穿孔機中壓傳動系統中不間斷電源國產化升級改造應用

吳 飛，宮 濤，馬 佳，常云鍵

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

天津鋼管制造有限公司（簡稱天津鋼管）Φ460 mm 連軋管機組穿孔機主傳動系統使用SVGN 交直交中壓大功率變頻器中壓傳動，驅動2 臺6 500 kW主電機。SVGN 的功率元件采用IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）集成門極換流晶閘管元件。IGCT 門極的控制電源由系統的UPS（Uninterruptable Power System，不間斷電源）提供，UPS 供電質量決定IGCT 運行的穩定性。

1 穿孔主傳動系統工作環境及使用目的

穿孔主傳動系統是確保熱軋無縫鋼管從實心鋼坯實現空心毛管軋制的重要傳動系統。Φ460 mm連軋管機組穿孔主傳動系統使用的2 套IGCT 原件為某公司生產的5SHY35L4510 型。此型號的IGCT工作環境要求門極供電壓U 為48～80 V，頻率f 為15～100 kHz 方波。Φ460 mm 連軋管機組在實際應用時，使用了ALIBT 型號的電源板和隔離變壓器將進線230 V 電源變為288 V/58 kHz 方波電源，通過4 ∶1的隔離變壓器最終輸出72 V/58 kHz 方波電源電壓，此電源為 IGCT 門極供電［1］。

使用UPS 元件在于保證電源輸出波形正常，確保IGCT 門極觸發穩定性。當存在IGCT 模塊的上下半橋因門極供電不穩定造成關斷延遲，就會出現橋臂直通現象，這樣會對設備造成嚴重損失［2］。

2 SVGN 系統存在的問題

由于近年來新品開發力度和生產任務不斷加大，對穿孔主傳動系統傳輸效率和準確性提出了更高要求。多年的高負荷運行使得該SVGN 系統中的隨機配套元件——UPS 元件在使用中曾經因主機故障進行過更換，更換后的設備多次出現IGCT 故障報警，下線檢查發現電路管沒有出現擊穿現象。對UPS 供電波形和IGCT 的門極供電波形進行采集，分析后發現UPS 的輸出電源波形不好，并不是標準的正弦波，而且門極方波電壓毛刺較多，這就導致了IGCT 門極供電電壓的不穩定。

不穩定的門極供電是造成IGCT 頻繁出現門極故障的主要因素，另外在UPS 使用中還發現UPS在停電后啟動時，如果同時給TM03、TM04 變壓器送電會造成UPS 報警，自動切換到旁路狀態，這就造成傳動柜無法正常送電。對UPS 后備電池進行測試，發現在進線斷電后UPS 也同時斷電，沒有起到后備供電作用。下線檢查發現UPS 蓄電池大部分已經無法充電。造成UPS 輸出電壓出現畸形，從而導致IGCT 在工作中出現異常（圖1）。

圖1 故障電壓波形

從故障波形可以看出，在中壓傳動中UPS 輸出電源波形的好壞對系統的穩定性十分重要。UPS要能夠提供安全、干凈和穩定的正弦波電源給負載設備，電源不能受任何因素的干擾［3］。

3 實現穿孔主傳動系統整體UPS 供電

從前由于Φ460 mm 連軋管機組穿孔整個中壓控制系統采用信息配置AMS（Application Management System）應用管理系統集中控制，通過AMS輸出控制信號，經XHFILPRO 型號的傳動系統控制板來控制IGCT 的導通和關斷。整個系統對IGCT門極供電的停送電順序有嚴格要求，通過柜內的延時繼電器對設備進行逐級送電，在停電時要求先中斷IGCT 的觸發信號，然后再斷開門極控制電源，這樣才能保證IGCT 正常運行。如果設備在正常使用時外部電源出現異常跳閘或其他原因造成設備停電，使IGCT 的控制順序出現異常，勢必會造成大范圍 IGCT 元件門極故障［4］。

若整個設備的邏輯控制電源都是通過UPS 供電，這樣既可以保證在電網出現異常波動或斷電時，使設備能夠按程序控制要求中斷，防止事故擴大化；同時UPS 對供電電源能起到濾波、穩壓的作用，保證供電電源的可靠穩定［5］。可靠穩定的供電電源對于IGCT 來說是十分重要的。

4 UPS 系統升級改造

4.1 UPS 標準件選型

通過走訪同類企業，向國內外多家UPS 專業生產廠家進行技術交流，了解到當前大多企業采用的是某公司工業用中小功率FR-UK-PG 系列UPS。該款UPS 專為工業制造業使用環境設計，是真正的工頻雙變換在線式高性能正弦波UPS，采用先進的工業級功率器件、性能優越的SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）正弦脈寬調制逆變器及智能化多模式電池管理技術等先進技術。這些先進技術大多滿足天津鋼管生產要求，但對于熱軋無縫鋼管穿孔軋機現場高產量、多規格、強載荷的實際情況，該FR-UK-PG 系列UPS 原件輸出電壓為零線對地，無法滿足供電要求，不適用現場生產［6-7］。

