直流主传动控制系统在热连轧粗轧机中应用

1、直流调速在热连轧粗轧机主传动中的应用直流大容量控制系统的应用摘 要轧机主传动装置的作用是将电动机的运动和力矩传递给轧辊，使其旋转，实现对钢坯的轧制。目前国内全部中宽带（800mm1000mm）热连轧和80%的1250mm宽带热连轧主传动均由直流电机拖动，直流调速装置控制。由于直流传动优异的控制性能及较高的性价比，使其在轧机主传动等大容量变速传动领域占据一定的市场份额。众所周知，直流电机的转速容易控制和调节。在额定转速以下，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁电流的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静

2、、动态调速特性。对于轧机主传动等大容量直流电机可控硅整流装置，为了减轻对电网的干扰，特别是减少谐波分量，可以将两组三相整流桥串联或并联，构成12脉波整流装置对电动机供电，一般多采用并联方案。即用一台三绕组变压器，一次绕组接成三角形或星形，二次绕组一个接成三角形，一个接成星形。则这两个绕组相位相差30°，两个绕组分别供电给两个三相整流桥，这两个整流电路的输出通过平波电抗器并联后向直流电动机供电。本文以850mm热连轧R1粗轧机主传动为研究对象，构建晶闸管变流器的主电路方案，提出了主电路变压器、晶闸管、电抗器等控制元件参数的计算数据，并设计了系统的过压、过流、接地、超速等保护。文章最后设

3、计了该套直流传动系统的原理图及主要调试参数。1 热轧带钢轧机及生产技术热轧带钢轧机生产的热轧板卷，不仅可以供薄板和中板直接使用，还可以作为下道工序冷轧、焊管、冷弯型钢的原料。带钢热连轧机自50年代起，在世界范围内已成为带钢生产的主要形式。带钢热连轧机具有轧制速度高、产量高、自动化程度高的特点，轧制速度50年代为1012ms，70年代已达 1830ms。产品规格也由生产厚度为 28mm、宽度小于 2000mm的成卷带钢，扩大到生产厚度1220mm、宽度2500mm的带钢。带卷重量的加大和作业率的提高，使现有的带钢热连轧机年产量达350600万t，最大卷重也由15t增加到70t。坯料尺寸及重量加大

4、，要求设置更多的工作机座，过去的粗轧机组和精轧机组的工作机座分别为24架和56架，现已分别增加到46架和78架，轧机尺寸也相应增加。90年代以来，钢铁生产短流程迅速开发和推广，薄板坯（或中厚板坯）连铸连轧工艺的出现，正在改变着传统的热连轧机市场。连铸连轧技术是将钢的凝固成型与变形成型两个工序衔接起来，将连铸坯在热状态下继续送入精轧机组，直接轧制成带卷产品。德国西马克公司的CSP技术、德马克公司的ISP技术、奥钢联开发的Conroll技术等都已有用户采用。2 850mm热连轧粗轧机电机参数R1粗轧电机基本参数型号：Z3200/1350功率：5500KW电压：DC1000V电流：6180A转速：4

5、0/80rpm励磁电压：DC110V励磁电流：260A过载：250%/60s, 275%切断3 粗轧机主传动控制系统的构成3.1 粗轧机主传动对控制系统的要求1) 能实现频繁的快速正反转。2) 系统响应的快速性，电流响应时间15ms，速度响应时间100ms，稳 态速度调节精度0.05%，速度动态当量0.3%S。3) 12相电流平衡，最大电流差值1%。4) 传动系统过载能力强，最大过载达到2.5-3倍。3.2 系统的设计方案3.2.1 主回路设计方案 主轧机电动机电枢回路采用分裂式三绕组整流变压器供电，电动机由十二相整流器控制；整流变压器为双付边相位差30度，直流侧角组和星组电枢整流回路设单独平

6、波电抗器，直流侧采用快速开关。励磁回路采用一台整流变压器供电，变流器为SIMENS公司的6RA70单向限直流调速装置。3.2.2 控制系统设计方案控制系统由两台6RA70全数字控制装置构成十二相整流控制系统。这两台控制器采用主从控制方式，即主控制器为速度环和电流环构成的双闭环系统，从控制器为电流环控制的单环系统，从控制器接收主控制器的电流给定。SIMOREG DC-MASTER 6RA70系列全数字调速系统采用两个高效能的微处理器(C163和C167)承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能。调节功能在软件中通过参数构成的程序模块来实现，从而得到非常精确的速度和转矩控制。所有的控制、调节、监

