了當今世界先進水平。其中800mm熱軋板帶材軋機主要包括一臺四輥可逆軋機和一臺立輥可逆軋機。作為熱軋板帶材軋機的關鍵設備之一的主傳動，四輥可逆軋機電氣傳動系統的性能好壞將直接影響到整條生產線的生產效率及板帶材的產品質量。

2 熱軋板帶生產工藝流程

由熔煉鍛造分廠生產的原料坯運至車間原料庫內按鋼種分別堆存，生產時，坯料由吊車吊運至上料輥道，由輥道向前輸送，經固定擋板定位后，由入爐裝鋼機送入步進式加熱爐內加熱。板坯在加熱爐內按照不同鋼種采用不同的加熱規程被加熱到約1100～1200℃。加熱好的鍛坯用取料機從加熱爐內托出放到出爐輥道上。

鍛坯出爐后由輥道向前輸送，進入高壓水除鱗裝置進行除鱗，除鱗后的鍛坯經輥道進入立輥軋機進行第一道的軋邊，使鍛坯邊部得到修整，然后經輥道進入四輥可逆軋機進行粗軋軋制。軋制過程中，在軋件較厚（寬厚比＜6～8倍）即金屬具有橫向流動能力時，可返回立輥軋機進行軋邊，以進一步控制軋件的寬展及邊部質量。根據所軋制中間坯厚度的不同，對于部分高溫合金及耐熱鋼，由于軋制時的溫降導致合金冷作硬化和塑性變壞以及頭尾溫度差太大，繼續進行軋制將不能順利進行，尤其是對于8mm以下的薄規格，需要進行補溫加熱。將軋件重新加熱至塑性良好的范圍內，繼續軋制。補溫加熱采用輥底式加熱爐，保證加熱的均勻性和加熱效率，確保在較短的時間內將降溫的扁材加熱到軋制溫度。輥底式加熱爐布置在四輥可逆軋機入口側。

補溫后的軋件經輥道送回至四輥可逆軋機進行精軋軋制，四輥軋機設計最高軋制速度為4m/s。為保證產品尺寸的精度，軋機采用電動壓下，液壓微調，由于軋件很薄，軋制時間長且溫降很大，為保持溫度，在四輥可逆軋機的入、出口輥道設置保溫罩，可大大減輕輻射溫降。

當生產成卷的帶鋼時，軋出的帶鋼通過輸出輥道經夾送輥送入無芯卷取機進行卷取，卷取后的鋼卷被鋼卷推出裝置推到鋼卷收集裝置上收集，收集好的鋼卷由車間吊車吊走。

當生產板材時，軋出的鋼板通過七輥矯直機矯直，經輸出輥道直接送到定尺剪處，按照用戶要求尺寸進行定尺剪切，剪切成定尺的鋼板進入輥盤式冷床進行冷卻，冷卻后的鋼板經推板機及下料機收集碼垛后，由車間吊車吊走入庫。800mm熱軋板帶軋機工藝布置圖如圖1所示。

圖1 800mm熱軋板帶軋機工藝布置圖

3 熱軋板帶軋機主傳動系統

3.1 主傳動系統組成結構

熱軋板帶軋機的主軋機為四輥可逆軋機，其電氣傳動控制系統［1］為一套 TMdrive－70變頻器。系統主要由進線高壓開關柜、整流變壓器、主傳動控制柜、整流柜、逆變柜、主電機、速度解析器、水冷機組以及主傳動系統輔助柜組成。具體的主傳動系統構成示意圖如圖2所示。

圖2 主傳動系統構成示意圖

3.2 主傳動系統功率單元

由圖2可以看出［1］，主傳動系統的整流柜和逆變柜的主回路拓撲結構為二極管箝位式三電平PWM整流器和逆變器，整流器和逆變器均由3組在結構上完全相同的橋臂（Stack）組成，每個橋臂由四個功率［2］開關器件和兩個輔助箝位二極管構成，橋臂的結構非常緊湊。構成每個橋臂的最核心的功率開關器件為注入增強型絕緣柵晶體管IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）。

IEGT是一種高壓、大容量、全控型功率器件，是把IGBT器件和GTO器件二者優點結合起來的注入增強柵晶體管，是一種新型的電力電子器件。其具有控制功率小、安全工作區寬、開關損耗小、輸出功率大、通態壓降低、集電極－發射極間載流子密度高等優點。IEGT的基本電路結構及符號如圖3所示，它對外引出共3個端子，分別稱為集電極C、發射極E和柵極G，其開通過程和關斷過程如下。

