軋鋼廠輥道西門子變頻傳動控制系統(tǒng)研究

辛敘征

（承德鋼鐵集團有限公司，河北 承德 067000）

現(xiàn)階段，經(jīng)濟發(fā)展速度逐漸加快，工業(yè)手段中智能化設(shè)備和自動化設(shè)備逐漸出現(xiàn)和應(yīng)用，而變頻器驅(qū)動作為生產(chǎn)過程時主要的自動化設(shè)備在鋼鐵企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。這主要是因為變頻器驅(qū)動具有較好的智能化設(shè)備功能，與網(wǎng)絡(luò)之間能夠形成良好的互通和共融，對信息可以實現(xiàn)最短時間內(nèi)的傳遞，為工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展開拓了良好的方向。同時變頻驅(qū)動器對于傳統(tǒng)的工業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的進步也有一定的創(chuàng)新作用，對推動產(chǎn)品的質(zhì)量升級和優(yōu)化改造具有一定的意義，可有效降低企業(yè)生產(chǎn)能源的消耗和對資源的浪費，從而可以更好的推動整個企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的更新和換代。

1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

變頻器作為一種電源裝置，可以有效的改變頻率和電壓。通常情況下，變頻器主要分為兩個大類，區(qū)分依據(jù)主要為轉(zhuǎn)換鏈接的不同，分別為AC-AC變頻器和AC-DC-AC變頻器。

交流變頻器可以對交流電進行頻率的轉(zhuǎn)化，主要將固定頻率轉(zhuǎn)化為連續(xù)可調(diào)的頻率，省時省力，操作過程較為簡單，使用交流變頻器可以最大程度的節(jié)約時間。對于AC-DC轉(zhuǎn)換器而言，在對交流電進行轉(zhuǎn)化的過程中，可能會出現(xiàn)變直流電為交流電，這主要是因為該環(huán)節(jié)步驟操作較為簡便，很大程度上節(jié)約了人力和物力，對于電動機效率的提升也有促進作用。同時AC-DC轉(zhuǎn)換器主要包含主電路和控制電路兩個環(huán)節(jié)，對于變頻器的使用而言也極為重要。

2 變頻器的選用

2.1 變頻器的基本功能選擇

在對變頻器進行選用時，需要從兩方面著手來對其進行全面的考慮，通常表現(xiàn)為輥道的要求和驅(qū)動系統(tǒng)的組成兩個環(huán)節(jié)，其中，電動機內(nèi)部的變頻器必須具備以下3個功能:第一，對電動機內(nèi)部的加減速度進行有效的控制，使其與動態(tài)轉(zhuǎn)距之間的具體需求相契合，還需要將整個電流速度控制在承壓能力范圍之內(nèi)，降低因電流超速或低速對整個電路造成安全事故的問題。變頻器需要具備較好的再生制動功能，從而可以為加減速度的時間做出良好的調(diào)控，對速度進行控制之后，可以降低因能量的隨機釋放而產(chǎn)生的破壞；第二，對電動機做出速度范圍的調(diào)控，將調(diào)速范圍與調(diào)速模式之間形成一致性，可供操作人員選擇，從而可以適應(yīng)變頻器與周圍環(huán)境的契合度；第三，通信功能對于變頻器而言也極為重要，從而可以更好的實現(xiàn)控制信號的傳遞，提高可控速率的精準(zhǔn)度。

2.2 變頻器的供電方式選擇

使用自動化的電動機來提升軋鋼產(chǎn)線上的各種輥道效率，還可以提高其穩(wěn)定性，然而，如果對每個電動機都做出變頻器的制定，就會增加產(chǎn)線成本，降低利潤的獲取，甚至?xí)?yán)重限制后期生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量提升，無法為整個產(chǎn)線的可持續(xù)發(fā)展做出保障。同時，輥道內(nèi)部的控制器一旦使用數(shù)量較多，就可能會出現(xiàn)后期連接的反饋差異性，從而可能會使能量轉(zhuǎn)化之間的不一致。所以，在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部的線路進行多電機驅(qū)動時，可以采用DC總線電源，如圖1所示。

圖1 公用直流母線主電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 變頻器容量計算

變頻器的額定電流值≥K[N×IMN＋n(IMDN－IMN)]。

式中N一組中的輥道電機數(shù)量。

IMN一輥道電機額定電流（通常為輥道組選擇一個變頻器，并且輥道組中的輥道電動機的型號通常相同，幾乎沒有例外）。

IMDN一輥道電動機堵轉(zhuǎn)電流。

n—可能被阻塞的輥道電機的數(shù)量（可以是電機總數(shù)的一定比例，也可以是輸送對象可以覆蓋的活動輥道的數(shù)量）：

K一系數(shù)，一般取1.1或大于1.1，不言而喻，它與所選取的變頻器的質(zhì)量有關(guān)。

示例：輥道工作臺使用兩個變頻器供電，每個變頻器提供15臺電動機，n選擇5臺。根據(jù)逆變器所需的功能和電源模式選擇6SE7035-1EK60型機柜，額定電流510A，容量250KW，電動機參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場電機讀取。

變頻器容量驗證：510≥1.1[15x16.1+5x(60-16.1)]=507.1

通過計算公式可驗證出，所選取的變頻器符合要求。

3 系統(tǒng)方案

本文選擇鋼鐵廠使用比較廣泛的西門子6SE70變頻器說明。

根據(jù)輥道對驅(qū)動系統(tǒng)的要求，采用西門子6SE70系列變頻器控制電動機的驅(qū)動，采用西門子6SE70系列變頻器的開環(huán)v/f控制方式來實現(xiàn)對變頻器的控制。同時控制輥道電動機的正向和反向旋轉(zhuǎn)，高速和低速的信號可以來自PLC邏輯控制，也可以直接來自控制臺。

