數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置在線材精軋機(jī)組上的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2019-08-02 10:21:28來(lái)源：
數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置在線材精軋機(jī)組上的應(yīng)用
在具有90年代國(guó)際先進(jìn)技術(shù)裝備水平的國(guó)家"八五"重點(diǎn)技改建設(shè)項(xiàng)目大連鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司30萬(wàn)t高精度合金鋼棒線材連軋生產(chǎn)線的10機(jī)架線材無(wú)扭精軋機(jī)組的主傳動(dòng)系統(tǒng)中，我們應(yīng)用了全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)，采用SIEMENS公司的SIMOVERT S電流源交－直－交變頻器型全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置(LCI)控制同步電動(dòng)機(jī)，測(cè)速反饋采用脈沖發(fā)生器，構(gòu)成全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速傳動(dòng)控制系統(tǒng)，即所謂的無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)工藝對(duì)線材精軋機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速高及調(diào)頻范圍寬的要求。 (歡迎來(lái)電咨詢(xún) 鄭州變頻器 網(wǎng)址：m.xtze.cn 電話：0371- 56700815 手機(jī)：15515598858 )
1 SIMOVERT S的配置及功能
SIMOVERT S電流源交－直－交變頻器型全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置是一種具有90年代國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平的組合式全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置，主要用于控制大功率、高轉(zhuǎn)速的同步電動(dòng)機(jī)。整套裝置主要由功率單元、控制單元及勵(lì)磁單元3部分組成，其軟／硬件配置及控制框圖如圖1所示。
UTR/USV/UUK/ULS/ERD/USM/TUE－監(jiān)視功能包；EAL－邏輯控制功能包；AST－順序控制功能包；BED－操作員控制功能包；KLT－通信控制功能包；NRG－速度閉環(huán)控制功能包；MN1/2－電流閉環(huán)控制功能包；SMS－矢量控制功能包；TS12－矢量控制板；OP1－操作面板；ERW－勵(lì)磁給定功能包；MER－勵(lì)磁電流閉環(huán)控制功能包；1－逆變器側(cè)電壓互感器；2－逆變器側(cè)電流互感器；3－整流器側(cè)電流互感器；4－勵(lì)磁單元；5－光電轉(zhuǎn)換器件；6－觸發(fā)單元；x－電機(jī)參數(shù)；CJ－觸發(fā)角計(jì)算；A－監(jiān)控信息引至DIA過(guò)程診斷功能包；VM－電壓模型及實(shí)際值檢測(cè)
1.1功率單元
在線材精軋機(jī)組應(yīng)用的SIMOVERT S中，其功率單元由兩套完全電氣隔離的6脈波電流源交－直－交變頻器組成，從而構(gòu)成12脈波電流源交－直－交變頻器。每套6脈波變頻器主要由整流器、直流耦合電路及逆變器3部分組成，其中整流器、逆變器均采用SITOR晶閘管模塊組成三相全控橋式整流電路；直流耦合電路中的平波電抗器采用環(huán)氧樹(shù)脂澆注型鐵芯電抗器。
由于SIMOVERT S的調(diào)頻范圍較寬，因此，逆變器側(cè)的電流互感器及電壓互感器均采用霍爾效應(yīng)變換器。
1.2控制單元
SIMOVERT S的控制單元采用SIMADYN D全數(shù)字控制系統(tǒng)，它是一種可以自由組態(tài)的多微處理器高速全數(shù)字控制系統(tǒng)，也是SIMOVERTS的核心部分，主要用于實(shí)現(xiàn)SIMOVERT S功率單元及勵(lì)磁單元的各種高速開(kāi)／閉環(huán)控制、運(yùn)算、檢測(cè)、監(jiān)視、報(bào)警及診斷等功能，其全部功能均由基于圖形組態(tài)的控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，并由各微處理器按功能分類(lèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，控制采樣時(shí)間可以小于1ms。SIMADYN D主要由硬件及軟件兩部分組成。
1.2.1硬件配置
