20辊可逆冷轧机主传动控制系统的研究-控制工程专业毕业论文

StudyonMainDriveControlSystem

of20RollersReversibleColdRollingMillAbstractWiththedevelopmentoftheironandsteelindustryandtheincreaseofbilletweight,aswellastoimprovetherollingspeedandtheincreaseofthemainmotorpower,maindrivesystemofsteelrollingathomeandabroad,whichhavebothhadseriouslydamageaccident.Oneofthemaincausesofthedamageistheproblemsofmaindrivecontrolsystem.Theperformanceofmillmaindrivecontrolsystemdirectlyaffectstheproductionefficiencyandquality,sotheworldindustrialdevelopedcountrieshaveinvestedalotofmanpowerandresourcestostudythecontrolsystemofmi】lmaindrivesystem.Inthispaper,takingtheengineeringdesignofAngangHighPerformanceSiliconSteel20rollersreversiblecoldrollingmillastheresearchplatform,themaindrivesystemarestudiedfromtheangleofeleciricaldesign.Maindrivecontrolsystemdesignisacomplexproblem,therearemanytransmissionschemes.Theoptimizationoftheschemeisthepreconditionforthefurtherdesign,directlyaffectsthedesignresults.Sothispapercomparethemaindrivecontrolschemesfirstly,thenfinalizethemaindrivecontrolschemeofAC-DC-ACconverterwithcommonDCbuspulseandPWMfulldigitalvectorcontrolvariablefrequencyspeedcontrolsystem,andchoseCONVERTEAMcompanyALSPAMV7000mediumvoltageinverter.Themaindrivetransfbnnerdecidedtoadoptdrytyperectifiertransformer.Themaindrivemotorsdecidedtoadoptsquirrel-cageasynchronousmotors.Onthebasisofin-depthstudyonthetheoryofcontrolengineering,thecompositionofthemaindrivesystemarestudied,anditiscompletedinschemedesignofAC-DC-ACconverterwiththevariablefrequencyspeedregulationsystem,andthenitisintroducedindetailinthispaperthatthekeytechnologyofmaindrivecontrolsystemsuchastheuseof1EGThigh-powercomponentsthatmaketheinverterhashigherreliability;theuseofAFEthatmakethenetsidecurrentislittleharmonicsinewaveandthepowerfactoriscloseto］；theuseof3-levelNeutralPointClampedinverterunitthatensuresuperiormotorvoltagewaveformtobeoutputandthemotorcurrenttoincludelowerharmoniccurrent;theuseofusinghigh-performancecontrollerwiththeconfigurationofthevectorcontrolsoftwarethatcanprovidehighperformancePWMvectorcontrolcalculationandensurethesafetyoftheconverter.Il-Basedontheabovetheoreticalresearchitiscompletedthatthecalculationoftransfonnercapacityandthedesignoftransformerparameter;andthatselectiondesignofthemaindriveinvertertype;andthattheparameterdesign.Thenthehardwareequipmentinstallationandcommissioningofthecontrolsystemaredone.Aftercommissioningandrunningof20rollersreversiblecoldrollingmillinAngangHighPerfbnnanceSiliconSteel,theproductisgoodandhighdimensionalaccuracy,andthetechnicalperformancehavereached(hedesignrequirement.Themaindrivecontrolsystemisstableandreliablewithhighcontrolprecision,convenientoperationandsimplemaintenanceandsoon,soitverifiesthecorrectnessandfeasibilityofthedesigninthispaper.PracticehasprovedthatAC-ACvariablefrequencycontrolofthemaindriveconverterdeviceincreasinglyshouldbereplacedbyAC-DC-ACmodeinthefutureofcold-rolledproductionline.KeyWords：ReversingColdRollingMil)：MainDrive;AC-DC-ACConverter;AdjustableSpeedSystem-in-目录TOC\o"1-5"\h\z&I・・・■■••・•■■・・・・•••••・•・♦・*・•♦+****■■•*■■•・■・••♦+■・+*♦****■+**>■+♦・*，+♦***+***•+♦+*.*++********+♦****++■■•，.♦■>**♦♦**■*****>■♦■■***+♦***I】1.1课题背景11.2可逆冷轧机工艺简介2L3轧机传动统发展历程41.4交流变频调速技术研究现状515本文的主要研究内容6主传动电气控制方案的确定7主传动系统的基本组成8主传动变压器基本类型的确定823主传动交-直-交变频器的组成10主传动电动机基本类型的确定11本章小结12主传动交-直~交变频关键技术研究*+++..+++,I.++*..+++.*++,■,13功率元件.14321AFE数学模型153.2.2控制策略17三电平中性点箝位逆变单元18NPC理论分析19控制策略21高性能控制系统22本章小结234核心设备的选型与安装244J核心设备的选型.244.】』主传动变压器参数计算及型号确定.244.1.2主传动变频器型号选择254,1.3主传动电动机314.2硬件设备安装33421环境条件33

