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摘 要：軋機主傳動要求電氣傳動具有很高的動態響應和相當高的過載能力，這一領域長期以來一直被直流傳動所壟斷。自20世紀70年代起，得益于電力電子技術和微電子技術的高度發展而日新月異的發展，隨著交流傳動控制理論的產生及其應用的推廣，變頻調速技術在其應用領域得到了質的突破。本文主要介紹英威騰IPE200系列變頻器在主軋機上的應用。

關鍵詞：IPE200變頻器 軋機 電氣傳動 整流回饋

一、引言

國內某鋼廠集采選礦、鋼鐵冶煉、鋼材軋制為一體，其中軋鋼生產線集成了當今世界先進的生產工藝和技術，采用了先進的生產管理手段，其工藝裝備和產品檔次均達到國際一流水平。隨著計算機信息技術的快速發展，生產過程對生產效率和生產工藝的要求進一步提高，此鋼廠進一步加大技術改造力度，其扁鋼軋線項目使用英威騰IPE200系列四象限矢量變頻器和S7-300組成整流回饋多傳動控制系統，在系統設計可靠性和工藝要求上達到國內先進水平。本文將對其進行簡單介紹，對英威騰IPE200整流回饋多傳動系統著重說明。

二、應用環境分析

軋機主傳動要求電氣傳動具有很高的動態響應和相當高的過載能力，這一領域長期以來一直被直流電機傳動所壟斷，但由于直流電機存在換向問題，造成換向器、電刷等部件的維護工作量大增，而且直流電機在提高過載能力、降低轉動慣量以及簡化維護方面都受到了很大限制。自20世紀70年代起，隨著交流傳動矢量控制理論的產生及其應用推廣，目前鋼鐵工業全交流化已經在冷板帶連軋機、中厚板軋機、線棒軋機、型鋼軋機、鋼管軋機包括主、輔傳動等領域已經實現，軋機采用交流變頻器越來越多。

軋機傳動對電氣傳動系統的要求： 電氣傳動系統做為電能與機械能的轉換環節，應滿足生產工藝的要求，同時又要適應電網的要求，實現高效率運行和高水平生產。選擇軋機主傳動電機調速系統時考慮一下因素：

1)      滿足工藝要求和傳動系統的性能指標

電機調速系統應滿足軋制材料的生產所要求的軋制功率、轉矩、轉速、調速范圍，根據軋制的最大負荷確定傳動系統的過載能力，同時要考慮電機是否可逆運轉、加減速時間、恒轉矩和恒功率運行的范圍等。而作為電氣傳動系統，還應考慮電機調速控制系統的性能指標、速度控制精度、轉矩或電流控制的動態響應、速度控制的動態響應等。

2)      適應電網要求

根據電氣傳動系統中電機和電力電子交換器的能量交換效率，電力電子交換器注入電網的電流諧波和功率因數是否滿足供電系統的規定和要求，考慮是否增加諧波濾波與無功補償裝置。

扁鋼軋線項目組通過多次技術論證和實地考察，最終選擇了英威騰IPE200整流回饋多傳動方案。

2.1 軋線主電機技術參數

備注：

1)      其中一臺是初軋軋機，帶慣性大飛輪。啟動力矩大，停止慣性大。

2)      通訊要求：DP通訊。

3)      閉環控制：德國倍加福軸套式編碼器，工作電壓DC24V，每周脈沖數1024，數量7個。

2.2  系統調節精度要求

1)       系統調節精度----------0.1%；

2)       靜態速降--------------0.1%（空載）；

3)       動態速降--------------2%（帶載）；

4)       恢復時間--------------200ms。

2.3  變壓器容量

2500kVA 輸出電壓400V

三、系統方案

根據項目特點和應用要求，軋機主傳動等采用英威騰IPE200系列四象限矢量變頻器。IPE200系列四象限矢量變頻器由配電柜、PWM整流回饋柜和逆變柜三部分組成，其中配電柜和PWM整流回饋柜組成變頻器的PWM整流回饋部分，逆變柜則包含了變頻器的逆變部分。用戶可以根據實際需要靈活選配PWM整流回饋部分（包含配電柜和整流柜）和逆變部分。

整流柜由PWM整流單元組成，該整流單元采用三相交流電源輸入，實現了上電預充電功能并可以提供穩定的直流母線電壓。PWM整流單元采用IGBT做整流橋，用高速度、高運算能力的DSP產生PWM控制脈沖。一方面可以調整輸入的功率因數，消除對電網的諧波污染，讓變頻器真正成為“綠色產品”；另一方面可以將電機制動產生的能量回饋到電網，達到節能的效果。

3.1   整流回饋選型

1)      IPE200系列整流器選型及配置

備注：1、進線柜包含隔離開關、框架式自動空氣斷路器、電流互感器、指示儀表等。饋電柜包含濾波電抗器、上電緩沖電路等。

2、由于系統的電流較大（按1920A*2計），整流/回饋裝置分為二組，每組二臺柜，每柜內置3個200kW功率單元，每組1200kW，共計2400kW。四臺柜共12個200kW整流回饋功率單元并聯運行。

