棒线厂加热炉输出悬臂辊道变频改造方案.doc

武钢集团昆明钢铁股份有限公司棒线厂第一作业区加热炉输出悬臂辊变频调速系统改造方 案云南源西自控技术有限公司2012年9月6日一、前言第一作业区是昆钢棒线厂主力螺纹钢生产线，目前产量已经到了相当规模。在稳定产量的基础上，进一步提高产能,提高经济效益，有些电气设备的优化改造十分有必要。二、变频器品牌选择本方案变频器选用ABB公司的交流变频器ACS800。理由如下:1、 ABB公司作为专业生产变频器的厂家，技术先进，产品质量先进可靠。特别是ACS800直接转矩（DTC）控制概念，广泛用于重载应用启动场合。2、 入炉悬臂辊采用的是ABB变频器，从使用情况和节约备件的角度考虑选用ABB变频器适合。3、 ABB公司的变频器在冶金、建材、起重、轮船、矿山等行业有广泛的应用。三、加热炉输入输出辊道负载特性及电机运行状态分析加热炉悬臂辊负载特性是典型的重载负载。辊道运行时，电动机的电磁转矩要克服负载转矩能量，故电动机工作处于电动运行状态。停机、正反向切换时，故电动机处于能耗制动状态。 四、变频器技术分析及变频器的选型对于辊道这类重型负载，主要是要提高起动速度、正反向的切换能力、及高速下制动能力。目前在变频器有两项技术在此类负载应用较好，直接转矩控制及矢量控制。直接转矩控制用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的转矩。与矢量控制技术相比，直接转矩控制掘弃了解耦控制的思想，通过检测母线电压和定子电流，在定子坐标下直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。ABB公司的ACS800变频器应用此项技术比较成熟，应用较为广泛。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。 上述两种变频器各有特点，根据昆钢电气设备的使用情况及以后备件方面的考虑，本方案选用ABB公司ACS800工程型变频器作为此方案的主要控制设备。五、系统改造方案控制原理图(出炉输出悬臂辊)5.1 电机加热炉出炉输出悬臂辊10*4KW 10台电机5.2 变频器容量的选择加热炉输入、输出辊道电机平均起动转矩一般为额定转矩的1.21.3倍，考虑到电源电压波动及需要通过110%额定负载的动载试验要求等因素，其最大电流应是负载转电流1.5倍，以确保安全使用，为此可通过提高变频器容量来获得200%负载力矩值，变频器容量应按下式计算:PcNKkPm/,式中:PcN为变频器容量(kW);K为过载系数，K=1.8-2.0;Pm为提升额定负载所需的功率;为电机效率，=0.85;为电机功率因数,0.75;k为电流波形补偿系数，由于变频器的输出波形不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，k1.051.1，同时保证IcNIm(式中IcN为变频器额定电流A;Im为电机额定电流A)。5.3 制动单元的选择加热炉输入输出辊道电机快速制动时，由于重力加速度的原因，电机的旋转速度将超过变频器输出频率所对应的同步转速，电机处于发电制动状态，负载的机械能将被转换成电能，并被反馈给变频器。变频器直流回路的电容因充电而使用电压升高，为不使电压过高而导致变频器的过压保护电路动作切断变频器的输出，可在其直流电路通过设一三极管，当电压超过一定界限时，制动三极管将过剩的电能通过与之相接的电阻消耗掉。制动力矩TB按下式计算，TB=(Jm+JL)(n1n2)/9.55tsTL式中:Jm为电机转动惯量，kg.m2;JL为负载转动惯量(折算至电动机轴)，kg.m2;n1为减速开始时转速，r/min;n2为制动后的转速，r/min;ts为制动时间，S;TL为负载转矩，N.m。制动电阻平均消耗功率PB的确定为:PB=0.1047(TB0.2Tm)n1/n2103(kw) 式中:Tm为电机额定转矩，N.m。制动电阻R按下式计算:R=Vd2/PB，式中:Vd为直流电路电压，Vd=513V。5.4 变频器的选择加热炉悬臂辊电机机械的运转具有大惯性运行的特点，与其他普通传动相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求，ACS800系列变频是专为机械重载应用的工程型变频器。5 5 程序修改程序修改主要完成以下部分：1、 传动网PROFIBUS重新配置修改，根据ACS800变频器的特点，重新配置通讯控制字、状态字，对PLC与变频器之间通讯控制程序进行修改。2、 根据工艺控制要求，优化PLC控制程序、修改PLC控制程序。3、 修改监控系统WINCC监控画面操作变量换算关系表，报警监控信息重新定义。六、改造设备清单序号名称规格型号单位数量1变频