（1）開通過程

當在IEGT的柵－射極之間及集－射極之間加上正向電壓時，由于IEGT橫向門極長度較長，N區的橫向電阻較大，限制了空穴，電子在P區的表面形成反向勢壘，因而導致注入的電子從發射極通過該勢壘向N區移動，引起電子在該電場的作用下，大量從集電極向N區朝著P區移動，而空穴則直接通過發射極向電場漂移，但仍有一部分空穴在靠近門極的區域積累起來。這部分積累起來的空穴使從N區發射極注入的電子越來越多，以后重復上述過程形成正反饋，最終使載流子全部存貯在N區，結果使IEGT導通。

（2）關斷過程

當IEGT的柵－射極加上反向電壓時，原在柵極P區表面形成的反向勢壘便消失了，因而從N區發射極注入的電子便停止。同樣從P區集電極注入的空穴也就停止運動，積存在N區的多余電子和空穴互相中和，多余的電子回到集電極重新與空穴中和，而多余的空穴回到發射極與電子中和，從而使開通時形成的反向勢壘消失，進而使N區的載流子停止運動，IEGT也就快速關斷。

圖3 IEGT的基本電路結構及符號

3.3 主傳動系統的控制

（1）整流系統的控制

整流系統（Converter）的作用主要是將整流變壓器副邊輸出的3550VAC/50Hz的工頻交流電轉變為電壓恒定的直流電供逆變系統使用，通過對整流電路的適當控制，可以使輸入電流非常接近正弦波，且電流和電壓同相位，功率因數近似為1。

對整流系統而言，如何保證功率因數自動調節并保證輸出的直流電壓穩定在給定值附近，是整流橋控制的重點。故整流系統有兩個控制目標，一為功率因數、二為直流電壓恒定。一般來講，三相可控整流橋交流側電流變化快，而直流側電壓波動慢。為應對這一特點，將控制系統結構分為內環和外環，內環控制交流電流，外環控制直流電壓。

對電路進行固定5脈沖模式的PWM控制，固定5脈沖模式電流控制圖如圖4所示，在整流橋的交流輸入端A、B、C可以得到正弦PWM電壓波形。固定脈沖模式PWM控制技術通過優化電壓脈沖與坐標軸ωt的交點坐標，可以將5次、7次等高次諧波消除，并能控制基波電壓uAB、uBC的大小。由于整流變壓器具有較高的阻抗值（IZ%＝15%），使得輸入交流電流is的脈動很小。如果忽略這種脈動，is為頻率和電源頻率相同的正弦波。在交流電源電壓es一定的情況下，交流電流is的幅值和相位僅由基波電壓的幅值及其與交流電源電壓es的相位差來決定。通過控制基波電壓的幅值和相位，就可以使is和es同相位、反相位、is比es超前或滯后所需要的電角度。因此，通過控制is和es的相位，可以控制整流系統實現能量的正反兩個方向流動，即既可以運行在整流狀態，從交流側向直流側輸送能量；又可以運行在逆變狀態，從直流側向交流側輸送能量。而且，這兩種方式都可以在單位功率因數下運行。整流系統電壓、電流控制系統框圖如圖5所示。

圖4 固定5脈沖模式電流控制圖

圖5 整流系統電壓、電流控制系統框圖

（2）逆變系統的控制

逆變系統（Inverter）的作用是將整流系統提供的恒定的直流電源逆變為電壓頻率可變的交流電源。逆變系統的控制方式是采用一種帶電流（轉矩）內環的轉速閉環的異步電動機矢量控制系統。其實質是按照電機統一理論根據異步電動機的矢量控制原理，通過矢量坐標變換將電機三相定子電流分解為轉矩電流控制分量Iq和勵磁電流控制分量Id。其控制系統采用傳統的雙閉環控制結構，內環為電流環調節器ACR，外環為速度環調節器ASPR。轉速反饋信號取自于安裝在電機軸上的速度解析器，速度解析器是一種精密角度、位置、速度檢出裝置，將電機的實際速度反饋到速度環調節器中，速度給定值與速度反饋值的偏差作為速度環調節器的給定信號，速度環調節器的輸出作為電流環調節器的給定，逆變器輸出電流反饋經過轉子磁場定向分解為轉矩電流分量和勵磁電流分量，作為電流環調節器的電流反饋。由于電流環調節器具有高增益的特性和逆變器的PWM控制模式，使電動機的定子電流及速度具有很高的動態響應特性。

（3）逆變系統的調試

逆變系統的調試主要包括逆變系統初始參數確認、逆變系統電流環ACR調試、逆變系統速度環ASPR調試。

①逆變系統的電流環ACR響應調試

主要通過調整如下參數：電流控制比例增益ACR＿P、電流控制響應增益 ACR＿W1、電流控制防過調增益ACR＿A，來測試D軸電流響應，因Q軸電流環與D軸電流環為同一電流環PI調節器，故調試好D軸電流環參數便調試好了電流環調節器ACR。