SIMADYN D的硬件結(jié)構(gòu)采用模塊組合方式，其全部功能由控制軟件定義。各硬件模塊均采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊，主要有電源板、微處理器板、I／O板、I／O接口板、程序存儲(chǔ)器板、通信板、通信緩沖器板、觸發(fā)器板、診斷板、光電輸入板、光電輸出板及OP1操作面板等，所有硬件模塊均安裝在SIMOVERT S控制柜內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架上，而OP1操作面板則安裝在SIMOVERT S控制柜的門(mén)上。由于應(yīng)用了專(zhuān)業(yè)化及標(biāo)準(zhǔn)化集成技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，因此在SIMADYN D內(nèi)部只需幾種不同類(lèi)型的硬件模塊即可實(shí)現(xiàn)SIMOVERT S的全部控制及保護(hù)功能。
SIMADYN D的各微處理器板之間以及微處理器板與其他外設(shè)控制板之間均通過(guò)局部總線及通信總線進(jìn)行內(nèi)部高速數(shù)據(jù)通信；而SIMOVERTS與其他傳動(dòng)控制系統(tǒng)之間及SIMOVERT S與上級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)之間則通過(guò)I／O板、I／O接口板及通信板等硬件模塊實(shí)現(xiàn)內(nèi)／外部高速數(shù)據(jù)通信。
從控制單元到功率單元的觸發(fā)及檢測(cè)信號(hào)采用光電耦合技術(shù)，即采用光纖電纜及光電轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行傳輸。
1.2.2軟件組態(tài)及功能
SIMADYN D的控制軟件通常稱(chēng)作用戶程序，其結(jié)構(gòu)也采用模塊組合方式。在用戶程序中，有多種類(lèi)型的功能塊(FB)，例如像開(kāi)環(huán)控制塊、閉環(huán)控制塊、邏輯控制塊、算術(shù)塊、I／O控制塊及通信控制塊等，每個(gè)功能塊分別完成特定的控制任務(wù)，它們是用戶程序的比較小組態(tài)單元。將各功能塊進(jìn)行正確的參數(shù)化賦值及有機(jī)連接，即構(gòu)成了軟件功能包(FP)，而各種軟件功能包的有機(jī)組合又構(gòu)成了用戶程序。在SIMOVERT S的用戶程序中，主要有監(jiān)視、邏輯控制、操作員控制、通信控制、閉環(huán)控制及矢量控制等軟件功能包，每個(gè)軟件功能包均實(shí)現(xiàn)一定的系統(tǒng)控制功能。全部用戶程序均采用STRUC G圖形組態(tài)語(yǔ)言進(jìn)行組態(tài)開(kāi)發(fā)。
各軟件功能包按功能類(lèi)別均衡分配，分別由各微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，即所謂的多微處理器、多任務(wù)并行處理技術(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SIMOVERT S的高速控制。
在線材精軋機(jī)組應(yīng)用的SIMOVERT S中，其全部控制及保護(hù)功能均由MP-A200用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)功能類(lèi)別，可以將整套用戶程序分為供電控制、開(kāi)／閉環(huán)控制及勵(lì)磁控制3組軟件功能包。
(1)供電控制
在供電控制中，用UTR／USV／UUK／ULS／ERD／USM／TUE等監(jiān)視功能包實(shí)現(xiàn)對(duì)由SIMOVERT S構(gòu)成的全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速傳動(dòng)控制系統(tǒng)各主要功率器件例如高壓斷路器、功率單元、勵(lì)磁單元、變流變壓器及同步電動(dòng)機(jī)等的綜合監(jiān)視及控制；用邏輯控制功能包EAL綜合各監(jiān)視功能包、順序控制功能包AST的控制信號(hào)及操作員控制功能包BED和通信控制功能包KLT的命令字，實(shí)現(xiàn)對(duì)SIMOVERT S主電路及輔助電路分／合閘的順序控制，它是供電控制的核心；用操作員控制功能包BED實(shí)現(xiàn)對(duì)SIMOVERT S的就地控制，并組態(tài)SIMADYN D的OP1操作面板的輸入及顯示功能；用通信控制功能包KLT與CS51通信板相配合，實(shí)現(xiàn)SIMOVERT S與上級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)之間的連網(wǎng)通信。
(2)開(kāi)／閉環(huán)控制
在開(kāi)／閉環(huán)控制中，用閉環(huán)控制功能包NRG實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器速度環(huán)的閉環(huán)控制及監(jiān)視，用閉環(huán)控制功能包MN1／2實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器電流環(huán)及觸發(fā)單元的閉環(huán)控制及監(jiān)視；用矢量控制功能包SMS與TS12控制板相配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載換相的矢量控制及監(jiān)視，低速運(yùn)行時(shí)斷續(xù)換相觸發(fā)脈沖的控制及監(jiān)視；用過(guò)程診斷功能包DIA實(shí)現(xiàn)對(duì)SIMOVERT S相關(guān)過(guò)程控制量及信號(hào)的實(shí)時(shí)診斷顯示，即首先將各過(guò)程控制量及實(shí)時(shí)信號(hào)存儲(chǔ)在DIA的跟蹤存儲(chǔ)器中，然后可以通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換器隨時(shí)輸出，供故障分析診斷用。
