20輥可逆冷軋機主傳動系統的研究

張 寧

（鞍鋼集團工程技術有限公司，遼寧鞍山 114021）

1 引言

為進一步提高企業的綜合競爭實力，某集團公司決定投資建設高性能冷軋硅鋼項目。冷軋機組是本項目的關鍵設備，它對于帶鋼的質量、厚度及性能起著重要作用。高性能硅鋼工程一期建設兩條冷軋機組生產線，采用了設計與制造水平較高的單機架20輥可逆軋機。本文主要以一條冷軋機組生產線為例，對冷軋機組的核心軋機主傳動控制系統進行分析研究。

2 主傳動電氣控制方案

隨著交流調速技術的發展以及矢量控制技術的應用，變頻器供電的軋機交流主傳動，完全取代了傳統的由晶閘管整流器供電的直流主傳動。目前軋機交流主傳動變頻調速裝置主要有兩類，即交交變頻裝置和交直交變頻裝置。交交和交直交變頻調速系統都是先進的、性能良好、功能強、可靠性高的調速方式，它們各有特點。交交變頻采用全數字矢量控制方式；交直交變頻采用脈沖調寬（PWM）全數字矢量控制或直接轉矩控制方式。都能滿足大型軋機主傳動的技術性能要求。在本項目前期與CONVERTEAM及其他電氣公司的技術交流階段中，對交交變頻控制、交直交變頻控制這兩種控制方案進行了反復研究和認真比較。

交交變頻技術，過載能力大，效率高，簡單可靠，可以完全國產化是其顯著優點。而交交變頻頻率低、速度低、功率因數低，電網側產生諧波較高、需無功補償等是主要缺點。交交傳動配套的低速同步電機轉動慣量大，總重量大，投資較高。交交變頻調速裝置按變頻電壓峰值選擇整流變壓器，其容量約為電動機容量1.8～2倍，比交直交變頻的變壓器容量大，變壓器鐵損大即空載損耗大。它適用于大功率中、低速且過載能力大的軋機驅動，如大型熱帶軋機、中厚板軋機和型鋼軋機。

交直交變頻頻率高、速度高、功率因數高，電網側諧波較低、不需無功補償是其主要優點。而其效率較低、過載能力差，使用經驗不足，不能國產化，備件和技術服務問題大是其顯著缺點。交直交變頻調速裝置選擇整流變壓器容量為電動機容量1.3～1.4 倍。適用于大功率中、高速的風機、水泵及過載能力較小的軋機驅動，如高速冷軋機、無縫鋼管軋機。

考慮到傳動裝置的發展趨勢及各電氣公司的報價，通過最終比較選擇了ALSPA MV7000電壓源型交-直-交公共直流母線脈沖脈寬調制（PWM）全數字矢量控制變頻調速系統方案。MV7000 PWM主傳動中壓變頻器特別適用于交流感應異步電動機同樣也適用于同步電機。由于異步交流電動機比同步交流電動機的機械結構簡單，而且無需維護檢修，而且異步機具有復雜的電機特性和控制，因此主傳動電動機決定采用鼠籠式異步交流電動機。

3 主傳動系統的組成

高性能硅鋼工程冷軋機組軋機主傳動控制系統如圖1所示。主要包括：主傳動干式整流變壓器、主傳動交直交變頻調速系統及主傳動電動機。公共直流母線額定電壓為5.1kV。電機側額定電壓為3.3kV。主傳動變壓器、主傳動變頻器、主傳動電動機的主要技術參數分別如表1、2、3所示。

4 主傳動變頻器的組成

主傳動變頻器MV7000是由整流單元柜、直流母線柜、逆變單元柜、交流輸出柜、控制單元柜、冷卻單元柜等若干個控制柜組合在一起，并可在現場組裝。變頻器為緊湊式的模塊化結構，由以下主要結構單元組成。

整流單元：將電網的交流電壓轉變為直流母線電壓，無論電網電壓如何波動，直流回路電壓保持恒定。由IEGT組成的主動前端整流單元AFE，可以實現電機的四象限運行，完全再生制動，對電網無污染。

