ACS6000交流傳動(dòng)系統(tǒng)在鋁冷軋機(jī)主傳動(dòng)中的應(yīng)用

韋云松

（廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧53003）

廣西南南鋁加工有限公司于從德國(guó)西馬克公司引進(jìn)一臺(tái)2 800 mm六輥CVC不可逆鋁冷軋機(jī)，該軋機(jī)是目前國(guó)內(nèi)最大寬幅的鋁冷軋機(jī)，軋制力最大達(dá)到32 MN，速度最高為1 200 m/min，主電機(jī)最大功率為9 000 kW，傳動(dòng)系統(tǒng)要求具有單機(jī)功率容量大、具有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、很大的過載能力和高精度的轉(zhuǎn)矩速度控制。

本文以廣西南南鋁加工有限公司的西馬克六輥CVC單機(jī)架冷軋機(jī)為例來介紹ABB ACS6000中壓變頻器在冷軋機(jī)主傳動(dòng)中的應(yīng)用。主要介紹ABB ACS6000中壓變頻器在實(shí)際應(yīng)用中的幾個(gè)功能單元原理及其功能介紹。

1 2 800 mm單機(jī)架冷軋機(jī)介紹

2 800 mm單機(jī)架CVC六輥不可逆冷軋機(jī)在常溫狀態(tài)下，將合格的、材質(zhì)為鋁及鋁合金帶卷，經(jīng)多道次不可逆冷軋，生產(chǎn)出滿足厚度、品質(zhì)要求的合格冷軋鋁帶卷。該冷軋機(jī)由1臺(tái)開卷機(jī)、1臺(tái)軋機(jī)和1臺(tái)卷取機(jī)組成，如圖1。

圖1 冷軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖

整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)由一套ABB公司ACS6000中壓多傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在軋制過程中，卷取機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，開卷機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)產(chǎn)生的能量，通過公共直流母線傳遞到卷取機(jī)上，而無需電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，從而降低了對(duì)電網(wǎng)功率的需求，電網(wǎng)的額定容量與獨(dú)立的傳動(dòng)配置相比，降低了近50%。

該冷軋機(jī)裝配有ABB公司的2×7MVA整流變壓器，ABB公司的ACS6000中壓傳動(dòng)變頻器以及湘潭電機(jī)廠的交流同步電機(jī)，開卷電機(jī)功率為2 270 kW，主電機(jī)為9 000 kW，卷取電機(jī)為3 102 kW，目前在國(guó)內(nèi)鋁冷軋機(jī)中，裝機(jī)功率最大。

2 ACS6000中壓變頻器介紹

在鋁加工行業(yè)，軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)要求具有快速、平滑、精確地轉(zhuǎn)矩控制，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，具有瞬間高峰值的負(fù)載能力，而且要求具有靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)全扭矩可用。

ABB公司的ACS 6000變頻器是采用模塊化設(shè)計(jì)，分有線性供電單元（LSU）、有源整流單元（ARU）、逆變單元（INU）、電容組單元（CBU）、控制單元（COU）、水冷單元（WCU）等等模塊，可以根據(jù)冷軋機(jī)的工藝要求和電機(jī)功率靈活組合配置，組成單電機(jī)傳動(dòng)、多電機(jī)傳動(dòng)、冗余傳動(dòng)和孿生傳動(dòng)共4種傳動(dòng)方式。而且ACS6000具有DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制）功能，可以實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩和速度控制，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間最小達(dá)到2 ms，整套傳動(dòng)裝置采用無熔斷器設(shè)計(jì)。

2.1 南南冷軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)配置

廣西南南鋁加工有限公司于2011年1月份引進(jìn)德國(guó)西馬克公司的2 800 mm六輥CVC單機(jī)架冷軋機(jī)，傳動(dòng)采用了ACS6000交流傳動(dòng)系統(tǒng)，配置有2臺(tái)2×7 MVA整流變壓器、2個(gè)2×11 MVA有源整流模塊、4個(gè)逆變模塊(開卷功率為5 MVA、卷取功率為7 MVA，主電機(jī)功率為2×9 MVA)、3個(gè)勵(lì)磁模塊、3個(gè)控制模塊、水冷模塊、3臺(tái)交流同步電機(jī)和測(cè)速編碼器等組成。3臺(tái)交流同步電機(jī)由湘潭電機(jī)股份有限公司設(shè)計(jì)制造，最大可承受115%連續(xù)過載和150%20 s過載。整體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ACS6000系統(tǒng)圖

2.2 有源整流模塊(ARU)

冷軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)采用2套2×11 MVA有源整流模塊并聯(lián)，為了降低諧波干擾，2個(gè)整流單元的輸入電壓，分別采用三角形和星型的連接方式，主要功能是將整流變壓器的二次側(cè)電壓3.16 kV的正弦波電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷? 840V，控制單元自動(dòng)監(jiān)控直流母線上的電壓以及電流，當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，電流從整流變壓器流向整流單元，當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，電流從整流單元流回到電網(wǎng)中去，如圖3所示。