(3)勵(lì)磁控制
在勵(lì)磁控制中，用閉環(huán)控制功能包ERW實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁單元給定值的綜合計(jì)算；用閉環(huán)控制功能包MER實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁單元電流環(huán)和觸發(fā)單元的閉環(huán)控制及監(jiān)視，而且既能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勵(lì)控制，又能實(shí)現(xiàn)弱磁控制，以滿足生產(chǎn)工藝對(duì)SIMOVERT S的調(diào)速要求。
這種軟／硬件結(jié)構(gòu)使得SIMOVERT S整個(gè)控制單元的控制任務(wù)能夠清晰、平衡、有效地在各微處理器板之間進(jìn)行分配，大大提高了工作效率，簡(jiǎn)化了SIMOVERT S的系統(tǒng)組態(tài)、安裝調(diào)試、操作運(yùn)行及故障診斷等過(guò)程。
我們既可以通過(guò)SIMOVERT S控制柜上的OP1操作面板實(shí)現(xiàn)對(duì)該裝置的就地操作，也可以通過(guò)SIMADYN D的CS51通信板從上級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)(或PC機(jī))對(duì)SIMOVERT S進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。
1.3勵(lì)磁單元
SIMOVERT S的勵(lì)磁單元同功率單元一樣，也采用SITOR晶閘管模塊組成三相全控橋式整流電路，實(shí)現(xiàn)6脈沖三相全控整流。
2 SIMOVERT S的工作原理
在SIMOVERT S中，功率單元整流器的晶閘管采用電源的交流電壓換相，逆變器的晶閘管采用負(fù)載同步電動(dòng)機(jī)的定子反電勢(shì)換相；SIMOVERT S輸出電流的輻值由整流器控制，輸出電流的頻率由逆變器控制。在額定轉(zhuǎn)速以下采用恒磁調(diào)壓／調(diào)頻調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速之上，采用恒壓弱磁／調(diào)頻調(diào)速；此外，還可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勵(lì)控制。
在同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的初始階段或運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)其轉(zhuǎn)速低于額定值的10％時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)定子的反電勢(shì)較小，致使逆變器的負(fù)載換相方式不能正常工作，此時(shí)需靠斷續(xù)換相電路控制整流器進(jìn)入逆變狀態(tài)，將直流耦合電壓周期性地反向，迫使直流耦合電流短時(shí)為零，從而使逆變器已導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷能力，然后再適當(dāng)控制整流器，重新建立直流耦合電流，并觸發(fā)逆變器下一對(duì)要導(dǎo)通的晶閘管，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制換相。當(dāng)采用強(qiáng)制換相時(shí)，逆變器以β=0°運(yùn)行，這樣會(huì)有效改善功率因數(shù)，補(bǔ)償由于電流斷續(xù)而產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩降低及輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至超過(guò)其額定值的10％時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子的反電勢(shì)超前，則SIMOVERT S自動(dòng)切除斷續(xù)換相電路，轉(zhuǎn)為負(fù)載換相。 (歡迎來(lái)電咨詢(xún) 鄭州變頻器 網(wǎng)址：m.xtze.cn 電話：0371- 56700815 手機(jī)：15515598858 )
