西門子sm150變頻器的性能特點(diǎn)及中厚板軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

1 、引言

中厚板軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速方案有直流調(diào)速、交交變頻調(diào)速、交直交變頻調(diào)速等，每種調(diào)速方案均能滿足大功率可逆運(yùn)行、過載能力強(qiáng)、控制精度高、響應(yīng)速度快、力矩脈動(dòng)小等軋鋼工藝要求。由于直流電機(jī)維護(hù)量大且較復(fù)雜，已很少在新項(xiàng)目中采用直流調(diào)速方案；交交變頻系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波干擾和無功沖擊，嚴(yán)重影響到供電電網(wǎng)的質(zhì)量和效率，需設(shè)置相應(yīng)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，影響了該調(diào)速方案的性價(jià)比。隨著電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，采用igct或igbt的交直交三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)在大容量調(diào)速領(lǐng)域逐步發(fā)展成熟起來，它克服了交交變頻系統(tǒng)的缺點(diǎn)，很好地滿足了電網(wǎng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求，對(duì)電網(wǎng)無污染。

目前，西門子、abb等公司分別推出了各自具有代表性的交直交三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)，本文以西門子公司的sinamics sm150系統(tǒng)為例介紹其在軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2、 厚板軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的選型

西門子公司推出的中壓變頻調(diào)速裝置sinamics sm150系列，使2.3kv-7.2kv的大功率中壓變頻調(diào)速裝置獲得高動(dòng)態(tài)性能成為可能。它通過一個(gè)真正的標(biāo)準(zhǔn)程序，對(duì)0－9000rpm范圍內(nèi)的傳動(dòng)速度進(jìn)行精確的控制。

由于采用成熟可靠的高壓igct器件，使sinamics sm150系列中壓變頻器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，而且可靠性極高。電壓源型矢量控制技術(shù)，高功率因數(shù)，三電平設(shè)計(jì)，擁有靈活強(qiáng)大的通訊功能，并可根據(jù)工藝要求提供多種選件。

sinamics sm150系列中壓變頻器整流和逆變的功率元件采用相同的設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)完全一致，采用獨(dú)立的水冷單元進(jìn)行系統(tǒng)冷卻，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的噪聲。

sm150是帶有源前端、可以四象限運(yùn)行的高性能變頻器，用的是中點(diǎn)鉗位的三電平結(jié)構(gòu)。sm150控制核心使用了simotion d445控制器。其最大單臺(tái)功率為10mva，3臺(tái)直接并聯(lián)起來可構(gòu)成28mva的逆變器。sm150也可以構(gòu)成一個(gè)公共直流母線帶幾個(gè)逆變器的系統(tǒng)。

sm150典型的功率元件圖如圖1所示。

某鋼鐵公司新建4300中厚板生產(chǎn)線一條，采用雙四輥軋機(jī)、可逆軋制工藝布置，粗軋機(jī)主電機(jī)為兩臺(tái)7500kw、3050v的同步電動(dòng)機(jī)，雙繞組結(jié)構(gòu)，空水冷卻方式，額定電流為2×740.8a，轉(zhuǎn)速為0-40-80rpm，額定勵(lì)磁電流為628.2a，最大勵(lì)磁電流為1269.2a；精軋機(jī)主電機(jī)為兩臺(tái)9000kw、3150v的同步電動(dòng)機(jī)，三繞組結(jié)構(gòu)，空水冷卻方式，額定電流為3×574a，轉(zhuǎn)速為0-55-120rpm，額定勵(lì)磁電流為514a，最大勵(lì)磁電流為1743a。主傳動(dòng)系統(tǒng)采用sm150并聯(lián)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主回路拓?fù)鋱D如圖2、圖3所示。

3 、sm150 的系統(tǒng)構(gòu)成

sm150中壓變頻裝置主要由硬件結(jié)構(gòu)相同的整流、逆變功率單元以及水冷單元、勵(lì)磁單元、控制單元、檢測模塊、接口系統(tǒng)等組成。其全貌圖如圖4所示。

sm150的整流、逆變單元均由相模塊構(gòu)成，每個(gè)相模塊主要由四塊igct組成，整流單元帶有有源前端；水冷單元主要由熱交換裝置、去離子裝置、泵系統(tǒng)等構(gòu)成；勵(lì)磁單元采用simoreg dc-master 6ra70裝置；控制單元主要由simotion d d445組成，控制模塊d445包含和傳動(dòng)其他部分通訊的以太網(wǎng)接口、dp接口、drive-cliq接口、軟件和傳動(dòng)程序等，其控制及接口拓?fù)鋱D如圖5所示。

檢測模塊主要包括速度檢測模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊、電壓傳感模塊等組成。

接口系統(tǒng)包括與進(jìn)線變壓器、進(jìn)線斷路器、勵(lì)磁系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)、無負(fù)荷接觸器、遠(yuǎn)程站、pda等系統(tǒng)間的接口，連接方式有硬線連接、以太網(wǎng)通訊、dp通訊、drive-cliq通訊等。其中dp通訊方式采用較為廣泛，以精軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)為例，dp通訊配置拓?fù)鋱D如圖6所示。