預充電或預勵磁主變壓器：對直流母線預先充電，避免由于電壓突加而產生的峰值電流。

直流母線：由直流母線、直流電容器和接地開關組成。用來平滑中間直流回路電壓，并將整流器和逆變器解耦。

圖1 主傳動系統組成

表1 主傳動變壓器主要技術參數

表2 主傳動變頻器主要技術參數

表3 主傳動電動機主要技術參數

逆變單元：使用IEGT的三電平中性點鉗位（NPC）逆變器，將直流電壓轉變為交流電壓驅動電機，允許四象限運行。由于變頻器采用模塊化設計，相同的逆變單元用于主動前端整流。

交流輸出單元：包括輸出電流測量裝置、制動斬波器，同時包括輸出接線端子。

dV／dt濾波器：降低輸出電壓的變化率，抑制過電壓，用于較長電纜時改善變頻器輸出波形。

PEC控制器：電力電子高性能控制器（PEC）能提供高性能的PWM矢量控制計算和確保變頻器的安全性。

冷卻單元：采用閉環去離子冷卻水循環系統冷卻，通過去離子水／原水熱交換器，把變頻器本身產生的熱損耗傳送到外部的原水循環系統。

5 主傳動變頻器的新技術

5.1 功率元件

MV7000變頻器使用的功率開關元件是PPI壓裝式IGBT，又稱IEGT（注入增強型絕緣柵晶體管）。

IEGT元件是直接從IGBT發展而來的。IGBT和反并聯的二極管模塊通過導線連接，而且只能通過單面進行冷卻，這種IGBT設計已被證實為十分可靠的能運用于50Hz／60Hz的電動機調速。但當應用在低頻率時，這種導線連接和單面冷卻的組合，能使IGBT的溫度升高和連接導線的損壞，因此必須降額使用。而IEGT就解決了這個問題，并進行了重要的改進。IEGT所有的元件都被封裝在一個陶瓷容器內，稱之為壓裝式，沒有導線的連接。這種壓裝方式可使元件的兩面都能散熱，所以能夠生產大功率的元件。IEGT采用雙面壓裝冷卻方式提高的冷卻能力，跟IGBT相比增加了+80%，提高了晶體管的額定電流，在低頻運行下不需要降額處理，并使元件在電機低頻運行下而沒有過熱的問題。在相同的熱循環狀況下IEGT具有更長的使用壽命。它增強了變頻器的功率能力、更低的損耗，超長工作壽命，最高效率達到99%，同時減少了元件的數量提高了可靠性，并且設計出的變頻器具有更高的魯棒性。高質量的功率開關元件和更少的元件數目確保了MV7000變頻器具有更高的可靠性。

總而言之，IEGT將晶體管進行了優化處理更加適合于低頻運行，它減少了傳導的損耗，使元件具有更高的效率。并且IEGT保留了IGBT的基本特性，具有非常高的開關頻率，而且能夠在大于額定電流好幾倍的故障電流情況下關斷元器件。

5.2 主動前端整流單元

AFE主動前端又名整流回饋裝置，其英文名譯自“Active Front End”。

普通的交-直-交式變頻器前端通常采用固定三相橋式二極管整流的方式，將電網提供的三相交流電源轉換成為直流電源，該直流電源再通過大容量的電解電容平滑濾波后供給IGBT組成的三相橋式逆變器，逆變成頻率和電壓同步調節的交流電壓，驅動電動機在不同的頻率下運轉。由于普通變頻器前端采用二極管橋式整流，因此能量僅能從電網流向變頻器直流母線，無法實現能量雙向流動，同時由于二極管全橋整流的局限性，導致變頻器的網側功率因數不夠高同時輸入諧波電流較大，從而導致對電網的干擾。一般來講變頻器的功率越大，對電網所造成的影響也就越大，因此在工程實踐上，通常會采用在較大功率的變頻器輸入端與直流母線上加裝輸入電抗器和直流電抗器的方法，來降低變頻器的輸入諧波并提高變頻器的網側功率因數。