整流器的控制方式采用速度及電流閉環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)，類(lèi)似于直流調(diào)速技術(shù)，同步控制電壓取自電源側(cè)的電壓互感器。逆變器的控制方式采用矢量控制技術(shù)，其負(fù)載換相及強(qiáng)制換相控制均由矢量控制功能包SMS實(shí)現(xiàn)，晶閘管的觸發(fā)脈沖由同步電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)控制。在逆變器的運(yùn)行過(guò)程中，采用霍爾效應(yīng)變換器型的電壓互感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)定子電壓矢量的幅值及角位置，并進(jìn)行綜合補(bǔ)償計(jì)算后產(chǎn)生同步電動(dòng)機(jī)電壓模型的磁通矢量，然后通過(guò)計(jì)算該磁通矢量的角位置，完成對(duì)逆變器晶閘管的觸發(fā)脈沖的同步定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的電壓模型的矢量控制，使逆變器每次都選擇在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通矢量與定子的磁通矢量互相成90°角的時(shí)刻進(jìn)行換相，這樣就保證了電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩比較大，效率比較高。而勵(lì)磁單元的控制方式則采用電流閉環(huán)的單環(huán)控制系統(tǒng)。
在正常運(yùn)行時(shí)，逆變器通過(guò)同步電動(dòng)機(jī)定子電壓及電流的實(shí)際值來(lái)確定轉(zhuǎn)速實(shí)際值，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低于其額定值的10％時(shí)，則采用脈沖發(fā)生器提供附加的轉(zhuǎn)速實(shí)際值。
3 SIMOVERT S的特點(diǎn)及應(yīng)用
在國(guó)外設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)、技術(shù)培訓(xùn)、設(shè)備安裝、冷／熱負(fù)荷調(diào)試及試生產(chǎn)過(guò)程中，我們對(duì)SIMOVERT S在工程設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索及消化吸收，感覺(jué)到線材精軋機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)所用的SIMOVERT S在軟／硬件結(jié)構(gòu)、功能組態(tài)及操作方式等方面具有許多新特點(diǎn)，概括如下。
(1)組態(tài)靈活 由于SIMOVERT S的軟/硬件均采用自由組態(tài)方式，因此，可以根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求隨時(shí)方便、靈活地組態(tài)所需要的各種控制系統(tǒng)。
(2)功能全面 由于SIMOVERT S的控制單元采用了SIMADYN D全數(shù)字控制系統(tǒng)，具有豐富、全面的控制，監(jiān)視及故障診斷功能，因此，大大減少了調(diào)試、維護(hù)及檢修所需的時(shí)間，增加了有效工作時(shí)間。
(3)性能優(yōu)越 由于SIMOVERT S應(yīng)用了矢量控制技術(shù)、多微處理器并行處理技術(shù)及12脈波電流源交－直－交變頻器技術(shù)，使得SIMOVERT S具有優(yōu)越的控制性能，充分滿足了生產(chǎn)工藝對(duì)線材精軋機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求。
(4)操作簡(jiǎn)單 由于采用了友好的窗口界面，且附有各種提示及在線幫助信息，因此極大地方便了用戶的操作。
(5)運(yùn)行可靠 由于SIMOVERT S的全部控制、監(jiān)視及保護(hù)功能均由軟件實(shí)現(xiàn)，從而大大減少了硬件故障隱患點(diǎn)；而且由于其軟／硬件均采用模塊組合技術(shù)，因此當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，大大降低了故障的危害程度及影響范圍；此外由于從控制單元到功率單元的觸發(fā)及檢測(cè)信號(hào)采用光電耦合技術(shù)傳輸，因此增強(qiáng)了抗強(qiáng)電磁干擾能力，確保了觸發(fā)的正確性及可靠性?？傊?，以上各點(diǎn)保證了SIMOVERT S運(yùn)行的高可靠性。
(6)降低干擾 由于采用了12脈波電流源交－直－交變頻器技術(shù)，基本消除了SIMOVERT S所產(chǎn)生的5、7次高次諧波，其他各次高次諧波含量也有不同程度的降低，使電網(wǎng)及同步電動(dòng)機(jī)中的諧波電流大致可以降為6脈波變頻器的1／2，從而大大降低了SIMOVERT S對(duì)電網(wǎng)所造成的高次諧波影響，有效改善了電網(wǎng)質(zhì)量。
在棒線材連軋生產(chǎn)線中，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，線材精軋機(jī)組主傳動(dòng)全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速傳動(dòng)控制系統(tǒng)的典型工作狀況主要有：
(1)額定工作狀況 電壓=2×1450V；電流=2×1205A；功率=5500kW；轉(zhuǎn)速=720r?min－1；頻率=36Hz；勵(lì)磁電壓=86V；勵(lì)磁電流=390A；轉(zhuǎn)矩=72.9kNm；工作制=S9。
(2)強(qiáng)勵(lì)工作狀況 電壓=2×1450V；電流=2×1932A；功率=8800kW；轉(zhuǎn)速=720r?min－1；頻率=36Hz；勵(lì)磁電壓=121V；勵(lì)磁電流=549A；轉(zhuǎn)矩=116.7kNm；工況為峰值時(shí)持續(xù)時(shí)間為60s。