4.2 UPS 非標準件定制

考慮到熱軋無縫鋼管穿孔軋制使用的是上下兩輥，在UPS 重新選型過程中，要求一旦穿孔機上下輥兩臺主機有一臺UPS 出現故障無法開機時，使用另一臺UPS 可以帶起兩臺主機的負荷［8-9］。因此要對UPS 容量進行增容選型［10］。工作容量由10 kVA 增加至 20 kVA，將 FR-UK-PG 系列 IGCT 元件門極供電電壓72 V，頻率58 kHz 方波電壓（其中陰極直接連通直流母線）進行非標準定制，以避免由于門極供電電源故障產生接地點引入直流母線。

為此，將UPS 輸出電壓改造為浮地系統，即輸出兩根線都是相線，每根線對地115 V。增加1臺旁路隔離變壓器并將輸出隔離變壓器的零線進行不接地處理，保證改造后的UPS 元件滿足系統供電要求。另外，增加了UPS 干接點報警功能，增加UPS 主機的“電池低壓、市電異常、UPS 故障、UPS 過載”等4 個繼電器干接點。這4 個干接點信號輸出到傳動裝置主機的AMS 框架內進行故障管理。當UPS 出現故障信號，穿孔機主機會立即跳閘以避免造成故障擴大化。

4.3 UPS 后備電池采用冗余設計

改造后的UPS 直流電壓采用低電壓高電流設計，直流電壓為192 V；電池的串聯節數為16 節。后備電池總數為32 節，這32 節電池采用冗余設計；即每組16 節電池串聯，然后這兩組串聯電池組并聯。這樣一旦一組串聯電池組中出現一節電池內阻升高或開路以后，另外一組后備電池仍然能夠實現穩壓吸振及電網突然斷電以后的應急供電功能。電池在選型過程中采用長壽命電池，電池在恒定的環境溫度下，電池壽命高達6 年。

4.4 增加MMBM-2 智能電池監控系統

MMBM-2 智能電池監控系統專為UPS 蓄電池的日常監測維護而設計，由電池監測采集單元和集中通信監控器組成，采用專業的數字化控制技術、RS485 數據傳輸和在線監測管理系統，可在線實時監測、記錄UPS 蓄電池組中任何一節電池的端電壓、充放電電流、電池表面溫度等參數，獨有的在線容量分析技術與智能告警功能可以幫助維護人員精確查找出電池組中的落后單體，有效降低電池檢修和維護工作量，提高系統工作的可靠性和測試的安全性。

電池監控系統共有電池異常、通信異常、單體異常、溫度異常4 個報警。當所監控單節電池電壓低至10.2 V，關斷監測單元電源，系統出現電池異常報警。當所監控單元與集中監控器通信異常，出現通信異常報警。當單節電池電壓與單節電池平均電壓相比，差值大于設置差壓值，系統出現單體異常報警。當某節監測溫度超過40 ℃或低于15 ℃時進行溫度異常報警，所有電池單元溫度監測低于37 ℃或高于18 ℃時恢復正常。

5 應用效果

這2 套UPS 投入運行后工作正常。UPS 主機額定輸出電壓231.1 V；旁路輸出電壓為222～229 V（隨著電網電壓波動）；主機的負載率在變頻器空載時為20%，隨著軋制負荷的不同IGCT 的門極功率會隨之升高，因而UPS 的負載率會上升至25%左右；后備電池的電池電壓在13.48～13.78 V，電池表面溫度在30 ℃左右。通過多次用示波器觀測UPS輸出電壓波形穩定，正弦度良好，如圖2 所示。

6 結 語

圖2 改造后輸出電壓波形

該項目改造歷時一年，投用的新型UPS 元件已使用兩年有余。Φ460 mm 連軋管機組穿孔中壓主傳動系統的IGCT 故障發生頻次由改造前平均兩三個月一起，降至如今再未發生過此類故障，效果顯著。在日常巡檢和檢修維護方面也相當便捷，利用MMBM-2 智能電池監控系統可以實時監控電池的電壓和溫度。在設備剛剛投入使用的時候上輥UPS 出現電池溫度異常報警，電池監控系統很清晰地顯示了異常電池的編號、電壓和溫度情況，可以很快地對異常情況進行處理，節省了排查時間和處理時間。這套設備的投入使用不但保證了設備的正常運行，同時節約了大量備件費用。