3.1 主回路設(shè)計

主回路設(shè)計中主要包含逆變器和各類單元，幫助公共線路功能和效用的最大化發(fā)揮，還可以實現(xiàn)用電機內(nèi)部驅(qū)動器使用的效率提升，為企業(yè)節(jié)約一定的生產(chǎn)成本。其中，主回路部分的具體構(gòu)成要件如下:

3.1.1 熔斷器

熔斷器的主要功能是保護電網(wǎng)內(nèi)部的半導(dǎo)體設(shè)備，甚至對于其它的整流器也有一定的安全輔助功能，但在使用熔斷器的過程時，需要對其做出種類和特征的判別，才可以更好的發(fā)揮短路保護作用功能。

3.1.2 接觸器

接觸器作為變頻器與電源之間的連接裝置，可以更好的對電網(wǎng)進行有效的控制，一旦出現(xiàn)可能會影響正常操作流程的現(xiàn)象時，接觸器就會發(fā)揮作用。

3.1.3 進線濾波器

進線濾波器主要有兩種功能:第一，對變頻器的電壓進行降低；第二，減少整流電源產(chǎn)生的電線干擾。

3.1.4 進線電抗器

進線電抗器主要的功能是降低諧波。

3.1.5 輸出電抗器

輸出電抗器可以有效的對電動機之間減少距離的限制。

3.1.6 正弦波濾波器或dv/dt 濾波器

該濾波器主要作用于上升速率與電壓峰值兩類，起到良好的作用。

3.1.7 輸出接觸器

輸出接觸器可以有效的將電機與變頻器之間進行區(qū)分。

3.1.8 (24V)輔助電源

一旦電源在運輸時出現(xiàn)電路的短路或電源的消失現(xiàn)象時，就需要輔助電源來保證整個電網(wǎng)能夠正常運行。

3.2 控制回路設(shè)計

控制回路設(shè)計主要是對輥道輸送變頻調(diào)速系統(tǒng)進行有效的控制。

3.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行

變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)的整流器和反饋單元的主要工作原理如下圖2所示，從下圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，整流器和反饋單元在具體運作時由三相電源進入，還可以對其它的電子裝置進行有效的操作和參數(shù)調(diào)整。

圖2 整理/回饋單元電氣原理圖

為有效的降低電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波，需要使用電抗器來對整個設(shè)備內(nèi)進行有效的電壓降低。其中，自動變壓器的使用優(yōu)勢表現(xiàn)為：

（1）確保電動機在再生狀態(tài)下可以達到最大轉(zhuǎn)矩。因為，為了防止逆變器運行期間有源逆變器橋的逆變器顛覆，最小逆變器角度βmin約為30°。如果未施加變壓器匹配電壓，則整流器橋在整流狀態(tài)下的最小值αmin也是左右30°，直流母線電壓降低，電動機轉(zhuǎn)矩降低。

（2）電機提前進入弱磁區(qū)域的主要原因在于直流母線的電壓產(chǎn)生了變化，電壓降低是出現(xiàn)該項現(xiàn)象的根本。

（3）在低功率因數(shù)和電網(wǎng)干擾的情況下，有效隔離。

在公共DC總線上，不同負載它們所處的運行狀態(tài)也具有較大差距，目前，總線電壓和電流出現(xiàn)較大變化的主要原因在于總線負載的頻繁制動，這對電路整體會產(chǎn)生惡劣影響，因此必須加強對電壓和電流的有效管理。

直流逆變器主要的工作電壓范圍是280至930V，其工作區(qū)域主要位于不同電壓等級的直流電網(wǎng)。在下圖4.6中展示了當(dāng)前逆變器的主要結(jié)構(gòu)，圖中展示了直流連接線、參數(shù)設(shè)置和操作組成電子版本單元以及控制和調(diào)節(jié)盒這些配件，為了保障電路的使用壽命，弱化電機絕緣老化現(xiàn)象，相關(guān)操作人員。可以在變頻器和電機之間應(yīng)用長電纜，它能有效規(guī)避額外峰值電壓和電流的產(chǎn)生。

DC逆變器簡單來說，不同電壓等級的直流電網(wǎng)是DC逆變器的中央工作環(huán)境，其電壓主要位于（280～930）V之間，在其組成部分中主要有直流連接母線、參數(shù)設(shè)定與操作單元、控制和調(diào)節(jié)的電子版箱等。為了進一步提高DC逆變器的使用效果，參觀工作人員可以應(yīng)用輸出電抗器與du/dt濾波器進行有效調(diào)節(jié)，特別是變頻器與電機在長時間的工作下會產(chǎn)生一定的峰值電壓和峰值電流，最終使得各項元件出現(xiàn)老化故障，減少了當(dāng)前設(shè)備的使用壽命。

在當(dāng)前公用直流母線的應(yīng)用狀態(tài)下，由于受到運行狀態(tài)的影響，會讓裝置設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的負載，最終會引起母線電壓與電流的大規(guī)模變動，破壞母線其它負載的正常運行。為了進一步降低事故發(fā)生的概率，相關(guān)工作人員要及時的調(diào)整電壓電流，確保各項設(shè)備處于正常的運行狀態(tài)。

圖3 逆變器的原理圖

4 結(jié)語

西門子 6SE70系列變頻調(diào)速系統(tǒng)具有方便、靈活、精度高的優(yōu)點，但也需要較高水平的維護和調(diào)試人員。因此作為鋼鐵企業(yè)技術(shù)人員在使用6SE70期間要根據(jù)具體情況和硬件條件，靈活運用西門子6SE70變頻器設(shè)計，變頻調(diào)速系統(tǒng)，并勤于學(xué)習(xí)，以滿足復(fù)雜過程控制的要求。