.2.2净空和安装尺寸3423由气安转35-T*1%.・・・・，・・■■■4.3本章小结375系统调试与运行38■工吊.、™+中•・县百+卡♦，，+，♦■++♦■■++•■■+卡干・m+曾■县■+♦♦■■+++■•t++中■++**串5.2系统运行—，"“**■«405.3保护和故障报警4154维护和安全425.5系统运行效果分析435.6本章小结5.6本章小结结/4R考文献考文献£•++■•++++■•++■«・$++曜49致甜专1大连理工大学学位论文版权使用授杈书521绪论课题背景长久以来,我国硅钢的消耗量逐年增力口，产量量有所提高，但进口最需求越来越大.为了进一步提高鞍钢的综合竞争实力，鞍钢必须提高硅纲片产品的质量、产量及品种,替代进口，扩大出口，提高市场占有率，使鞍钢成为全球具有竞争能力的钢铁企业，因此鞍钢集团公司决定建设高性能冷轧硅钢片生产畿.高性能的冷轧硅钢片是钢铁产品中的艺术品,也是代表冶金技术进步的精品，硅钢片表面质量.厚度公差及电磁性能，除与热轧原料钢卷有关外，轧机起着非常重要作用，生产这种产品对于冷轧工艺及装备水平都提出了更高的要求，所以在高性能冷轧硅钢生产线中冷轧机是决定能否生产出合格产品的关键设备。髓着钢铁工业的发展，钢坯重量的增加、轧制速度的提高以及主电动机功率的增大,国内外轧机主传动系统件都曾发生过严重的损坏事故。损坏的主要原因之一是主传动控制系统出现了问题,因此，为了减少故障率提高作业率，节能降耗,提高产品质量,世界工业发达国家都投入了大量人力物力对轧机主传动控制系统进行研究轧机的主传动控制系统可分为直流传动控制和交流变频传动控制两大类.由于直流传动造价较低.系统简单、调速特性好等优点，长期以来轧机主传动控制系统一直被直流电动机传动所垄断.但直流传动也存在许多缺陷，比如直流电动机的容量和调速范围受限、效率低、存在换向的问题.运行和维修成本高，制约了轧机向大型化、高速化方向发展.随着主传动控制系统不断完善和迅速发展，交流变频调速传动技术不仅具有与直流传动同样优越的调速性能、过载力矩和启动力矩大、方便等优点外，还具有电机容量不受设计条件限制，系统效率高,节能、体积小，重量轻、电机运行可靠性高、动态响应好、转动惯量小、维护简单等很多优于直流传动的特点,交流变频调速传动技术一出现就在轧机主传动系统领域大量推广与应用，并迅速取代了直流传动系统，已成为世界各国研究的主流和热点,本课题在此背景下以鞍钢高性能硅钢工程冷轧机组20幅可逆冷轧机主传动控制系统为研究对象，基于自动控制理论、电气传动理论、交-直-交变频调速技术对主传动系统展开研究，以获得优良的控制性能，井将研究成果应用于工程实践。对交•直•交变频技术在鞍钢的广泛应用和推广有着深远意义，也将为以后主传动设计实践提供相关策略和有价值的参考。可逆冷轧机工艺简介冷轧生产线是将热轧带钢轧制成薄带钢或冷轧薄钢板，再经过平整、镀探等工艺处理后，轧制出的产品可广泛用于建筑、汽军、家电等行业.经过20世纪的迅速发展，单张生产方式和半成卷生产方式已经被淘汰，现代宽带钢的生产主要以成卷方式和全连续方式进行,冷轧机主要分为可逆冷轧机和冷连轧机两大类.可逆冷轧机一般以单机架或双机架在生产线上配置.其生产方式不同于冷连轧机,可逆冷轧机在同一架轧机上完成多个道次的往复轧制，直至达到成品厚度规格。因每个道次都要对轧线的设备进行重新设定，所以可逆冷轧生产线的生产效率和产量都不及冷连轧生产线，但其生产灵活性要优于冷连轧生产线，尤其是某些特种钢的生产，比如高性能硅纲.鞍钢高性能硅钢工程一期建设两条冷轧机组生产线，冷轧机组是采用的是设计与制造水平较高的DMS公司的单机架20槌可逆冷轧机，主要性能如下：机组功能，将硅钢原料轧制至中间厚度或成品厚度.机组形式：单机架可逆轧机◎机组数量*4台（其中预留1台），生产品种：取向硅钢、无取向硅钢.带钢厚度：原料："〜工5mm（头部允许max30mln）成品士0.18~-1.0iTLni«i带钢宽度：80（卜1280mnu钢卷内径：中308m钢卷外径；max,92100mm.钢卷重量：max.lSt.单位卷重：max23kg/mm°机组速度：开卷速度：max.SOOm/mina轧制速度：maxSOOm/min。机组能力：79.55万t/aX3台（入口量）20辕可逆冷轧机的根系比较复杂，工作辐被中间根或支撑提包围卜辐系以轧机垂直中心线对称,靠支撑根传动.轧机生产方向是双向的，压下量较大，以厚度控制为主要控制目标，可以分为三个工艺段：入口段.轧机段和出口段，主要设备为主轧机一台,开卷机一台、卷取机两台,张力辑（导向辑）两个L组），如图1.1所示。开赛机卷取机轧机卷取机图L】20轴可逆冷轧机组主要设备Fig.1.1Themainequipmentof20rollersreversiblecoldrollingmill从生产工艺过程看，带钢的加工变形过程主要是在轧机上完成的，入口设备(开卷机、卷取机、张力根等)主要为材料加工提供原料，出口设备I光力辐、卷取机等)主要收取加工成果，它们都为生产过程的顺利进行提供必要的保障条件。可逆冷轧机的生产一般为3-7个道次，每个道次的辑缝递次减小，轧制方向改变，两台卷取机交替工作在开卷和卷取方式,轧制过程可分为在入口段上卷及矫直穿带、在轧机段可逆轧制、在出口段卸卷及入库3个阶段“机组工艺流程图1.2所示；图L2工艺流程图Fig.1.2Processflowdiagnm(1)上卷及矫直穿带阶段，钢卷由上料小车将送到开卷机上，为保证钢带始终处在轧机中央位置，开卷采用浮动开卷机.开卷机经过光电对中后开卷，然后钢带经矫直机进行矫直.液压剪进行切头，钢带跨过机前卷取机，直接送到二十辐轧机穿带.(2)可逆轧制阶段：穿带结束后，机组第一道次的轧制开始口轧制在即将结束的时候轧机进行减速，当钢带尾部到达左卷取机位置时，机组停车，第一道次轧制结束a在轧制第二道次时，钢带进行反向运动.第二道次工作开始时右卷取机反向运行，即处于开卷方式运行，左卷取机处于卷取方式下运行，第二道次的轧制开始。从第二道次开始，轧制就在左，右卷取机和二十轻轧机之间进行往返可逆运行,当轧机工作在自动控制模式下时，它会在钢带有缺陷的部位经过轧辑轧制时自动减速e轧制完成时,轧机会自动停车，可逆轧制过程结束。(3)卸卷及入底的段；卸卷小车先将钢卷从卷取机上卸下，然后卸卷小车继续移动将钢卷送至中间库钢卷存放台上.轧机主传动系统发展历程轧机主传动系统的发展基本上经历了以下几个阶段：第阶段，由变流机组供电的直流传动系统.这种传动系统是由恒速的同步电动机驱动直流发电机，直流发电机给驱动轧机的直流电动机供电，每一台电机还必须单独配套一个单独的励磁机和励磁系统，轧机运行时，通过改变发泡机励磁来实现直流电动机恒转矩调速，通过改变直流电动机励磁来实现电动机恒功率调速.这种传动系统由于能量转换依靠多台旋转电机来实现，因而体积与重量大，造价高，效率低，能耗大，动态性能差，控制精度低，很难满足轧钢工艺要求.这种传动系统一直使用于20世纪60年代及以前的轧机上声吗第二阶段，晶闸管变流装置供电的直流传动系统.20世纪50年代中期随着世界上第一只晶闸管的成功研制，电力电子技术发展到了一个新时代.自此〃电子”进入到了强电领域，电力电子器件使电能的变换、利用更加方便和高效，成为了弱电控制强电的桥梁和纽带,大大促进了电机调速与控制技术的快速发展口使直流调速系统以往笨重的电动•发电机组供电形式由简洁的可控整流器供电方式所取代，另外运算放大器、战性集成电路的应用及调节器的发展，使直流调速的静、动态性能大大提高■>由大容量晶闸管组成的变流装置供电的直流传动系统，陶汰了由同步电动机和直流发电机组组成的变流机组0这样不但使系统的造价大大降低卜占地面积缩小.噪音大大降低，而且使系统效率有很大的提高，动、静态性能也有很大改善，使得轧制工艺水平和轧制出产品的质量都有很大的提升，并且在运行中能够节约大量的电能。但直流电动机本身具有的严重弱点并未解决，这使得系统技术性能很难再进一步提高.这种传动系统盛行于20世纪60年代到80年代的轧机驱动中.第三阶段，交流变频调速系统.20世纪70年代，随着矢量控制理论的发展和广泛应用，交流调速技术开始受到国内外工控领域的极大关注.交流变频传动系统克服了直流调速系统的很多弱点，如电动机输出功率受限制，由于存在换向器维护工作量大，可靠性差等，从而实现了节能，提高了控制精度与动态响应，提高了可靠性，大大简化了维护工作与运行成本。世界工业发达国家都投入了大量的人力物力对轧钢机交流变频主传动控制系统进行研究。