②逆變系統速度環ASPR響應調試

主要調整如下參數：速度濾波常數FLT＿SP、轉矩濾波常數FLT＿T＿R、速度控制比例增益ASPR＿P、速度控制響應增益 ASPR＿W1、ASPR＿AT、速度控制防過調增益ASPR＿A、電機速度加速率CR＿RATE＿ACC、電機速度減速率 CR＿RATE＿DEC。

通過調整速度環ASPR相關參數，應關注如下值的響應：速度給定值SP＿R、速度反饋值SP＿F、電機Q軸電流給定值IQ＿R、電機定子電流反饋值I1＿F＿DSP、電機定子電壓給定值 E1＿R＿V、直流母線正極電壓值VDCP＿F等參數。

為消除電機帶動機械設備在加減速過程中的轉動慣量，還應調整轉動慣量補償值［2］DT－GD2，以及速度諧振濾波FLT＿SPSFCD時間常數。

以上參數經過反復調整，采集分析相關波形，最終得到速度環調節器如下測試結果，如圖6－8所示。

總之，在空載調試結束后與基礎自動化系統進行通訊設定，然后進行熱負荷試車的調試工作。熱負荷試車過程中主要調試傳動系統在咬鋼后的恢復時間，加減速時間與軋鋼工藝要求匹配以及轉動慣量補償及防軋機扭振功能SFC的投入等工作。主傳動系統實際軋鋼波形如圖9所示。

圖6 速度環階躍響應測試波形

圖7 速度環穩態精度響應測試波形

4 關鍵技術

（1）能量雙向傳送技術

主傳動系統由PWM整流器和PWM逆變器一起構成四象限交流調速［3－4］PWM 三電平變頻器，這種雙PWM變頻器不但輸出電壓、電流均為正弦波，輸入電流也為正弦波，且功率因數非常高，接近為1，可以實現能量的雙向傳送。

圖8 傳動系統加減速響應測試波形

圖9 主傳動系統實際軋鋼波形

（2）雙PWM變頻調速技術

與其它形式的多電平變頻器相比，基于雙PWM的三電平變頻器的變頻調速［5］裝置，可以非常容易地在整流橋側實現PWM控制，大大減少整流側的電流諧波，可任意調整電網側輸入功率因數（可以使cosφ＝1）以及實現四象限運行，非常適合于在大功率高性能變頻調速場合應用。

（3）注入增強型絕緣柵晶體管開通關斷技術

IEGT器件有關斷速度快、損耗低、安全工作區域較寬的優點。另外，IEGT很高的開通/關斷速度和di/dt承受能力，以及極低的開關損耗使它可以工作于較高的頻率下。

IEGT器件內部集成了一個快速的反并聯二極管，且元件本身很寬的安全工作區能夠承受較高的du/dt和di/dt，因此IEGT逆變器無需陽極電抗，只需在正、負母線之間公用一個RCD關斷吸收電路。

（4）注入增強型絕緣柵晶體管的高可靠性

由于IEGT門極驅動功率不到1W，所需門極驅動模塊體積也很小，并且開關損耗只有GTO器件的1/3左右。在組成內部回路時IEGT所用到的器件數量較少，大大提高了工作的可靠性。

（5）主傳動系統保護技術

①電流相關保護

當輸出的電流超過設定值，過電流就會被檢出并瞬間切斷回路；電壓型逆變器裝置IEGT誤動作時，可以瞬間切斷回路來保護IEGT；過負荷檢出設置；低頻過負荷檢出設置。

②電壓相關保護

當裝置的直流電壓超過設定值120%時檢出；當裝置的直流電壓低于設定值50%時檢出。

③電機速度保護

電機失速檢出；過頻檢出；速度異常檢出。

④主回路、控制回路相關保護

控制電源失電檢出；門極電源失電檢出；裝置過熱檢出；IEGT快熔故障檢測；輸出斷開檢出；CPU異常檢測等。

⑤電動機相關保護

電動機過熱保護；電動機溫度異常保護。

⑥運行操作相關保護

設置外部安全開關；外部互鎖IL設置；設置控制柜面板安全開關等。

⑦預充電相關保護

預充電接觸器異常保護；接地檢出相關保護；整流器接地檢出；設置整流器接地檢出定時器等。

5 結束語

實際應用表明，主傳動系統運行穩定可靠，使得該條生產線的作業率及產品的成材率和合格率均達到或超過設計指標，極大地提高了不同規格的鎳和鎳合金板帶產量，緩解國內對該類產品的需求，取得了很好的經濟效益和社會效益。

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