AFE主動前端的出現則較好地解決了上述問題。它與變頻器的輸出逆變部分一樣，也采用IEGT組成三相橋式結構，實現了電網與變頻器直流母線間能量的雙向流動。由于AFE主動前端摒棄了落后的固定橋式二極管整流模式，無論在整流還是在回饋狀態下工作時，都是通過IEGT開關狀態的切換來實現相應的功能，因此使用了AFE主動前端后，無論在整流還是在回饋狀態下，變頻器的網側電流都是諧波很少的正弦波，功率因數也接近于1，大大減小了對電網的干擾。同時變頻器采用AFE主動前端后，由于可以實現前端能量的雙向流動，因此可以應用于各種需要電機四象限運行的場合中。

對于同時具有電動和制動（開卷和卷?。┑睦滠堉鱾鲃酉到y，采用PWM主動前端整流單元通過公共直流母線能夠把再生的能量完全反饋到電網，大大減少了設備的投資。同時，PWM主動前端整流能使輸入功率因數為1，并且使輸入波形接近于正弦波，諧波影響可以忽略不計。主動前端整流單元不但可以實現能量四象限流動，并且可以取消輸入變壓器，使得變頻驅動系統效率大幅提高。

5.3 三電平中性點鉗位拓撲技術（NPC）

MV7000變頻器采用IEGT功率元件（注入增強型絕緣柵晶體管）。三相逆變器共計12個IEGTs，每相4個IEGTs和6個二極管（4個續流二極管和2個鉗位二極管），適合采用三電平中性點鉗位拓撲技術（NPC）。

MV7000逆變器運行原理如下。

MV7000逆變器由三個功率相臂組成，每個功率相臂產生電動機的一個相電壓。在三電平中性點鉗位（NPC）拓撲結構中，直流母線由兩套直流電容器組成，第一套的電壓在DC+和0V之間，另外一套的電壓在0V和DC-之間。依靠IEGT的觸發組合，逆變器中每一個功率相臂的輸出電壓可以連接到DC+或0V或DC-，因此電動機的線電壓可以有 100%VDC、50%VDC、0、-100%VDC、-50%VDC五種電壓值。圖2所示為電動機線電壓U-W的運行原理，三相是在同時導通的。（為了簡化原理，電機的V相電壓沒有在圖中顯示）。

三電平NPC二極管中性點鉗位的逆變單元采用PWM調制技術，能夠保證輸出優越的電機電壓波形，使電機電流包含更低的諧波電流。

5.4 高性能控制系統

5.4.1 PEC 控制器

電力電子專用控制器（PEC）是整個變頻器的核心，它配置了矢量控制軟件，可以實現帶編碼器的矢量控制、無編碼器的矢量控制和高級VVVF控制方式。

基于高性能的無編碼器矢量控制方式（EVC），MV7000能夠確保電動機的磁場和轉矩調節。變頻器根據操作運行點的電壓參數、運行條件、由處理過程決定的設定點轉矩等要求執行PWM控制。唯一與帶編碼器反饋矢量控制方式的區別是用于空間矢量計算的實際速度，無編碼器反饋矢量控制方式的速度是通過速度估算器對電流反饋進行計算的。而對于帶編碼器反饋的矢量控制方式，速度反饋信號直接用于空間矢量的計算而不是利用速度估算器中的速度計算值。主要的一些有影響的因數包括：速度／轉矩設定點、電機相電流反饋和電壓參數、直流母線電壓和實際速度。變頻器對測量所得的電流和電壓值進行2軸象限的轉變用于空間矢量計算進行分析。因此MV7000變頻器可以不需要編碼器速度反饋進行速度的估算。高級VVVF控制方式是變頻器根據空間矢量計算出的可變電壓、可變頻率控制特性對控制設定點進行控制。

圖2 三電平中性點鉗位

5.4.2 PWM 脈沖脈寬調制

MV7000變頻器能夠根據不同的應用對象采用不同的PWM調制波形和不同的PWM載波頻率，以獲得最佳的性能。能夠隨時在任何一個運行點調節PWM調制波形和PWM載波頻率的能力，使MV7000在任何一種應用和任何一個速度點上時都能取得最佳的驅動效果，具有非常高的系統柔性。