2)      整流回饋并聯

3)      PWM整流回饋系統工作原理

PWM整流單元的主回路由主接觸器，預充電電路，LC濾波電路、輸入主電抗器、IGBT功率模塊，電解電容等組成。控制上采用雙閉環控制結構，其外環為母線電壓環，內環為電流環，通過對電源電壓的相位檢測和坐標變換以及PI調節器的調節作用實現對電網輸入電流的有功分量和無功分量的獨立控制，當控制無功電流分量為0值時，就可實現整流器功率因數接近于1和能量的雙向流動。

備注：上圖中AVR為自動電壓調整模塊；ACR為自動電流調整模塊；VD為矢量控制模塊；PWM為脈寬調制；PLL為鎖相環；L1、R1、C1為電源濾波器；L2為升壓電感；R0為上電緩沖電阻；MC為上電緩沖接觸器；Edc為母線電壓，其中帶“*”的為設定值，不帶的為檢測值，θ為網側電壓相位角。

PWM整流回饋單元通過自動電壓調節器（AVR）調節整流器輸出母線電壓，維持母線電壓為一個恒定的設定值；同時自動電壓調節器（AVR）的輸出作為自動電流調節器（ACR）的輸入，PWM整流器根據所檢測的三相電流來控制自動電流調節器（ACR）的輸出。PWM整流器檢測三相輸入電壓，并通過鎖相環（PLL）來計算電網的實時相位，保證PWM整流器輸出的電壓相位與電網實際相位同步，前面所提到的自動電流調節器（ACR）的輸出通過空間電壓矢量調制方式轉換為控制IGBT的驅動信號，實現PWM整流器的控制。

PWM整流回饋部分與逆變部分一起組成四象限變頻器，四象限變頻器的典型應用場合是具有位勢負載的場合，例如提升機，機車牽引，油田磕頭機，離心機等，有些大功率的應用中，也需要四象限變頻以減小對電網的諧波污染。采用帶有PWM控制整流器的變頻器具有四象限運行的功能，能滿足各種位勢負載的調速要求，可將電機的再生能量轉化為電能送回電網，達到最大限度的節能目的。

整流回饋部分對交流電源過壓、缺相故障、IGBT模塊過熱、過流、過載、預充電之前的整流單元控制電源進行監控，出現任何故障時都會導致整流單元封鎖驅動脈沖并發出一個故障信號。通過交流電源或控制電源的重新上電可復位故障信號。

3.2   逆變傳動選型

1)      IPE200系列逆變柜選型及配置

2)      共直流母線

PWM整流回饋部分將三相交流電整流為直流電向直流母線電路供電，直流電路向驅動電機的逆變器供電。直流電路可以只連接一個逆變單元，也可以連接多個逆變單元，具體用戶可以靈活配置。

四、現場設備系統調試

主控臺通過操作臺及上位機對整個軋線進行集中控制和監控，S7-300通過Profibus-DP現場總線與變頻器進行動態數據的交換，完成整個軋線的速度級聯控制。上位機在線實時了解變頻器運行狀態，所有數據在屏幕上一目了然。調試后效果顯示集中操作非常簡便，系統運行穩定可靠集成度提高，產品質量和生產效率也大大提高。

4.1   軋線系統結構圖

以下為采用英威騰公司IPE200四象限產品的軋線系統結構圖。

4.2   上位機組態

4.3   設備調試

列舉K5軋輥的帶載運行圖，動態響應在500ms，滿足生產需求。

圖表說明：紅色---速度跌落 棕色---轉矩電流
 

現場設備圖片

五、結束語

英威騰IPE200交流傳動系統在扁鋼生產線軋機主傳動上的成功運用，是國產變頻器在軋鋼生產線上成功嘗試，大幅提高了生產線的運行效率；由于采用了PWM整流器，提高了變頻系統輸入的功率因數，降低惡劣系統對電網的諧波污染，讓變頻器真正成為“綠色產品”；同時由于變頻可以四象限運行，因而可以將電機制動產生的能量回饋到電網，達到節能的效果。IPE200交流傳動系統以其先進性、可靠性和穩定性贏得了客戶的認同；也提高了企業產品的產量和質量，滿足了生產工藝要求，進而提高了產品效益。

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[5]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制，北京:機械工業出版社，2003

[6]《IPE200系列四象限矢量變頻器說明書》  深圳英威騰電氣股份有限公司

關于英威騰：

英威騰，成立于2002年，致力于成為全球領先、受人尊敬的電氣傳動、工業控制、新能源領域的產品與服務供應商，2010年在深交所A股上市，股票代碼：002334。英威騰是國家火炬計劃重點高新技術企業，目前擁有11家控股子公司，依托于電力電子、自動控制、電機控制、節能環保、物聯網、信息化等關鍵技術的掌握，主要產品涵括高、中、低壓變頻器、電梯智能整體機、伺服系統、PLC、HMI、電機和電主軸、SVG、UPS、光伏逆變器等。英威騰現有員工1600多人，大型生產基地4個，營銷網絡遍布國內及海外60多個國家和地區。