(3)弱磁工作狀況 電壓=2×2000V；電流=2×1405A；功率=8800kW；轉(zhuǎn)速=1600r?min－1；頻率=80Hz；勵(lì)磁電壓=76V；勵(lì)磁電流=348A；轉(zhuǎn)矩=52.5kNm；工況為峰值時(shí)持續(xù)時(shí)間為60s。
針對(duì)電流源交－直－交變頻器的輸出電流波形為梯形，存在輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及過(guò)載能力低的缺點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上主要采取了以下幾點(diǎn)措施。
(1)SIMOVERT S的功率單元采用12脈波電流源交－直－交變頻器技術(shù)，控制單元采用矢量控制技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，同時(shí)電動(dòng)機(jī)采用雙定子繞組結(jié)構(gòu)的隱極式同步電動(dòng)機(jī)，從而有效地改善了輸出電流的波形質(zhì)量，降低了輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，即使在同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中也能保證較小的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，一般可以將輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降為6脈波變頻器的1／2～1／3，從而大大提高了SIMOVERT S的控制性能。
(2)SIMOVERT S功率單元及控制單元的硬件分別采用高性能的功率器件和控制元件，并通過(guò)控制軟件對(duì)逆變器換相進(jìn)行先進(jìn)的矢量控制，從而使SIMOVERT S的過(guò)載能力可達(dá)150％，基本克服了普通電流源交－直－交變頻器過(guò)載能力低的缺點(diǎn)。
目前，線材精軋機(jī)組已順利通過(guò)冷／熱負(fù)荷調(diào)試，并轉(zhuǎn)入正式生產(chǎn)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該裝置的性能優(yōu)越、工作穩(wěn)定，具有高效、低耗等特點(diǎn)，充分保證了連軋生產(chǎn)的正常進(jìn)行及線材成品質(zhì)量。 (歡迎來(lái)電咨詢(xún) 鄭州變頻器 網(wǎng)址：m.xtze.cn 電話：0371- 56700815 手機(jī)：15515598858 )
由以上介紹可以看到，應(yīng)用SIMOVERT S這樣組態(tài)靈活、功能全面、性能優(yōu)越、界面友好、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置，可以有效簡(jiǎn)化工程設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試過(guò)程，縮短工程建設(shè)周期，降低工程造價(jià)，提高電氣設(shè)備的控制性能及運(yùn)行可靠性，減少電氣設(shè)備維護(hù)、檢修的工作量，充分滿足生產(chǎn)工藝的要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量，獲得很好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，具有廣闊的發(fā)展前景。
1 SIMOVERT S的配置及功能
SIMOVERT S電流源交－直－交變頻器型全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置是一種具有90年代國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平的組合式全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置，主要用于控制大功率、高轉(zhuǎn)速的同步電動(dòng)機(jī)。整套裝置主要由功率單元、控制單元及勵(lì)磁單元3部分組成，其軟／硬件配置及控制框圖如圖1所示。
UTR/USV/UUK/ULS/ERD/USM/TUE－監(jiān)視功能包；EAL－邏輯控制功能包；AST－順序控制功能包；BED－操作員控制功能包；KLT－通信控制功能包；NRG－速度閉環(huán)控制功能包；MN1/2－電流閉環(huán)控制功能包；SMS－矢量控制功能包；TS12－矢量控制板；OP1－操作面板；ERW－勵(lì)磁給定功能包；MER－勵(lì)磁電流閉環(huán)控制功能包；1－逆變器側(cè)電壓互感器；2－逆變器側(cè)電流互感器；3－整流器側(cè)電流互感器；4－勵(lì)磁單元；5－光電轉(zhuǎn)換器件；6－觸發(fā)單元；x－電機(jī)參數(shù)；CJ－觸發(fā)角計(jì)算；A－監(jiān)控信息引至DIA過(guò)程診斷功能包；VM－電壓模型及實(shí)際值檢測(cè)
1.1功率單元