（1）更低的功率元件損耗，降低了電機諧波

修改PWM調制波形模式，通過增加零序電壓到電動機電壓參數能改變輸出電壓的諧波頻譜和減少變頻器損耗。

（2）能夠在非常低的頻率點滿力矩運行。高頻運行大于100Hz，最高可至300Hz。

（3）更低的噪音和震動

修改PWM載波頻率，根據電動機的速度在運行時改變載波頻率避免機械共振。使用隨機的PWM載波頻率用于阻尼機械共振和限制噪音及震動。

6 主傳動電動機

由于軋機主傳動采用交流變頻調速的傳動方案，主電機為交流調速電動機。同步電機和異步電機都可以歸為交流電機的范疇，二者比較如下。

同步電機需要外加勵磁電源。相比異步電機，同步電機較復雜，造價高，比起異步電機的免維護來，維護工作量較大，維修費用高。但同步電機是容性負載，功率因數超前，有利于改善電網的功率因數，增加電網容量。運行穩定性高，當電網電壓突然下降到額定值的80%時，其勵磁系統一般能自動調節實行強行勵磁，保證電動機的運行穩定。過載能力比相應的異步電動機大。運行效率高，尤其是低速同步電動機。因此大功率、低轉速的工礦大型機械設備常采用同步電動機。

異步電機包括感應電機、雙饋異步電機和交流換向器電機。感應電機應用最廣，在不致引起誤解或混淆的情況下，一般可稱感應電機為異步電機。感應電動機的結構是鼠籠式轉子，無電刷，無勵磁繞組，無轉子隔離器，它具有結構簡單，制造、使用和維護方便，運行可靠以及質量較小，成本較低等優點。異步電機有較高的運行效率和較好的工作特性，能滿足大多數工業生產機械的傳動要求。隨著大功率電子器件及交流調速系統的發展，目前適用于寬調速的異步電機的調速性能已可與同步電機的相媲美，通過PWM控制或矢量控制異步電機完全可替代同步電機。由于異步電機本身制造維護成本遠小于同步電機，現在這既是應用熱點，也是研究熱點。

本工程MV7000 PWM中壓變頻器特別適用于交流感應異步電動機，配用感應電機能夠獲得高性能的無紋波轉矩控制，電機在低頻時特別是在堵轉情況下具有高性能轉矩能力。MV7000中不需要勵磁電源，而且節省投資、維護方便。所以軋機主電機、張力卷取機主電機和開卷機，均選用鼠籠型異步電機，電機在基速以下為恒轉矩運行，基速以上為恒功率運行。采用交-直-交公共直流母線脈沖脈寬調制（PWM）全數字矢量控制變頻調速系統驅動。在軋機主電機、張力卷取機主電機的頂部安裝有空-水熱交換器的封閉式循環冷卻裝置，與MV7000冷卻單元采用一個外部密閉冷卻水循環系統（冷卻水量主電機 62m3／h，變頻器 100 m3／h，共162 m3／h）。主軋機電機和卷取機電機，三臺電機共用一個潤滑油站，高低壓油均由該設備提供。稀油站能滿足3臺主傳動電機的軸承潤滑，可以同時為三臺電機的6個軸承提供高、低壓潤滑油。主傳動電動機性能參數如表3所示。

7 結束語

高性能硅鋼工程冷軋機組自調試運行后，軋制出的產品板型好、尺寸精度高、技術性能指標達均到了設計要求。該主傳動系統在運行中具有穩定可靠、控制精度高、操作方便、維修簡單等特點。交直交變頻技術和設備以其優良的控制性能，較高的功率因數，良好的節電效果正逐步得到推廣。隨著高電壓大功率的電力半導體器件功率元件性能提高，設備尺寸隨之縮小，以及交交變頻裝置的輸出頻率低、電網功率因素低、旁頻諧波影響、需要SVC及占地大等因素的影響，未來的冷軋生產線主傳動變頻裝置正由三電平電壓型交直交PWM矢量控制變頻裝置或直接轉矩控制變頻裝置所取代。

［1］任子強，楊 靜，李忠華.常規熱連軋主傳動交流變頻調速系統［J］.世界儀表與自動化，2009，（4）：58-61.