1981年世界第一台4000kW初轧机交-交变频同步电动机传动系统的成功研制，使大容量交流变频调速系统首开先例应用于高性能调速的轧机主传动系统.1988年日本将第一套交•交变频异步电机调速系统，应用于冷连轧机，其动态速度响应与稳态速度精度指标均优于直流调速系统的指标,1989年交-交变频同步电动机传动系统第一次应用在热连轧的精轧机主传动,使得交流变频调速系统终于取代了直流调速系统.从20世纪80年代以后，交流变频调速传动系统曾上历史舞台到现在，在世界上己有数百套交流变频轧机主传动系统投入到了工业应用.成为了轧机主传动控制系统的技术主流.交流变频调速技术研究现状轧机主传动控制系统经历了由变流机组供电的直流传动系统到晶闸管直流调速系统再到交流变频调速系统的发展过程【叫交流变频调速系统主要有交-交和交-直-交两种传动方式.现在国内大型轧钢机主传动系统很多都仍然采用交-交变频传动装置，而一些新建的轧钢生产线特别是轧制速度高的生产线一般多采用了交-直-交变频调速传动装置口著名的电气公司都拥有自主开发的大功率交-交和交-直-交两种变频传动系统出，20世纪即年代初期，基于先进的矢量控制理论以及大功率晶闸管的广泛应用『交-交型变频调速系统已经成熟应用在大型轧钢机上，此类设备是采用运算速度较快的InterCPU作为主处理器，采用大功率光电触发的晶闸管作为整流和逆变的元器件，中大功率通常采用通风冷却方式，特大型负载采用水冷方式等.我国在1985年成功引进了第1套交-交变频调速系统，由于在国内应用较早，所以控制技术比较成熟.特别是交-交变频器使用的大功率晶闸管基本实现了国产化，使得整套设备的投资减少。进入20世纪90年代后,交-直-交型变频调速系统逐渐在7000kW及以下功率中、高速轧钢主传动控制系统上得到了广泛应用a直接转矩控制技术、多电平PWM控制技术等得到了快速发展，相应的功率元件例如IGCT.IEGT等在耐压等级，电流容量上也有较大提高.这类传动的冷却方式主要是水冷方式,但轧钢机系统应用的大功率交-直-交型变频调速系统一般都由国外引进，造价较高，因此制约着此类设备在中国工业领域的大量应用.交-交变频传动在电网会产生大量谐波造成污染，因此在要求电网质量较高的线路上需要增设滤波及无功补偿装置，这项缺陷至今还不能完全克服〔工交-交变频调速由于调速范围窄、电网污染大等缺点，将逐步被交一直-交变频调速方式所取代।叫随着电力电子元件工艺技术的日益发展和完善，采用高压大功率全控型器件的三电平交•直-交变频调速传动系统已经日趋成为轧机主传动控制系统的主流.L5本文的主要研究内容本课题属电气传动控制研究领域a以鞍钢高性能硅钢工程冷轧机组的工程设计为研究平台，从电气设计的角度对20根可逆冷轧机主传动系统进行分析研究.研究重点在于对主传动系统几种传动方案进行比较，最终采用了交.直-交变频调速异步电动机传动控制方式，并基于控制工程理论研究对交-直-交变频调速系统提出一套完整的设计方案以实现主传动系统的高性能、高可靠性控制,本文各章节主要内容如下,(I)第一章论述选题的背景和意义，以及轧机主传动控制系统的国内外相关研究概况及发展趋势。(2)第二章研究主传动系统的组成，对主传动电气控制方案进行反复研究比较，最终确定了由干式整流变压器供电的交-直-交变频调速异步电动机传动控制方案.(3)第三章在深入学习控制工程理论的基础上，完成交-直-交变频调速系统方窠的设计，对主传动控制系统的关键技术进行重点阐述。(4＞第四章基于以上的理论研究完成主传动系统硬件核心器件的参数计算及选型,即变压器参数讦算及型号确定，主传动变频器的型号选择、主传动电动机的设计等；然后进行硬件设备安装设计.(5)第五章为系统调试运行部分,在现场完成整个控制系统的单调*联调直至稳定生产。通过分析主传动系统的运行效果验证了本文设计的正确性和可行性，并通过现场实际应用展望了冷轧机主传动交流变频调速系统的发展方向.2主传动电气控制方案的确定本课题是基于鞍钢高性能硅钢20辑可逆冷轧机组工程设计这个实验平台来进行研究的。主传动控制系统设计是一个非常复杂的问题，可以有许多不同的控制方案,本工程设计中首先要确定选择那种方案，控制方案的优化是进一步设计的前提，直接影响着设计结果。随着交流变频调速技术的不断发展，交流变频调速传动系统在轧机主传动领域被大量的应用和推广，以往落后的轧钢机直流主传动控制系统逐步被先进的交流主传动控制系统所取代，并已经成为一种不可逆转的发展趋势.交流变频调速传动不仅具有直流传动的调速方便、平滑、启动力矩大和过载力矩大等优点外，还具有如下的特点：（1）交流变频调速传动系统的节能效果十分显著，比直流传动系统能提高效率5小14%,降低了生产成本.（2）交流变频调速传动系统比直流传动系统的响应速度和控制精度显著提高，速度响应时间能小于90ms,电流响应时间能达到小于10ms,好态精度通常可达到0.1%功（3）直流电机设计时由于受参数限制，容量不能设计得太大，调速范围也比较窄，而交流变频调速电动机容量不受设计条件限制，甚至可以超过IQOOOkW.由于绝缘水平与设计参数的提高，交流变频调速电动机的体积和重量大大缩小，大大减少了制造成本和占地面积，提高了效率。C4）运行可靠性很高，事故停产的次数减少，使生产效率提高.而且交流电动机基本上是不需维护的，因此大大减少了电动机的维修工作量，节约了运行成本.（5）交流电动机的转动惯量比直流电动机小，更适合用于大型轧钢机拖动。本工程主传动控制系统根据以上特点确定选择交流变频调速传动系统，它主要分为两种，分别是交-交变频传动系统和交-直-交变频传动系统【叫选择哪个控制方案，需要进行反复的比较和研究，具体内容如下；交-交变频调速系统虽然具有可以全部国产化，操作简单可靠，效率高，过载能力强等优点，但它的缺点也不可忽视，例如所配套的同步电机的运行速度低、频率低、功率因数低，对电网侧的谐波污染大、需要无功补偿装置而且同步电动机的转动惯量大、投资较高等，为交•交变频调速装置供电的整流变压器的容量要比交.直-交系统的大.大约为电动机容量LS〜2倍，所以变压器空载损耗也较大。这种控制系统常应用在大型热连轧机、中厚板轧机等大功率的中、低速并且具有较强过载能力的轧钢机传动.交-直■交变频系统所配套的主传动电动机的优点是具有较高的运行速度，功率因数高、频率高，产生的谐波少对电网的污染小而且无需无功功率补偿装置节省了空间等.而它的虢点是过载能力较差，效率较低、不能完全国产化、使用经验也不足.为其供电的变压器的容量大约是电动机容量的1.3〜1.4倍。这种控制系统常应用在过载能力较小的高速冷轧机驱动以及大功率中.高速风机.水泵等1叱通过反复研究比较最终确定选择了交-直-交变频调速传动控制方案.本工程20辑可逆冷轧机组中的两个卷取机总是一个在电动状态另一个一定是在发电状态，采用了交-直-交公共直流母线变频控制，可以使在发电状态的卷取机的电能能够通过电网反馈给电动状态的卷取机，达到能量反馈平衡，节均了能源电轧机主传动确定选择了交流变频调速控制系统也即选择了交流电动机传动，同步电动机和异步电动都是交流电动机，在主传动交流变频调速控制领域有选用异步电动机也有选用同步电动机来驱动的,所以本工程主传动驱动方式是选用异步电动机还是同步电动机，也是必须要进行分析比较的,本工程所选用的中压变频器虽然适用于同步电动机但也特别适用于交流感应异步电动机（这将在以后的章节进行详细阐述），而且异步电动机比同步电动机的机械结构筒单，更易于维护与检修,所以最终决定采用异步交流电动机作为主传动电动机°叫这样，主传动控制系统的方案基本确定，下面将进一步研究并确定主传动电气控制方案的各部分的基本组成。主传动系统的基本组成轧机主传动系统包括：变压器、变频（流）装置与电动机等，是实现电网与轧机之间的耦合与能量转换的重要环节.本文所研尢的20程可逆冷轧机组轧机主传动系统组成如图2.1所示.主传动控制系统包括：一台主传动变压器、一套主传动交-宜•交变频调速系统（主传动变频器）以及三台主传动电动机口”其中三台主传动电动机分别为主轧机、左卷取机和右卷取机.本工程主传动变压器的电源引自10kV车间变电所，主传动交-直-交变频调速系统可以实现左卷取机,右卷取机在开卷和卷取时的能量反馈平衡。下面将对变压器基本类型的确定，调速系统的基本组成以及电动机基本类型的确定进行阐述。主传动变压器基本类型的确定由于本工程电网电压为】OkV,而变频调速系统所要求的交流供电电压为3.3kV,与电网电压不一致，而且主传动变频调速系统为大功率电力电子元件，需要与电网隔离，所以主传动系统必须选用整流式变压器来进行供电.整流变压器按结构形式可分为油浸式整流变压器与树脂绝缘干式整流变压器两类,它们的工作原理完全相同，但是结构形式与冷却介质不同.