7、控及附加功能都由微处理器来实现，系统结构可软件组态，可以对电流调节器、速度调节器、励磁电流调节器、电动机磁化曲线等进行自动优化，从而实现系统的最佳控制。传动装置本身具有完善的故障诊断、报警、显示和保护功能。给定和反馈可以为数字量或模拟量。具有2象限和4象限设计可供各种工业应用选择。6RA70调速系统具有基于Windows下的SIMOVIS友好界面，BICO技术使用户在信号、参数连接和改变上更为方便。3.2.3 十二相整流的优势1. 减小传动系统特别是大功率传动系统对电网的影响。2. 加大输出电流的容量。由两个六相整流器并联连接成十二相整流器时输出电流是六 相整流器的两倍。3. 减小电流纹波，减

8、小转矩脉动。3.2.4 十二相整流需要注意的问题1. 12相并联系统如何计算电枢阻抗P110、感抗P111和电机额定电流P100。 P110=(电机电枢阻抗*直接并联装置个数)+均流电抗器的阻抗P111=(电机电枢感抗*直接并联装置个数)+均流电抗器的感抗P100=电机额定电流/直接并联装置个数2. 正反桥切换时的环流电流的控制在6相控制系统中，当从正桥工作状态需要切换到反桥工作时，首先改变电流给定的极性，当正桥实际电流降到零时，控制器得到零电流信号。然后控制器经过1ms-2ms的延时，释放反桥脉冲，反桥开始工作。这样就避免了在同一个脉冲周期3.3ms（50Hz）内正反桥脉冲同时出现。12相控

9、制系统中，需要同时保证星桥和角桥电流大小、触发角、电流方向改变等一致性。控制系统在得到零电流信号时会发出并联驱动装置转矩方向使能信号，这个信号通过装置对装置通讯发到对方的转矩方向使能的连接器。3. 动态响应的延时星桥和角桥30°的相位差会导致0.5个扫描周期的延时。主从系统中电流给定和实际电流的传输会导致1-2个扫描周期的延时。4. 12相控制从动整流器的点火脉冲应该迟于主动整流器点火脉冲30°，宽脉冲（脉冲持续至下个脉冲前约0.1ms）每隔30°便输出到两套装置的电枢触发装置上，以确保在电枢电流脉动时也能流过电流。5. 电枢电流调节器的预控制应从6脉冲运行切换到

10、12脉冲运行，预控制的EMF给定值为电动机总的EMF值。3.3 传动控制系统的功能-传动起停控制及运行监控-速度控制-电枢电流控制-弱磁时的电压控制-励磁电流控制-主轴定位控制-待钢弱磁爬行控制（6rpm）-联网通讯接口3.3.1 速度控制 速度控制主要考虑轧制道次改变时的速度方向的变化。在轧制奇数道次时，轧机首先以等待速度运行，入口推床检得钢坯时，轧机加速到轧制速度，当轧机抛钢后，轧机减速到零。在轧制偶数道次时，轧机首先以等待速度运行，当钢坯到达轧机出口推床后，轧机加速到轧制速度，当轧机抛钢后，轧机减速到零，只是在轧制偶数道次时，速度给定的方向正好和奇数道次时的相反。给定曲线由轧线L1系统完

11、成。3.3.2 电枢电流控制电枢电流控制是指电枢电流的自动闭环控制。根据速度调节器的输出（力矩给定），与电枢电流反馈（与磁通的乘积）转换的电机转矩形成闭环控制，以实现电机电枢电流控制。3.3.3 弱磁时的电压控制 电压控制是指电枢电压的自动闭环控制。电势设定按电机的额定参数计算，即En = Un InR；而电势实际值E = U IR L*di/dt（或E=Cen），根据电枢端电压值U、电枢电流值I及di/dt采样值或励磁磁通计算值、速度采样值n，即可计算出来，从而实现弱磁时的电压自动控制。3.3.4 励磁电流控制 励磁电流控制是指励磁电流的自动闭环控制。根据电势调节器的输出（励磁磁通给定），与

