寬厚板粗軋機主傳動控制系統設計探究

劉喆

（萊蕪鋼鐵集團有限公司規劃發展部，山東 萊蕪 271100）

眾所周知，當代世界知名高性能軋鋼機設備和相關技術進入我國鋼鐵行業，其本身的技術應用以及針對我國實際情況的革新優化，其成為當代我國諸多工業領域占據關鍵地位的設備。而作為寬厚板粗軋機中起到連接傳輸和控制作用的主動傳動控制系統在設計方面要講究科學性和實踐應用性，因此，針對寬厚板粗軋機主傳動控制系統設計重點和對策的探究非常有必要。

1 電氣控制方案

在當代的寬厚板粗軋機的主傳動控制系統當中，得益于交流調速技術的發展和實踐深入，當代交流主傳動系統在今年逐步替換了傳統的晶閘管整流器式的直流系統。在當今包括機械加工、鋼鐵加工在內的多個產業當中，閘機主傳動變頻調速裝置比較常見的為交—交變頻系統，以及系統化的交—直—交變頻系統。兩種裝置系統的優缺點主要為：

（1）交—交變頻技術。該形式的優勢在于結構簡單，電流電氣控制執行效率較高，且能夠承載更大的過載壓力。當然從操作的角度來說其極高的便捷度也令人滿意。但是，該種電氣控制技術的缺點在于，其本身的變頻的頻率相對來說非常低，且存在電網側產生諧波高的問題。

（2）交—直—交變頻技術。一方面，這種技術在變頻的效率方面有較高的優勢，功率因素也達到了較高的水平。并在運行的過程中不需要無功補償。但是這種相對復雜的電氣控制模塊的操作執行的效率卻相對較低，且不能夠承載較高的過載壓力。另一方面，交—直—交變頻技術當下在國內的研發和應用成本是比較高的。

在實際應用中，主傳動控制系統的電氣控制技術的選擇直接決定整個控制邏輯和應用效果，因此，需要在足夠了解多種主要電氣控制技術的基礎上，根據產業規模、技術要求和員工團隊專業水平，選擇合適的電氣控制方案。而值得一提的是，在選擇時，也應當充分考慮生產安全的把控以及對傳統粗軋機系統問題的關注，由此綜合分析，確定一種更加高效安全的電氣控制系統是更合理的。

2 變頻器的選用和設計

（1）基礎設計。主傳動系統至關重要的變頻器的設計，一般采用ACS6000 同步/異步中壓傳動，并且以直接轉矩控制技術為突出優勢的電動機。該變頻器設備一般可以將50或者60Hz 的電網正弦電壓轉換成直流電壓，隨后再轉換成為系統可以控制和利用的政策輸出頻率。ACS6000 中壓傳動變頻器主要以逆變器、母線和整流器所組成，一般由逆變器來把控電動機的力矩和速率，再由母線為一臺或多臺電機提供動力。由此結合多個逆變器系統組成多傳動配置。

在變頻器的電橋設計一般基于3 電平結構，并且允許端電壓達到較高水平。此系統無須半導體進行串聯，并且能夠降低這種變頻技術模式下容易出現的諧波水平。而其中用到開關模式技術的優勢在于，能夠在變頻器電機體系中不用再配置斷路器。在系統出現故障或問題的時候，如果朱電壓源出現斷電情況，那么可以更及時切斷變頻器以及其與電機間的聯通電路。

（2）結構特點。以交—交變頻器為例，其功率部分包括逆變器以及整流器元件，那么這兩個元件是基于同樣的開關模式而形成的裝置。其結構和特性表現在于，由基礎的三電平DTC 開關構成，并且在變頻控制上沒有緩沖器的設計，沒有熔斷器的配置。

這種系統的優勢在于在工作的過程中不會發生熔斷器熔斷的可能，而且降溫系統也不需要根據變頻器的能耗來進行設計控制，變頻器在傳動過程中，所有扭矩-速度四象限工作的同時不用在配置額外的設備。

并且從實際應用的角度來說，這種變頻器在輸出的頻率方面具備0～72Hz 的更寬范圍，并且電源符合的攻略因素沒有SVC，在運行過程中出現電源諧波畸變的情況概率較低，而從點擊的角度來說維護量也相對較小。與直流傳動相比，其具備更加強大的負載抗壓能力，特別是在堵轉的情況出現的時候可以實現全扭矩輸出。

圖1 粗軋機主傳動系統設計示意

3 控制器選擇和應用

TDC 作為來自西門子公司基于應用于主傳動系統中的控制器產品，其在我國大量的鋼鐵產業當中都有重要的應用。在寬厚板粗軋機的主傳動控制系統中，該控制器包含的多個處理器的性能特點讓它能夠勝任這種需要強勁功率和動力的軋機設備傳動控制工作。