圖3 能量流動(dòng)圖

2.3 逆變單元(INU)

南南公司的單機(jī)架六輥CVC冷軋機(jī)，開卷、主機(jī)和卷取均采用交流同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主電機(jī)功率達(dá)到9 000 kW，采用2個(gè)逆變單元并聯(lián)，開卷和卷取各分別使用1個(gè)逆變單元。逆變模塊由3組IGCT功率管組成的標(biāo)準(zhǔn)相位模塊構(gòu)成，將直流母線上電壓轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流輸出電壓，分別驅(qū)動(dòng)開卷機(jī)、主機(jī)和卷取機(jī)共3臺(tái)交流同步電動(dòng)機(jī)。

圖4 ARU(INU)電氣結(jié)構(gòu)原理圖

2.4 勵(lì)磁單元(EXU)

冷軋機(jī)開卷電機(jī)、卷取電機(jī)和主電機(jī)的勵(lì)磁電源，分別由獨(dú)立的勵(lì)磁變壓器和勵(lì)磁整流單元提供。用于調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速基數(shù)以上的弱磁控制，給電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，分別使電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，帶動(dòng)電機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)。

2.5 水冷單元(WCU)

IGCT功率模塊在使用脈寬調(diào)制方式通斷工作過程中，產(chǎn)生很大的熱量，傳統(tǒng)的冷卻方式是采用散熱片加冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，長(zhǎng)時(shí)間使用后，由于散熱積灰和風(fēng)機(jī)老化，冷卻效果大大降低，減少功率模塊的使用壽命。

ACS6000的IGCT功率模塊采用自循環(huán)的去離子水進(jìn)行冷卻，冷卻水直接與IGCT發(fā)熱體接觸，吸收晶閘管的熱量，并通過板式換熱器與車間循環(huán)冷卻水進(jìn)行散熱。水冷系統(tǒng)有2臺(tái)泵(一備一用，切換時(shí)間可自由設(shè)定，一般建議12 h切換1次)、一個(gè)熱交換器，配有水流量、壓力、液位、溫度和電導(dǎo)率等檢測(cè)。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)

ACS6000具有直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）功能，它提供了精確的轉(zhuǎn)矩和速度控制，使得變頻器在零轉(zhuǎn)速時(shí)，可以提供最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，既便于控制，又有利于平滑運(yùn)行，充分地發(fā)揮了同步電機(jī)功率因數(shù)高、輸出轉(zhuǎn)矩大而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的特點(diǎn)。直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）控制理論，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)的磁通矢量或脈寬調(diào)制控制方式快10倍；最小的轉(zhuǎn)矩紋波；精確的靜態(tài)速度和轉(zhuǎn)矩控制。

圖5和圖6分別顯示ACS6000交流傳動(dòng)系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的原理和典型的動(dòng)態(tài)速度響應(yīng)。

圖5 同步交流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方框圖

圖6 典型的動(dòng)態(tài)速度響應(yīng)

ACS6000交流傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，為集成門控?fù)Q流晶閘管IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors），是ABB公司專門為中壓變頻器開發(fā)的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，它把門極驅(qū)動(dòng)電路和門極換流晶閘管GCT合在一起，作為一個(gè)整體器件，減少變頻器的元件數(shù)量，從根本上降低了變頻器開關(guān)元器件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，直接采用去離子進(jìn)行冷卻，提高了使用效率和可靠穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

ACS6000采用的IGCT技術(shù)，是基于成熟的GTO技術(shù)，并且IGCT已在中壓變頻領(lǐng)域內(nèi)成功地應(yīng)用了5年時(shí)間。由于采用無熔斷器設(shè)計(jì)，避免使用不可靠的熔斷器，因而提高了整體可靠性。西馬克冷軋機(jī)配置ABB的ACS6000交流傳動(dòng)系統(tǒng)，不僅提高了設(shè)備的先進(jìn)性、可靠性和穩(wěn)定性，而且應(yīng)用了三電平交一直一交變頻傳動(dòng)技術(shù)，控制主傳動(dòng)同步電機(jī)，大大降低諧波影響改善電網(wǎng)品質(zhì)，功率因數(shù)幾乎等于1，提高了冷軋機(jī)的運(yùn)行效率；同時(shí)也提高軋制產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)，滿足了鋁硬合金生產(chǎn)工藝要求，提高了效益。

[1]廣西南南鋁加工有限公司.冷軋機(jī)技術(shù)文件[Z].南寧：廣西南南鋁加工有限公司，2011.

[2]ACS6000技術(shù)樣本（同步電機(jī)和異步電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制）[Z].北京:北京ABB電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司,2003.

[3]Operating Instructions ACS 6000 with Active Rectifier Unit(ARU)[K].Switzerland:ABBSwitzerland Ltd,2006.