4 、sm150主要功能

sm150作為西門子公司新一代高性能交直交三電平矢量控制變頻裝置能夠很好地滿足中厚板軋機(jī)的各種工藝控制要求，實(shí)現(xiàn)方法簡單，設(shè)置靈活，其主要功能包括：

靈活的電機(jī)保護(hù)功能。允許電機(jī)過載115%長期運(yùn)行，電機(jī)過載225%運(yùn)行60秒，電機(jī)過載250%運(yùn)行20秒，電機(jī)過載275%產(chǎn)生速斷，保護(hù)電機(jī)不受損害。

對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)的控制性能。有速度反饋時(shí)的最大輸出頻率為90hz，弱磁調(diào)速范圍為1:4，速度控制精度為±0.01%，力矩控制精度為±2%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為5ms。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，效率高。

傳動(dòng)控制功能。主要包括矢量控制、速度控制、同步電機(jī)勵(lì)磁控制、傳動(dòng)順序控制、動(dòng)態(tài)速降補(bǔ)償、雪橇板特性控制、負(fù)荷平衡控制、軸定位控制、變壓器運(yùn)行監(jiān)視、基于數(shù)學(xué)模型的電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)視、參數(shù)化的系統(tǒng)配置、系統(tǒng)診斷功能、波形監(jiān)視功能、輔助系統(tǒng)（進(jìn)線斷路器、電機(jī)的空間加熱器、電機(jī)冷卻、電機(jī)潤滑、軸瓦溫度等）控制功能、與自動(dòng)化系統(tǒng)的接口等。

另外，sm150的變換效率為0.99，具有可調(diào)的功率因數(shù)，功率因數(shù)可達(dá)到0.99。igct的開關(guān)頻率為200hz，功耗小。

5 、sm150 的系統(tǒng)調(diào)試

sm150系統(tǒng)的調(diào)試需要具備一定的專業(yè)知識(shí)并經(jīng)過相關(guān)的技術(shù)培訓(xùn)。sm150系統(tǒng)的調(diào)試需要一定的軟件環(huán)境，包括step7、simotion scout、simotion dcc（cfc for simotion）、wincc flexible、drive es等。

調(diào)試準(zhǔn)備。主要包括軟件環(huán)境的搭建、sm150固件版本的確認(rèn)、cf卡內(nèi)容的檢查確認(rèn)及備份、項(xiàng)目的創(chuàng)建、調(diào)試工具的準(zhǔn)備、調(diào)試所需數(shù)據(jù)及資料的準(zhǔn)備等。

初步檢查調(diào)試。初步調(diào)試的主要內(nèi)容包括柜內(nèi)開關(guān)、熔斷器、輔助電源的檢查；電纜的標(biāo)識(shí)；控制回路送電后各單元的狀態(tài)檢查；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的搭建及連接測試；psa stamp；acx數(shù)據(jù)的上裝與下載；系統(tǒng)配置拓?fù)鋱D的檢查；單元設(shè)備固件的更新；軟件的保護(hù)；工程庫的安裝；運(yùn)行時(shí)序的配置；整流單元通訊字的配置等。

功率柜的檢查。主要包括功率柜門的檢查及柜內(nèi)控制部分的檢查測試；接地開關(guān)的檢查測試；絕緣測試（變壓器出線側(cè)及電動(dòng)機(jī)繞組等的絕緣測試）等。

整流單元的調(diào)試。在測試模式下調(diào)試輔助風(fēng)機(jī)、門觸發(fā)電壓、線路開關(guān)、短路開關(guān)、預(yù)充電系統(tǒng)等；高壓送電后相位角的測量、電氣角度偏移量的計(jì)算與補(bǔ)償?shù)?；系統(tǒng)的辨識(shí)，主要包括觸發(fā)脈沖的移相與增益、變壓器的短路容量、直流母線連接電容的辨識(shí)、能量回饋的辨識(shí)、直流母線電壓的辨識(shí)等；預(yù)控系統(tǒng)的調(diào)試；控制單元間通訊的調(diào)試等。

電機(jī)模塊的調(diào)試。主要包括電機(jī)參數(shù)的設(shè)定；測速編碼器參數(shù)的設(shè)定；轉(zhuǎn)子電氣位置的定位；傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速模式的設(shè)定；機(jī)械因子的設(shè)定；勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)試；矢量控制的相關(guān)設(shè)置；各種限幅及保護(hù)值的設(shè)定；實(shí)際值得標(biāo)定；本地操作的相關(guān)設(shè)置；弱磁范圍的調(diào)試；系統(tǒng)性能的優(yōu)化調(diào)試等。

與自動(dòng)化系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試。主要包括兩者間的通訊調(diào)試、接口表的測試、轉(zhuǎn)子定位、負(fù)荷平衡、雪橇板控制、pda、故障信息等。

6、 結(jié)束語

sm150中壓變頻裝置在厚板產(chǎn)線應(yīng)用兩年來運(yùn)行穩(wěn)定，動(dòng)靜態(tài)性能良好，故障率低，維護(hù)量小且維護(hù)方便，能夠滿足厚板產(chǎn)線主傳動(dòng)的生產(chǎn)工藝要求。（網(wǎng)絡(luò)）

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