12、励磁电流反馈转换的电机磁通形成磁通闭环控制，以实现励磁电流控制。3.3.5 主轴定位控制 轧机主轴定位控制，为便于换辊控制。一般在轧机正常停车时，轧辊扁头都会自动定位，以便于轧机换辊。特殊情况下，可通过轧机扁头定位按钮操作，轧辊会自动找位停机，以便换辊。主轴定位控制由轧线L1系统完成。3.3.6 待钢弱磁爬行控制（6rpm）待钢弱磁爬行控制，为主传动系统在小磁场设定情况下，低速运行，等待轧钢的一种特殊的工况。一旦系统接受到有钢信号，马上升到设定咬钢速度，进行正常轧制。3.3.7 继电操作系统与保护 主电机操作顺序控制 电枢回路开关操作及各辅助设备的起停控制 与主传动有关的所有故障信号的检查与继

13、电器保护 继电器保护系统的设计原则为： 对于故障进行综合分类处理 轻故障：系统报警 次重故障：发出停车信号 重故障：紧急停车，跳闸快速开关、紧急停车及各辅助设备的操作可在控制柜及HMI上分别进行。3.3.8 联网通讯接口系统联网通讯功能，主要指6RA70调速系统内部通讯及6RA70调速系统与外部系统的通讯功能。1）6RA70调速系统内部的通讯主要有星桥与角桥控制系统之间的通讯，采用USS协议的主从通讯方式，实现两台控制系统之间的高速的数据交换。2）主控制器与励磁控制器的通讯，即由主控制器给出励磁给定发给励磁控制器。3）6RA70调速系统与外围系统之间的通讯，主要是指主轧机控制器与轧区联锁PLC

14、之间的通讯，此通讯为PROFIBUS-DP网通讯，实现主传动系统与速度主令PLC之间的数据交换。3.4 控制系统单线图及框图- 19 -4 系统设计计算直流传动主回路设备通常包括：整流变压器(或交流进线电抗器)、晶闸管变流器、直流滤波电抗器、交直流侧过压吸收装置、过电流保护等。4.1 整流变压器的计算4.1.1 整流电压的原始方程假定：(1)整流回路的电感足够大；(2)忽略变压器及主电路的馈线电阻。则 （1-1）式中：-变流器输出电压平均值（V） -整流电压计算系数，双并三相全控桥为2.34-换向电抗压降计算系数，双并三相全控桥为0.259b-电网电压波动系数，无特殊要求时取0.95-最小触发

15、延迟角，取0.851.0e-变压器阻抗电压百分数-变压器允许过载系数-变压器二次相电压（V）-晶闸管正向瞬态压降，取1.5Vn-电流通过晶闸管的器件数4.1.2 整流变压器的二次相电压的计算对于电压调节系统按式（1-1），变流器的输出电压等于电动机额定电压，即变压器的二次相电压计算如下：其它参数：b=0.95，cos=0.94（=20°），采用速度调节系数电压调节裕度，则：=609V当变压器二次为连接时，二次线电压V4.1.3 变压器的二次相电流计算二次绕组按Y连接，有，故二次绕组按连接，有4.1.4 变压器的容量计算1) 一次容量：其中 ，,，空载输出电压V所以 2) 二次容量：2

16、) 等值容量：=9060KVA4.1.5 整流变压器的参数1). 数量： 1 台2). 容量： 9000KVA3). 接线方式 /-12、Y-114). 一次侧线电压： 50Hz、10KV、±2×2.5抽头、无载倒换线电流： 504A5). 二次侧接线方式绕组 线电压： 1000V 线电流： 2521A 相电流： 1456A6). 二次侧Y接线方式绕组 线电压： 1000V 相电压： 609V 相电流： 2521A7). 短路阻抗： 8%8). 负荷等级： C级 115%连续、225 10秒、275 跳闸（2秒）9). 工作制等级： T3 温升60、 极热点 12010).