■)・.)上.，左卷取抓2600KW图左卷取抓2600KW图2.1主传动系统组成Fig.24Thecompositionofthemaindrivesystem油浸式整流变压器是将变压器自身（带线圈的变压器铁芯组件）放置在一个充满变压器油的油箱中，用变压器油作为绝缘与散热介质，往往在油箱侧面装置几排散热管或散热器以扩大散热面积,油浸变压器的绝缘等级低（A级），占地面积大，重量大，需要一定的维护，但是价格较低，它是变压器传统的结构形式.树脂绝缘干式变压器是将变压器高、低压线圈进行了F级树脂的真空浇灌处理并以空气作为绝缘与散热介质的.因而绝缘等级高，散热好，体积小，重量轻，维护工作量小，而且可配置温度监控报警系统，能适应现场各种恶劣环境，目前国内已经完全掌握这项制造技术，能大量制造这种变压器。由于制作工艺较复杂，干式整流变压器造价比油浸式整流变压器高一些。本工程中，冷轧机组只是高性能硅钢生产线其中的一个重要机组，其电气室是设置在硅钢厂房内，由于现场环境复杂，不能设置油变压器的储油池，并且空间有限，所以最终决定选用体积小的树脂绝缘干式整流变压器作为主传动变压器。主传动交一直-交变频器的组成功率元件是变频器的最基本组成单元，本工程主传动变频器的功率元件是采用的先进的PPI压装式的IGBT(EGT),它的性能更优于IGCT,它降低了电路的触发电流，提高了元件散热性并且延长了元件的使用寿命.主传动变频器为紧凑式的模块化结构,它是由若干个可在现场组装控制柜组合在一起。主要结构单元功能如下：(1)整流单元:是采用AFE主动前端式整流单元,它是采用IEGT作为功率元件。可以将电网侧的交流电转变为直流电，并且在电网侧出现电压波动时，可以抗干扰保持直流电压不变.可以实现电动机的再生制动，可以四象限运行，对电网无污染。<2)预充电或预励磁变压器单元;为了确保在突加电压时不会产生峰值电流，需要对直流母线进行预先充电.(3)直流母线单元：它利用直流电容器来保持直流电压的稳定不变，并将整流器和逆变器进行解耦.(4)逆变单元,它是将直流母线上的直流电逆变为可以用来驱动电动机的交流电，它采用了三电平中性点箝位技术,可以四象限运行.(5)交流输出单元：它用于测量输出的电流.dV/dt滤波器单元：它可以通过滤波来减少逆变器输HI电压的变化率，使逆变器的输出波形谐波更小.(7)高性能控制器单元：它采用了先进的传动控制技术，可以进行高性能的PWM矢量控制计算，即使主传动电动机没有检测速度的编码器，也可以实现矢量控制.它是整个主传动控制系统的中心，所有控制任务的设定都要通过它来执行.通过它的控制主传动变频器的安全性得到了保障.(8)冷却单元：它是通过密闭循环冷却水系统将变频器产生的热量散发出去.为了节省资源，它与主传动电动机共用一个冷却循环水系统，主传动变频器所需的冷却水量为100mVh4主传动变频器功能块布置图如图2,2所示.本工程的主传动变频器即交-直•交变频调速系统是本课题重点研究的内容，它采用了多种先进的传动技术，比如功率元件采用IEGT,整流器采用主动前端技术、逆变器采用三电平中性点箝位技术及无编码器PWM矢量控制等新技术。本文将在第三章中基于控制理论详细阐述变频器的工作原理、实现的功能以及达到的效果.图2.2主传动变频器功能块布置图Fig.212Functionblockarrangementofthemaindriveconverter主传动电动机基本类型的确定在轧机主传动系统中电动机的主要作用是将电能转换成机械能来驱动设备，不同类型的电动机在调速性能、过载能力、效率及制造成本上也会各不相同a为了满足驱动要求轧机主传动电动机需要具备以下性能工(1)能频繁地起动、制动，可以四象限运行(2)过载能力较大，可以承受冲击负荷(3)调速性能较好并且方便由于轧机主传动控制系统是采用的交流变频调速传动方案，所以轧机主电动机必然选择交流电动机，交流电动机包括同步电动机和异步电动机两类，二者各有优缺点，主传动电机的采用哪种,需要反笈的研究和比较,二者比较如下:交流同步电动机与异步电动机相比，它的质量大、转矩大、速度低，过我能力强它可以作为容性负载来提高电网的功率因数，增加电网的容量，改变励礴可以调节同步电动机的功率因数，这是同步电动机最可贵的特性.但同步电动机需要外加励磁电源，比较复杂，价格高，需要经常维护并且维修成本较高。同步电动机尤其是低速的同步电动机的过载能力会比相应的异步电动机大并且运行效率高.由于过载能力强，所以同步电动机功常被应用在大功率、低转速的大型机械设备的传动。交流异步电动机包括交流感应电动机、交流换向器电动机和交流双馈异步电动机.交流感应电动机应用最广j在无特殊说明情况下，异步电动机即指感应电动机。本工程主传动电动机采用的是无转子、无励磁绕组、无电刷的鼠笼式异步电动机，它不仅结构简单、成本较低而且运行可靠.维护工作量小.异步电动机有较好的工作特性和较高的运行效率，对于大多数生产机械的传动要求都能满足.随着交流调速系统以及大功率晶闸管电子元件的发展，目前异步电动机通过PWM控制或矢量控制后其调速性能已经不次于同步电动机的调速性能，可以进行完全可以取代同步电动机.由于异步电动机具有以上的优点，目前已经广泛应用在工业领域的各种传动中.本工程的主传动中压变频器是采用交-直-交公共直流母线PWM矢量控制变频调速系统进行传动的，它非常适合控制交流异步电动机传动，在低频时甚至在堵转情况下也能有良好的调速性能和输出较强的转矩能力.所以轧机主传动电动机都采用了无转子,无励磁绕组、无电刷的鼠笼式异步电动机，当主传动电动机工作在基速以上时,电动机为恒功率的输出特性,当主传动电动机工作在基速以下时，电动机为恒转矩的输出特性。本章小结主传动控制系统设计是一个非常复杂的问题，可以有许多不同的控制方案，控制方案的确定是进一步设计的前提，直接影响着设计结果.本章通过反复研究比较主传动电气控制方案最终确定了采用交.直-交型中压变频器；采用树脂绝缘干式整流变压器作为主传动变压器；采用鼠笼式交流异步电动机作为主传动电动机.3主传动交-直-交变频器关键技术研究轧机主传动系统的运行条件一般都十分恶劣，而且为满足轧制工艺要求.主传动系统必须要能够承受冲击负荷，并且可以输出很大的功率与转矩来驱动负载，还要有快速的动态响应性能以及很高的控制精度。主传动电动机要求必须能够四象限运行，可以频繁地快速起动、加速、制动与可逆运行，与电网联结的主传动整流变压器必须能承受频繁冲击负荷。主传动变频器是主传动控制系统的核心，对主传动系统的性能起着决定性作用.本章节将基于控制工程理论分别从主传动变频器的功率元件、整流单元，逆变单元及控制技术等方面来研究其如何实现高性能控制。主传动控制系统原理图如图3.1所示.Fig.3JScbewticdiagramofthemaindrivecontrolsystemftOTsarslornnrRawWarb(|Airoption.!S3般时沙帽首曼充前4.