該控制器作為一個系統化的設備，在粗軋機主傳動這類滯后的體系中，可以實現更加快速高效地去處理控制周期滯后的問題。并且其利用構建起來的系統架構，能夠很好地解決粗軋機壓下系統的動力驅動和控制系統的驅動。得益于TDC 超強運算能力和信息傳輸能力可以很好讓壓下及速度更好聯合，進而讓整個粗軋機的工作品質以及生產效率都提升很多。

具體來說，TDC 在具體的設計中，針對粗軋機主傳動體系的滯后特點，可以設計一個可供插入20 個CPU 模塊的機架，保證其采樣時間達到比較優質的100 微秒。而需要注意的是，CPU 可以采用64 位的處理器，因為這樣可以實現更多軟件和控制系統配置的同時運行，進而能夠在整個控制器的性能方面實現無限擴展。

4 主傳動變頻器的新技術探究

在至關重要的變頻器的選用和實踐過程中，DTC 作為新興的控制器技術的代表，應當花費足夠多的精力去專研。一般來說，每兩微秒變頻器都會將測量的電動機相關數值傳輸到專用的自適應電動機模型中，并且能夠同步計算出磁通和轉矩，而根據所計算的數值與磁通控制器提前預估的數值進行對比。而隨后控制器的輸出表現，在每50 微秒期間由最合適的開關邏輯直接去為逆變器的開關元件配置一個最合適的位置。

圖2 直接轉矩控制示意

5 主站與從站功能的設定和網絡模塊選定

在系統中，主站系統可以配置以上提到的TDC，粗軋機TDC 中搭配兩個CPU，兩個CPU 分別組成GMD 網絡通訊組網以及系統的速度閉環控制及運算。需要注意的是，主站的功能在此時還需要采集電機的各方面參數數值，以便提供給中央控制器進行監控。而從站的功能可以配置兩套SIMADYN-D控制系統，其分別承擔電機的閉環調節。

網絡模塊是現代信息化技術應用下主傳動控制系統不可或缺的配置，而TDC 作為高效率高速響應的控制器模塊，與之相匹配的網絡模塊應當選用GDM 這樣的高效率網絡制式模塊。該模塊的特點和優勢主要表現在，運算能力異常強大的同時，可以利用光纖電纜和共存儲存器。并且這種網絡模塊可以在多個產業當中實現更加強大的組網能力。當然具備獨立框架的GDM 的接口是由CP52A0 所供應支持的。那么在TDC系統中，得益于GDM 網絡模塊的優勢，能夠讓它實現更加廣泛和穩定的信息通訊。

而在TDC 中，需要選擇網絡控制和信息化控制的優點，如果希望能夠讓整個系統更加穩定和高性能，那么進行高速率的數據交換配置是其中要重點關注的。完全可以利用GDM網絡光纖技術的優勢組成星形的網絡系統。如此可以實現超過44 個TDC 機架聯合836 個CPU 聯合運行的體系。

6 主傳動電機的選擇

基于粗軋機主傳動采用交流變頻的傳動控制機制，那么主電機則選用高功率的交流調速電機設備。一般來說，同步電動機和異步電動機都可以根據實際的情況和要求靈活選擇。正常來講，同步電動機屬于容性負載的同時其功率因素比較超前，對于整個系統的電網容量的提升是非常有效的。并且根據優質經驗可以了解到該電機在運行的時候能夠保持不錯的穩定性和可靠性，在電網系統出現故障等非正常情況下，電壓驟降時（如瞬間驟降至額定電壓8 成以下），那么電機的勵磁系統會及時進行應對，以便讓電機保持更加穩定和安全的運行狀態。顯然，如此高的過載能力相對于異步電機來說，是更適合寬厚板粗軋機的主傳動系統的動力源的。

7 結語

經過本文的探討和論述，可以發現，寬厚板粗軋機的主傳動系統在進行科學化設計以及引進多方面合適的先進技術之后。所軋制出來的產品及材料的多方面質量達標率非常高，并且產品的誤差范圍控制在極小的范圍內。特別是很多應用型的重軌等鋼鐵材料的技術應用性能都達到了國際標準。而重新設計和改造之后的主傳動系統不僅在運行的過程中有更加高效和穩定的可靠狀態，更重要的是這樣的系統在結合信息化網絡和智能控制模塊后，其操控的簡便性以及至關重要的安全性表現都達到了非常高的水準。而經過實踐證明具備更高功率因素和可控性的交—直—交變頻器技術，非常適合當代多個領域的寬厚板粗軋機應用領域。