17、 屏蔽方式：一、二次之间及二次绕组之间加屏蔽层并引出11). 冷却方式:油浸、自然冷却。12). 辅助电接点：电接点温度计，轻、重瓦斯继电器。13). 安装型式：户内安装4.2 晶闸管的选择方法晶闸管额定电压（反向重复峰值电压）的选择，除取决于变流器供电的交流电压外，还与变流器换向过程以及正常操作和事故切断电路时可能出现的各类过电压有关。此外，设计时还应根据装置使用场合的重要程度留有足够的安全裕度。器件的额定电流与通过器件的电流波形以及冷却介质情况、散热器材料和外形尺寸等相关。选用时除根据传动电动机的负载图计算等效结温外，还必须注意到，晶闸管自身的热容量很小，在承受短时的事故及过载电流条件下应

18、不致造成损坏。正确选择晶闸管的额定参数，不仅关系到变流系统设计的经济合理性，亦为正确使用晶闸管以及变流装置的可靠运行奠定了良好的基础。晶闸管额定电压考虑到晶闸管在恢复阻断时所引起的换向过电压，以及在操作和事故过程中所产生的各类过电压的影响，在计算和选择晶闸管的额定电压时，必须考虑额定的电压安全系数，其数值大小与器件质量及使用场所有关，一般取23倍之间。本系统选用晶闸管额定电压=4000V电压安全系数为晶闸管额定电流 在额定情况下流过整流元件的电流有效值I和额定电流（通态平均电流）的关系为为使元件不因过热而损坏，在实际计算中要考虑安全系数（1.52）。另外，如果通过整流元件的电流波形不同，其有效

19、值与平均值的比值也不同。本系统所选晶闸管通态平均电流对于一个KP2800A的三相全控桥来说，在额定电流情况下可以输出电流：由于是四组三相全控桥供电，考虑到负荷不平衡系数0.95，则整个整流装置可以输出电流电机最大过载电流为：则变流装置的电流裕量为：4.3 直流侧电抗器的计算整流装置直流侧采用电抗器的作用和目的有如下几条：1) 双桥并联时起到平波均流作用2) 减小电流连续时的最小工作电流3) 限制电流脉动4) 减小故障时的电流上升率和电流峰值对于全数字直流调速系统，一般最小连续电流取20%电机的额定电流，即 电抗器电感为： 电抗器电流为：，过载115%/长期，250%/60S5 系统保护5.1

20、过电压保护 晶闸管在正常工作时承受的最大峰值电压，凡是超过这个峰值电压都算过电压,过电压有两种。 一种称操作过电压, 由晶闸管装置的拉闸、合闸和元件关断等电磁过程引起的过电压, 过电压保护应使这种经常发生的操作过电压限制在元件额定电压以下，这里， 倍 另一种过电压是由于雷击等原因从电网侵入的偶然性浪涌电压，它可能比操作过电压还要高，过电压保护应该使这种偶然性的浪涌电压限制在元件的断态和反向不重复峰值电压和以下。 由于(、)min= 所以这个电压为：4000V/80%=5000（V），这个电压为晶闸管承受峰值电压的5000/1414=3.54倍。下面分别叙述各种过电压保护措施。5.1.1 交流侧

21、过电压1.避雷器对于大气雷电所产生的过电压，要求在变压器初级接上避雷器，它主要是保护变压器。2.接地电容保护由高压电源供电的变压器，在合闸的瞬间，由于初级和次级绕组之间存在分布电容，初级绕组的高压经此分布电容耦合到次级绕组造成过电压，如果没有任何保护措施，会产生过高的过电压。为此，在次级绕组上并联CH61-0.22uF/2KV的电容器, 可以显著地减小这种过电压。电容器安装在变压器室，离整流变压器尽可能近一些。3.阻容保护接在交流侧的阻容保护，采用星形接法，变压器激磁电流按0.4考虑，对于大容量变流器,有 考虑到过载时整流变压器储能比较大和直流侧过电压的影响, 实际取： C=6uF，型号：高压

22、电容器，CH61型, 6KV/6uF R=12，型号：无感电阻，RXHG20-2.5KW-124.SPD过电压吸收保护器 阻容保护装置只能把操作过电压抑制在允许范围内，当发生雷击或从电网侵入更高的浪涌电压时，虽有阻容保护，过电压仍会突破允许值。因此，还需采用压敏电阻保护。近几年来，大中功率半导体器件(二极管、晶闸管、GTO、IGBT等)普遍采用SPD过电压吸收保护器，取代传统的阻容吸收装置加压敏电阻。考虑到变压器二次线电压为1000V， 选用SPD过电压吸收保护器 型号：SVP-50KJ-2000V 其中，容量S=50KJ，按生产厂家的选型表选择； 标称电压Ua=2=2000V，标称能量容量5