电耳/而动醉初一rectrtwfCapaemCnopperiopcontIrwfiSrMalar2A5D*crtHdWU*i图3.1主传动控制系统原理图Fig.3JScbewticdiagramofthemaindrivecontrolsystemftOTsarslornnrRawWarb(|Airoption.!S3般时沙帽首曼充前4.电耳/而动醉初一rectrtwfCapaemCnopperiopcontIrwfiSrMalar2A5D*crtHdWU*i图3.1主传动控制系统原理图主他市MV7000Drive:「费地开关航电受用APifiGharpe&PremE&gnatisat^i中师ri)Jrars/ormaf%去胃子水C«hngU噬净甚单元PK史制・txt(JVHGgw5建他步功率元件变频器是由功率元件作为基本组成单元构成的.目前」在电力电子变流技术中有两种完全不同的功率开美元件技术，（1）晶闸管功率开关元件技术（晶闸管-GTO-IGCT）：晶闸管通过控制单元能够导通，但晶闸管必须把电流降到零后才能关断.其他设备不能由晶闸管的关断来进行保护.在晶闸管基础上功率元件GTO和IGCT逐步发展起来，它们可以在电流小于元件额定电流时关断，但大于额定电流时关断将会损坏元件，即IGCT不能在故障电流（过电流）时关断元件而保证元件不受到损坏。为确保当发生最严重故障时的电流不超过元件的额定电流元件，元件必须运行在很低的电流下，或者需要配置其他的元器件去限制任何故障电流.（2）晶体管功率开关元件技术（晶体管~IGBT~IEGT）：晶体管通过控制单元能就快速的导通和关断.由于晶体管能够快速的关断，所以即使在大电流或者过电流的情况下也能修保护其他设备元件。ICBT是由许多并行的晶体管组合而成并且封装在一个模块内.当前的低压变频器逆变单元一般都采用IGBT作为功率元件，所以IGBT是很可靠的，并且具有短路保护功能.然而功率元件IGBT只能在一面来进行冷却，另一面是需要通过导线和反并联的二极管模块进行连接.当电动机运行在50HW6QH2进行调速时,这种IGBT的设计可以十分可靠，但当电动机运行在低频率进行调速时，由于单面冷却散热不好，所以必须降额使用.而IEGT可以解决这个问题。IEGT是直接从IGBT发展而来，井进行了重要改迸工它被压装在一个陶瓷容器内没有了导线的连接，这样功率元件的两面都能散热，使冷却散热的能力得到了提高，晶体管的额定电流也随之提高[2]本工程主传动变频器采用的就是注入增强型绝缘栅晶体管IEGT.它是在一个陶瓷容器内将所有的功率元件都压装在一起，提高了元件散热性能，使电动机在低频运行时不会出现过热老化的问题，使功率元件的使用寿命得到了延长.主传动中压变频器的功率能力得到了提高、降低了损耗，效率最高达到99%,本工程主传动变频器只需要采用12个IEGT功率输出就可达到8.4MW（电压为33MV）,而其他变频器一般需要18到36个功率元件，元件数量的减少使主传动变频器运行具有更高的可靠性大总而言之，本工程主传动变频器采用了更加适合于低频运行的功率元件LEGT,它不仅将晶体管IGBT进行了优化处理并且IEGT也具有很高的开关频率，在故障情况下故障电流即使在大于电流额定值好几倍时也能保护设备。主动前端整流单元在交-直-交变频调速系统中，整流单元是将电网的交流电压整流为直流母线电压.本工程主传动变频器的整流单元应用了先进的主动前端技术AFE(ActiveFrontEnd),又可称之为整流回馈装置.交一直-交型变频器整流单元是将电网侧的交流电转换为直流电，然后通过直流母线电容平滑滤波后，再经过逆变器逆变成能够驱动电动机运行的交流电.由于普通变频器多采用二极管整流，电网侧的电能量只能单向流向变频器a而且由于二极管整流的局限性，使得电网侧的功率因数较低同时输入的谐波电流也比较大，进而会造成对电网侧的污染.因此在实际工程应用中，一般会在输入端加装输入电抗器以及在直流母线上加装直流电抗器，以减少变频器的输入谐波和提高电网侧的功率因数，在本工程中，主传动变频器整流单元采用的主动前端技术AFE能疆很好地解决以上问题.它采用的IEGT三相桥式结构，可以与变频器逆变单元一样，能够使电能量在电网侧与变频器间双向流动口由于主传动变频耦采用了先进的AFE主动前端整流单元，所以无论主传动变频器是工作在整流状态还是在逆变状态，电网侧的电流谐波都很少,功率因数也接近于1[㈣,主传动电动机可以四象限运行，实现了能量的双向流动,下面将研究AFE的原理及控制策略。3.27AFE数学模型图32为AFE的拓扑结构，公为直流电动势；工为电网测滤波电感；❷⑴，劭⑴，拄«)为电网三相电源；C为直流侧滤波电容：取为直流侧负载电阻；总为功率管损耗电阻；用为交流侧滤波电感的等效电阻，令R=用十出。图3.2AFE拓扑结构Fig.3.2T。阿。gi风smictureofAFE

为了得到数学模型，定义功率元件开关函数以为_(1上桥臂导通土下桥臂关断0下桥臂导通，上桥臂关断kb,c由于三相平衡，有，(a+劣+蜕=0l+6+良=0并且可以得到Mw=--VSk

3由电路定律，可以得到AFE的数学模型工「diLr+Ri&二a一(材4④口+u^o)dtTOC\o"1-5"\h\z.dit>n,、L—+Rib-eb-{UdcSb+Um)dt_die_,z、LHRie=ec—dt,dude...Ci<iSa+ibSb+iaScflLldt(3.D(3.2)(3.3)(3.4)为了简化控制系统的设计，需要将这个数学模型中的相对于三相对称静止坐标系(.b,G下的时变的交流量进行坐标变换，转换成以电网基波同步旋转的(d,q)坐标系下.这样，基波正弦分量经坐标旋转变换后，转化成便于控制的直流变量.(3.D(3.2)(3.3)(3.4)AFE数学模型经坐标变换后在两相同步旋转坐标系下的模型为TOC\o"1-5"\h\zdidR.1=rid+GMq4UddtLLdig.7?.1<=iflHUq(3,5)dtLL(3,5)du^23.3.-Ude+—€did4—e就IRlCccUd=&-Vd阂=eq-M式中:点为直流母线电压；四，%分别为输出电压的d,q分量。3.2.2控制策略AFE主动前端工作在整流状态时，直流电压恒定，并且可以实现功率因数为I,对电网没有干扰：当AFE主动前端工作在有源逆变状态时，通过在控制系统预先设定一个电压值，并将这个电压值与直流母线检测到的电压值进行比较，当检测到直流母线的电压值大于系统预先设定的电压值的时，需要把多余的电能量回馈到交流电网中.通过检测电网侧的电流、电压的幅值和相位角，当电流、电压的相位角相反时，电能量便回馈到电网中，这样就实现了能量的双向流动.主传动变频器由于采用了AFE主动前端整流单元，不仅提高了功率因数还能消除高次谐波，而且具有良好的动态性能，即使电网恻的电压波动也不会对其造成影响口I通过AFE数学模型，可以进行仿真并能看出，AFE在整流时，电网侧的电压和电流相位基本一致，实现了功率因数为1,电流是具有良好的正弦波形，电能是由电网侧流向负载侧，这时电动机处于电动状态：AFE在有源逆变时，电动机处于发电状态，电网侧的电压和电流相位差为180*,电能由负载回馈给了电网，而且电流波形近似于正弦波，电网侧的谐波含量小。AFE主动前端技术的关键是对电流的控制，通过采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)对电流进行回馈控制来实现电流波形为正弦波并使功率因数为】•该控制策略满足了主动前端AFE的控制要求，实现了电能的双向流动支对于本课题所研究冷轧生传动系统，它同时具有在开卷时电动和在卷取时制动两种状态，通过采用AFE整流单元可以把制动状态下的卷取机所再生的能量完全反馈到电网，再通过电网把能量供给另一个处于电动状态下的卷取机，实现了能量的反馈平衡.从而降低了变压器容量，同时，由于采用AFE整流单元，使得主传动变频器对电网没有谐波污染，可以取消输入电抗器，减少了设备的投资如口。

3.3三电平中性点箝位逆变单元近年来，随着多电平逆变器技术不断的发展和进步，它在中高压大容量变频器中得到了广泛应用，其新型的拓扑电路及其控制策略也一直是研究的热点，多电平逆变器比传统的两电平逆变器.能减少开关器件的电压应力;在相同的开关频率下，多电平逆变器可以减少对电网的谐波污染并可以提高逆变器的容量,消除同样的谐波，多电平逆变器可以用比两电平逆变器低的多的开关频率来控制元件的开关动作，因此它的损耗小,而且效率高口-I二极管箝位型三电平逆变器，也可称为中性点箱位型（Neutral.Point-Clamped,NPC）三电平逆变器，它是发展最早也是应用最广的一种多电平逆变器结构但却，它能输出三种电平信号并可衍生出十U,+U/2,0,-U/2,-U五种电位，输出的电压波形可以更接近正弦波，大大降低了谐波污染.本课题研究的交-直-交变频调速系统的逆变单元就是采用IEGT的三电平中性点箱位（NPC）逆变器，它格直流电压逆变为交流电压来驱动主传动电动机.所谓“中性点箝位”是指逆变器三相输出的0电平电压是通过二极管箝位到直流恻两个电容器的中点得到的.图33为逆变器相功率单元拓扑图，三电平中性点箝位逆变器每一相是由4个功率开元件（IEGT）、4个续流二极管”2个箝位二极管以及2个箱位电容器组成.箱位二级管能把福个功率元件承受的关断电压箝位在直流母线的电压的一半.O交相率元逆*单箝健电容餐轴位二横普图3.3逆变器相功率单兀O交相率元逆*单箝健电容餐轴位二横普图3.3逆变器相功率单兀Fig.3.3Phasepowerunitof±einverter3.3,1NPC理论分析用开关变量%、Sb.Sc分别表示三相逆变器的每个桥臂的三种有效状态，A相的开关状态用变量Sa表示.图上4为A相的三种开关状态.在图3.4(a)中，当开关器件SaH6町同时导通，开关器件S电、5前同时关断时，直流电压的正极P端直接与输出电压U相连Hao=U42,这种状态记为S*=h在图3.4(b｝中，当开关器件Sa2.Sa3同时导通，开关器件5的，S的同时关断时，输出电压U直接连接到分压电容的中性点0上，以0旬，这种状态记为在图34©中，当开关器件Sam、0即同时导通，开关器件Sa1、Sa2同时美断时，输出电压与直流电压负极直接相连，怔=这种状态记为Sa=-k按照一定逻辑控制Sai，Sa?,Sa5,5a4四个开关器件的通断,就可以在输出端合成三电平波形,将三个半桥结构的二极管箱位型三电平逆变电路并联使用就可以得到三相三电平逆变电路拓扑结构，从表3.1可以看出，A相的开关器件Sa「§34不能同时导通，开关器件S斯和Sa5是互补的开关状态，开关器件0附和S04是互补的开关状态。每个开关管需要能承受Ud典的正向阻断电压的”La)1态b)。态图3.44相的三种开关状态a)1态b)。态图3.44相的三种开关状态Fig.3,4Threeon-offstateofA-phasec)-1态表3.1二极管箝位型输出电压与开关状态之间的关系Tab-3JRelationshipbetweentheswitchstateandoutputvoltageofdiodeneutralpointclamped输出电压状态变量SaSal开关状态%2开关状态Sa3开关状态Sa4开关状态Udc/211100000110-Udc/2-10011注：T表示导通，"0"表示关断,三相输出相电压，可以分别用三相开关变量S.、3Su和输入直流电压U疝来表示,即：Uin-SaUdcl2ItaC=SbUdc/Uin-SaUdcl2ItaC=SbUdc/2UCG-SrUtic/2-LOT)1)(—(3.6)三相输出的线电压分别为UaB=UA0—USO—(&-St>)Udr/2(3.7)Use—Usa-tlcfr—(Sa-2(3.7)Uca=Uco-Uao—(&—*Sn)tZfc/2即:(3,8)]r(3,8)]r(3.9)(3.10)(3.9)(3.10)于是也可以求出逆变器三相对中点N的相电压，Uab—Han—UsnUbc~Ubs—"e-Han并且有联合解得

(3,11)(3,11)根据以上的分析，得出中性点箱位三电平逆变器有如下特点：（I）由于功率开关元件在关断时需要承受直流母线电压的一半的电压，所以对其的耐压要求不高口（2）中性点箝位三电平的输出为接近于正弦波的三电平阶梯波，其谐波含量比两电平逆变器输出要小得多，而且输出电压的谐波含量会随着电平数的增加而减少，13）逆变器输出的甩压是由直流侧的电容分压而形成的，结构简单，缩小了装置的体积.3.3.2控制策略逆变器的控制主要是应用脉宽调制PWM控制技术，在电力电子领域中PWM控制技术有着广泛和成功的应用，特别在逆变电路中的应用最具代表性，奠定了PWM脉宽调制技术PWM在电力电子技术中的突出地位.为了保证系统具有卓越的调速性能，在本工程中PWM调制方式必须保证在不同的要求下进行实时改变并且具有非常好的适用性，必须能够满足逆变器输出的电压脉冲与目标参考波形等效，达到对输出电压的控制,并能对逆变器直流电容的电压平衡、功率开关输出功率平衡以及对逆变器输出谐波的控制等.所以本工程主传动变频器PWM控制采用的是调制波和载波双可变的技术，使得变频器能够完全适用于各类应用场合并且具有非常优越的调速性能,其三电平中性点箱位的逆变单元采用了无编码器的PWM矢量控制技术，使电动机的谐波电流更小，保证逆变器能够输出优越的电压波形驱动主传动电机。本工程主传动逆变器是采用三电平中性点箝位技术（NPO,其运行原理如下，主传动变频器每个相功率单元产生电动机的一个相电压.逆变器是由三个功率相单元组成，共计】2个IEGT&，变频器的直流母线是由两套直流电容器组成，分别在DC+和0V之间和0V和DC-之间。通过控制触发功率元件IEGT的接通和关断，使得逆变器中每一相的输出电压可以有三种电位的连接，分别是DC+,UV合DC-因此电动机输出的线电压电压值可以有五种,分别是+100%VDC、+50%VDC,0、-100%VDC.■5G%VDC五种电平.图3.5为电动机U-W线电压的运行原理，其它相的线电压运行原理同理.