23、0KJ。5.1.2 晶闸管关断过电压 晶闸管关断时，有一个很大的di/dt，此时由于变压器漏感的影响，过电压作用于关断的晶闸管上，这个过电压可达工作电压峰值的56倍。因此，在晶闸管两端并联阻容，使电流通过RC支路续流，则可以减少许多，从而抑制了过电压。 经过长期工程经验的总结，得到了一系列的换向电阻、换向电容的选配方法，这里： R=100W/25 C=1uF/1500V5.1.3 直流侧过电压1. RC吸收电路 由于快熔熔断, 直流回路电感(电抗器、电机等)所储能量释放时会在直流母线之间造成过电压；或者快开切断过载电流时，变压器储能释放产生的过电压，交流侧虽能适当地抑制这种过电压，但过载时变压

24、器储能比空载时储能大，过电压还会通过导通着的晶闸管反映到直流侧来，所以需要在直流母线之间接入过电压保护装置。仍然采用RC吸收电路. 根据实际经验选取：C=12uF，R=6。 C=6uF 型号：高压电容器，CH61型， 6KV/6uF，两并 R=12 型号：无感电阻，RXHG20-2.5KW-12，两并2. SPD过电压吸收保护器选择和交流侧吸收装置一样,即 标称电压Ua=2=2000V，标称能量容量50KJ。过电流保护 晶闸管在短时间内能够承受一定的过电流而不损坏。但是短路或过载时过电流数值较大，如果切断时间稍慢，就会造成晶闸管的损坏，发生过电流的原因有： · 生产机械过负载

25、83; 晶闸管装置直流侧短路 · 产生环流和逆变失败 · 某一元件击穿短路5.2 直流侧短路对策1. 采用漏抗较大的变压器(或额定压降大于4%的进线电抗器)限制短路电流 这里 Uk%=8%2. 采用直流快速开关 在发生故障时, 快速开关比快速熔断器先动作, 尽量避免快熔熔断. 快开机构动作时间只有4mS, 过电压小于2倍. 这里选用: DS14-63/15，交流220V操作，整定范围为6000A12000A. 预整定按电机额定电流一半的2.5倍，整定为DC7725A3. 限幅过流 电流互感器检测交流侧电流信号, 通过电子元件输入控制系统，控制系统按2.5倍额定电机电流整定限

26、幅电流。在限幅电流经过60S以后由此控制触发器，使触发脉冲快速后移，从而使晶闸管立即关断，并发出重故障信号，封锁脉冲。4. 高压断路器 高压断路器一般保护整流变压器过流，在无快速熔断器系统还需保护可控硅。5. 快速熔断器是防止晶闸管过流损坏的最后一种措施, 快熔的断流时间在10mS以内.防止环流和逆变失败对策 现在的控制电路越来越可靠，环流和逆变失败的可能性越来越小，为防止逆变失败， 控制系统仍然有如下考虑：1. 保证直流侧电流在10%额定电流时断续，而零电流检测值为1%2%额定电流。2. 保证两组桥(D组、Y组)的零电流检测都达到零电流时才进行逆变。3. 限制最小逆变控制角bmin (bmi

27、n=d+g+q¢ ) d ¾ 晶闸管的关断时间tq折合到电角度 g ¾ 换向重叠角 q¢¾ 安全裕量角 经过验证，对于数字系统，取bmin =amin=25 5.3 电机长期过载保护对策电机长期过载时，电机发热和电流的平方成正比，与过电流的时间成正比，在这里可设计一套过负荷保护的程序，当实际电流大于额定电流，(-)对时间开始积分，选择一个合适的时间报警，最后封锁脉冲。di/dt、du/dt的限制及动态均流5.3.1 电流上升率1.换向电流产生的di/dt 由于变压器漏感的限制，换相过程di/dt受到了限制。2.电机电枢电流上升引起的di/dt 由于直流平波电抗器的采用，基本上限制了这一di/dt。5.3.2 电压上升率du/dt1. 电网侵入的过电压由电网侵入晶闸管装置的过电压往往是前沿陡而幅值大，对于带整流变压器和交流