3rj>・33-aral=&3rj>・33-aral=&*&图3.5三电平中性点箝位Fig.3.5-levelNeutralPointClamped高性能控制系统本工程主传动变频器控制系统采用很多现代化控制技术，以保证系统可以顼先估算出电机的磁通和速度，在速度开环时也能确保系统的正常运行，尤其采用了PWM脉宽调制技术和PWM波形的控制技术，这些现代控制技术使得主传动变频器在轧机低速轧制过程中，控制系统与高速状态具有同样的控制精度，保证了带钢张力的均衡,虽然交流异步电机的低频端特性极差，很难控制，但本工程主传动变频器由于采用了高性能的控制系统，可以控制异步电动机在低频率或在低速运行时，具有良好的低频特性及调速性能，可以达到100%的转矩运行।而当主传动电动机运行在100Hz以上的高速状态时也能保证系统稳定；并能使电动机的电流畸变率降到最低.电力电子高性能控制器(PEC)是主传动变频器的核心,能够提供高性能的PWM矢量控制。主传动变频器在执行矢量控制时，必须根据运行条件，将电动机的速度、电流，电压等参数经过空闾矢量坐标变换后来分析计算出转矩等设定值以及通过执行PWM矢量计算来控制电动机的磁场进而进行转矩调节。通过配置矢量控制软件的高性能控制系统，无论主传动电动机是否带有编码器都可以实现矢量控制,有无编码器的矢量控制的区别仅在于空间矢量计算的反馈速度上，主传动变频器可以不需要编码器速度反馈进行速度的估算.如果主传动控制系统选择无编码器的矢量控制方式,那么主传动电机的速度反馈值是通过速度估算器进行估算的，如果选择有编码器的矢量控制方式,那么主传动电动机的速度反馈值直接采用编码器的捡测值口主传动变频器控制系统能翳通过调节不同的PWM调制波形、载波频率，以获得最佳的性能-根据电动机电压参数，通过修改PWM调制波形模式，能改变输出电压的谐波撅谱和减少变频器损耗।根据运行时电动机的速度，通过修改PWM载波频率,可以避免主传动电机等机械设备的共振；组合和选择上述的策略能够随时在任何一个运行点调节PWM调制波形和PWM载波频率的能力，使主传动变频调速系统在任何时刻都具有良好的控制性能和最佳的驱动效果。本章小结主传动变频器是主传动控制系统的核心，时主传动系统的性能起着决定性作用，本章从主传动变频器的功率元件、整流单元、逆变单元及控制技术等方面来研究其如何实现高性能控制，它采用了国际最先进的传动技术,选用了JEGT大功率元器件；采用主动前端的整流单元及中性点箝位三电平逆变单元；高集成度的模块化结构设计:PWM脉宽调制技术和PWM波形的控制技术，矢量控制技术;可使电网的功率因数达到L0等等,本章对以上关键技术的研究为主传动交.直•交变频调速系统成功地应用于生产实际奠定了理论基础.4核心设备的选型与安装在本文第二章已经研究了鞍钢高性能硅钢工程冷轧机组礼机主传动控制系统的基本组成，它的核心设备包括：主传动整流变压器、主传动交-直-交变频器以及交流异步电动机,基于以上章节的理论研究本章主要对硬件核心设备进行参数计算、选型设计以及安装设计.4.1核心设备的选型J主传动变压器参数计算及型号确定为了满足冷轧机驱动的工艺要求以便轧制出合格的产品j轧机主传动整流变压器在设计和制造时，一定要满足以下几个性能指标;(I)主传动整流变压器要能够承受主传动电动机频繁起制动所产生的冲击负荷；(2)主传动整流变压器能够抗高次谐波的干扰：(3)在遇到雷击等产生过电压时，主传动变压器不会产生转移电压；<4)主传动整流变压器满足一二次侧的安匝平衡；(5)主传动整流变压器具有能弊承受短路电流的能力.变压器容量是根据负荷计算来进行选择的，根据负荷有功、无功以及视在功率的计算公式(4」)、(4.2)、(4.3)得出主传动的计算负荷(见表4.1),据此确定了变压器的容量，TOC\o"1-5"\h\z有功功率XKR(4.1)无功功率5=P9中(4.2)视在功率§产=眄适(4.3)式中，入为用电设备组的设备功率，kWig为需要系数；■中为功率因数角的正切值.表4.工主传动负荷计算表Tab.4.1Energyconsumptiontableofmaindrives装机容量有功功率无功功率视在功率功率因数变压器主传动9600k曾6182kW06182kVA17000kVA根据第二章的分析、现场情况（厂房内设电气室）以及计算负荷，主传动变压器选择干式整流变压器,详细技术参数见表4.2,表4.2主传动整流变压器主要技术参数Tab.4.2Technicaldataof±emaindriverectifiertransformer整流变压器型号2SCB9-7000kVA相数3数量1台频率50Hz额定容量7000kVA防护等蜜IP20分接范围10±2X2.5%冷却方式AN/AF颤定电压10/3.3kV绝缘耐热等级F变压器结构高低压均线绕局部放电量W5PC阻抗H%温升限制100K联接组别DrnB噪音65dB绝缘水平L175AC35/LI10AC5安装轨距1420mm变压器尺寸3200*1520*26501™变压器重量16000kg外壳尺寸4000*2500*2950™使用寿命30年本课题的主传动干式整流变压器在设计和制造时采用的是优质低耗的泠轧硅钢片作为铁芯由为了提高了效率降低了温升，减小了损耗采用了多阶梯铁芯叠片的制作工艺.高压绕组是由铜线绕制，低压侧采用铜箔绕组，由真空环氧树脂浇注，并且在首、末匝加强了绝缘.在变压器线圈设置了电磁屏蔽以防止高、低压线圈之间的电磁干扰，还能有效地了防止雷击、浪涌、谐波等过电压产生的转移电压.主传动变频器型号选择本工程主传动变频器是采用CONVERTEAM公司的ALSPAMV7000系列中压变频器，如图4.1所示它是由若干个可在现场组装的控制柜组合在一起的•主传动变频器为模块化的结构，由以下主要结构单元组成；整流单元：包括整流桥.预充电和预励磁回路以及主要的输入端子•直流母线：包括直流电容器和母线排、测量直流电压装置和接地故障保护系统。逆变单元：三电平中性点箝位的逆变功率单元堆栈及其箝位电容。交流输出单元：它用于测量输出的电流.控制单元:包括控制器及其槽架.冷却单元：利用去离子水/原水热交换器通过闭环去离子水冷却循环系统，把变频器本身产生的热损耗传送到外部的原水循环系统。

主传动变频频调速系统控制柜布置图如图4.1所示.图4.1主传动变频器控制柜布置图Figx4.1Layout<jfcontrolcabinetsofmaindriveconverter根据第二章分析以及主传动的计算负荷情况，经过现场调研后，确定变频器参数,详见表4.3.表4.3主传动变频器主要技术参数Tab.4.3Technicaldataofthemaindriveconverter数量输出功率MV7000型号主传动整流器16MWMV7308/10WA/8,4MW/3,3kV/lBOOA轧机逆变器14.4MWMV7308/10MVA/S.4MW/3.3kV/lS00A卷取机逆变器22.6MWMV73O6/7.5WVA/6MW/3.3kV/l350A下面将详细介绍主传动变频器各功能单元柜的硬件组成（1）整流单元柜整流单元柜如图4.2所示，由下列元件组成工图丸2整流单元柜Fig.42Rectifiercabinet①12脉冲整流桥MV7000变频器是由隔离变压器进行供电的.它的整流单元由12脉冲二极管整流桥组成（如图3.1所示），它是可以单独抽取的.整流单元由两个水冷的二极管功率元件堆栈组成，每一个功率堆栈有6个二极管组成六脉冲整流桥.为了使整流器能够承受在最恶劣的过流情况即在二极管故障的情况下不会损坏二极管，需要设计一个上级断路器来进行保护。通过接收MV7000变频器的信号来闭合和断开在其上一级的中压断路器,在收到变频器发出的跳闸信号后100ms内熄灭断路拉弧及时的断开断路器.当断路器的跳闸断开状态由其它设备控制时，其闭合功能由变频器控制执行.断路器通过辅助继电器来反馈给变频器其闭合和断开状态并将中压断路器设计在系统保护连锁之中.②电流互感器利用电流互感器测量整流单元的输入电流，以对变频器进行过电流保护.每一个6脉冲整流单元连接2个电流互感器（U相和W相）.③预充电和预励磁回路为了减少当主回路接触器闭合时产生的瞬间冲击电流，在主回路断路器闭合前，先由辅助电源供电的预充电和预励磁系统对直流母线电容进行充电和对主变压器进行预先励磁.在充电期间一直监视直流母线电压，异常的电压值或过慢的电压斜坡会触发故障并且自动停止充电过程’在使用AFE主动前端的情况下，预充电过程分为两步，一是对直流母线电容进行充电(5s)；二是把直流母线上的直流电压逆变为三相交流电压给变压器进行预励磁，同时对相电源同步进行检查，该过程大约需要6%口④主输入端子(6个端子用于12脉冲整流桥)(2)直流母线柜直流母线柜如图4,3所示,由下列元件构成，①直流电容器和母排②电压传感器电压传感器用于测量直流母线极性和直流母线连接中点之间的电压.同时测量信号输入到MV7000控制单元进行控制.③电容器放电系统当变频器停止，电容器放电至小于50V。④接地故障检测系统直流母线的中性点通过接地故障检测系统连接到大地，当监视到中性点和大地之间的电流大于预设定的阀值时，将会进行接地故障报警.图4.3宜流母线柜Fig.43DCLinkcabinet(3)逆变单元柜逆变单元柜如图4.4所示，由下列元件构成:

用于电机UlflIEGT也冷率事尢四于电机用于电机UlflIEGT也冷率事尢四于电机V杷IEGT格功率单兀用于电机W相图4,4逆变单元柜Fig.4.4Invertercabinet①3个相功率元件变频器每一个相功率单元由J个逆变器功率堆栈,1个续流二极管堆栈及2个箝位电容器组成。续流二极管集成在IEGT中，采用由续流二极管组成的续流二极管堆柱.箝位电容器采用自愈型干式薄膜电容器，它安装在逆变功率单元堆栈的后面.逆变器功率单元堆栈和箝位电容器紧密的连接在一起，减少了连接阻抗和正GT承受的电压.这种系统结构方式使系统的不但使元件数目最小化而且增加了系统的可靠性.门触发驱动板直接安装在1EGT功率单元堆栈上，因此避免了任何布线，同时也防止了电磁误操作的发生。门触发驱动板通过光缆进行控制和监视，一根光缆用于接收IEGT门触发信号.另一根光缆用于传送反馈状态信号.在IEGT发生故障后，将该故障信号传送到主控制器，②输出电流互感器用于测量相功率单元的输出电流。③公共的24V直流触发驱动电源公共的24V直流门触发驱动电源由变压器、整流器和滤波电容组成.（4）控制单元柜控制单元柜如图4.5所示，由下列元件组成：①控制器和远程I/O单元通过控制器来对主传动系统执行调节电动机的速度和转矩等动态性能的控制以及交流输入断路器的控制、电机和变频器的保护等辅助控制等，因此各种不同的电流和电压作为控制器的输入信号，控制器的输出信号用来触发lEGTse通过以太网将远程I/O单元直接连接到PEC控制器的相关槽架上，②低压辅助控制低压辅助控制的230V电压是由UPS供电,它通过继电器输出来控制回路的断路器、接触器和测量装置等.③数据管理器（操作键盘）数据管理器（操作键盘）是一个本地的人机界面接口，图4.5控制单元柜Fig.4.5Thecontrolunitcabinet<5）冷却单元柜冷却单元柜如图4.6所示.本工程主传动变频器功率单元散热所需的冷却水流量为100m3/h,通过检测冷却水的流量，当流量不足时会向控制器发出报警和故障信号。同样的控制方法也可用来控制去离子水的传导性以及冷却水的温度。当去离子水的传导率高于设定值后，打开阀门使去离子水的传导率开始下降，并触发一个故障信号传送到控制器；当下降到某一个低水平值后，阀门被关闭.膨胀槽用于调整冷却水回路的静态压力，通过原水/去离子水热交换器，把变频器中的热量转移到原水上.通过检测冷却单元冷却水的温度，也可以向控制器发出报警和故障信号。图4.6冷却单元柜Fig.4.6Thecoolingunitcabinet主传动电动机本工程的主传动中压变频器非常适合控制交流异步电动机，在低频时甚至在堵转情况下异步电动机也能有良好的调速性能和输出较强的转矩能力。所以轧机主传动电动机都采用了结构简单的鼠笼式异步电动机，当主传动电动机工作在基速以上时，电动机为恒功率的输出特性，当主传动电动机工作在基速以下时，电动机为恒转矩的输出特性。主传动异步电动机在设计时需要满足轧机工艺及布置要求并且要满足以下主要技术性能。（1）能够承受主传动变频器产生的谐波的影响.由于主传动电动机采用变频装置供电，在电机设计时要充分考虑变频装置产生的高次谐波对电动机造成的振动和噪声的影响.由于轧机主电机，工作时须承受频繁的冲击负荷和可逆运行，以及扭振时产生高峰值的交变力矩，电动机结构强度要能承受冲击负荷产生的高应力，必须坚固可靠.轧机电机结构强度设计必须考虑扭振问题。(2)过载能力的要求.轧机主传动电动机过载能力对轧机生产品种、规格影响较大,而且不同轧机对电动机过载要求也是不同的.轧机主传动电动机的过载要求决定于轧制工艺，而允许的过载能力则决定电机的技术标准。(3)电机绝缘.绝缘等级代表电机制造的水平，根据目前国内外电机制造工业的水平，轧钢电动机绝缘等级大部分采用F级绝缘.本工程主传动电动机要求电动机定子、转子为F级绝缭等级，电动机绝缘可承受10kV过电压，而温升按H级考核。这是为轧机短时间超产和生产特殊规格、晶种留有余地，而这一要求也是与过载能力要求相适应的.对于主传动交流变频调速电动机来说，其电源电压中有很高谐波含量，而且电压变化梯度非常高，因此电机定子绕组绝缘强度需要按两倍工作电压设计，并加强匝间绝缭.(4)电动机润滑及供油方式。本工程三台主传动电动机共用一个润滑油站,在电机的运行中低压油和高压油可以始终被注入到轴承内.(5)电动机冷却方式，交流电动机通常采用两种通风冷却方式:一种是密闭循环通风冷却方式。这种通风方式是在电动机下面机坑内，布置个通风道，在风道内设置鼓风机与冷却器,电机与冷却系统是完全分离的。另一种是电动机自带空气一水交换冷却器方式,也称为背包式冷却器冷却方式口背包式冷却器直接与电机本身安装在一起。冷却器采用耐腐蚀材料，并设有检漏传感器，以防止冷却器漏水时冷却水进入电机内部.本工程的主传动电机是采用的就是水冷方式,在主传动电动机上部安装有热交换器,通过闭环水冷却循环系统，把主传动电机本身产生的热损耗传送到外部的水循环系统.为了合理利用资源，主传动电机与主传动变频器共用一个冷却水循环系统，主传动电动机的冷却水量为62m$Th.根据以上各项要求，综合考虑本工程的实际情况、性价比等因素，最终选取YZBPIOOOd型异步电动机为主轧机和卷取电动机,其中主轧机电动机的功率为4400kW,电机在基速和高速时可以1,6倍过载，电动机在1.6倍过载时最大转矩倍数不小于1.2,转动惯量为940kg•卷取机电动机的功率为2600kW，电机在基速时可以有L6倍过载，在高速时可以有倍过载，电动机在1£倍过载时最大转矩倍数不小于12转动惯量为1040kg・M0具体性能参数详见表4,4。

表4.4主传动电动机主要技术参数Tab.4.4Technicaldataofthemainmotors主轧机电动机卷取机电动双数量12电动机型号YZBP1000-4YZBP1000-4电动机功率kw44002600额定电压V2600/33002300/3300额定频率H210.5/49.2910.44/50,35转速r/iuin550/1470309/150。效率%96.4/96.395/94.7功率因数0.9/0.930.9/0.93额定电流A1102/852760/512相数33粮数44绝獴等级FF防护等级IP55IP55冷却方式IC66WIC86T定子接线YY转差率f基速）0.92L35转差率（高速）0.640.694.2硬件设备安装42.1环境条件本工程主传动硬件设备设计满足如下的操作运行环境：<1）环境温度在5P和45它之间.（2）环境相对湿度在5%到95%之间,无冷凝.（3）现场海拔低于1000米，主传动MV7000变频器的冷却水系统必须满足如下的一些特性二（】）已过滤的洁净水.（2）水温在15U和38c之间.（3）工作压力至6barsu4.2.2净空和安装尺寸本工程的轧机电气室为二层建筑物.一层设有变压器室、主传动变频器室及高低压配电室，一层地坪标高比车间地坪高出150mm,一层梁下净空5.8m,二层设有MCC室、PLC室及计算机室，二层梁下净空33