在線材精軋機(jī)組應(yīng)用的SIMOVERT S中，其功率單元由兩套完全電氣隔離的6脈波電流源交－直－交變頻器組成，從而構(gòu)成12脈波電流源交－直－交變頻器。每套6脈波變頻器主要由整流器、直流耦合電路及逆變器3部分組成，其中整流器、逆變器均采用SITOR晶閘管模塊組成三相全控橋式整流電路；直流耦合電路中的平波電抗器采用環(huán)氧樹(shù)脂澆注型鐵芯電抗器。
由于SIMOVERT S的調(diào)頻范圍較寬，因此，逆變器側(cè)的電流互感器及電壓互感器均采用霍爾效應(yīng)變換器。
1.2控制單元
SIMOVERT S的控制單元采用SIMADYN D全數(shù)字控制系統(tǒng)，它是一種可以自由組態(tài)的多微處理器高速全數(shù)字控制系統(tǒng)，也是SIMOVERTS的核心部分，主要用于實(shí)現(xiàn)SIMOVERT S功率單元及勵(lì)磁單元的各種高速開(kāi)／閉環(huán)控制、運(yùn)算、檢測(cè)、監(jiān)視、報(bào)警及診斷等功能，其全部功能均由基于圖形組態(tài)的控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，并由各微處理器按功能分類(lèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，控制采樣時(shí)間可以小于1ms。SIMADYN D主要由硬件及軟件兩部分組成。
1.2.1硬件配置
SIMADYN D的硬件結(jié)構(gòu)采用模塊組合方式，其全部功能由控制軟件定義。各硬件模塊均采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊，主要有電源板、微處理器板、I／O板、I／O接口板、程序存儲(chǔ)器板、通信板、通信緩沖器板、觸發(fā)器板、診斷板、光電輸入板、光電輸出板及OP1操作面板等，所有硬件模塊均安裝在SIMOVERT S控制柜內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架上，而OP1操作面板則安裝在SIMOVERT S控制柜的門(mén)上。由于應(yīng)用了專(zhuān)業(yè)化及標(biāo)準(zhǔn)化集成技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，因此在SIMADYN D內(nèi)部只需幾種不同類(lèi)型的硬件模塊即可實(shí)現(xiàn)SIMOVERT S的全部控制及保護(hù)功能。
SIMADYN D的各微處理器板之間以及微處理器板與其他外設(shè)控制板之間均通過(guò)局部總線及通信總線進(jìn)行內(nèi)部高速數(shù)據(jù)通信；而SIMOVERTS與其他傳動(dòng)控制系統(tǒng)之間及SIMOVERT S與上級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)之間則通過(guò)I／O板、I／O接口板及通信板等硬件模塊實(shí)現(xiàn)內(nèi)／外部高速數(shù)據(jù)通信。
從控制單元到功率單元的觸發(fā)及檢測(cè)信號(hào)采用光電耦合技術(shù)，即采用光纖電纜及光電轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行傳輸。
1.2.2軟件組態(tài)及功能
SIMADYN D的控制軟件通常稱(chēng)作用戶程序，其結(jié)構(gòu)也采用模塊組合方式。在用戶程序中，有多種類(lèi)型的功能塊(FB)，例如像開(kāi)環(huán)控制塊、閉環(huán)控制塊、邏輯控制塊、算術(shù)塊、I／O控制塊及通信控制塊等，每個(gè)功能塊分別完成特定的控制任務(wù)，它們是用戶程序的比較小組態(tài)單元。將各功能塊進(jìn)行正確的參數(shù)化賦值及有機(jī)連接，即構(gòu)成了軟件功能包(FP)，而各種軟件功能包的有機(jī)組合又構(gòu)成了用戶程序。在SIMOVERT S的用戶程序中，主要有監(jiān)視、邏輯控制、操作員控制、通信控制、閉環(huán)控制及矢量控制等軟件功能包，每個(gè)軟件功能包均實(shí)現(xiàn)一定的系統(tǒng)控制功能。全部用戶程序均采用STRUC G圖形組態(tài)語(yǔ)言進(jìn)行組態(tài)開(kāi)發(fā)。
各軟件功能包按功能類(lèi)別均衡分配，分別由各微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，即所謂的多微處理器、多任務(wù)并行處理技術(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SIMOVERT S的高速控制。
在線材精軋機(jī)組應(yīng)用的SIMOVERT S中，其全部控制及保護(hù)功能均由MP-A200用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)功能類(lèi)別，可以將整套用戶程序分為供電控制、開(kāi)／閉環(huán)控制及勵(lì)磁控制3組軟件功能包。
(1)供電控制
在供電控制中，用UTR／USV／UUK／ULS／ERD／USM／TUE等監(jiān)視功能包實(shí)現(xiàn)對(duì)由SIMOVERT S構(gòu)成的全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速傳動(dòng)控制系統(tǒng)各主要功率器件例如高壓斷路器、功率單元、勵(lì)磁單元、變流變壓器及同步電動(dòng)機(jī)等的綜合監(jiān)視及控制；用邏輯控制功能包EAL綜合各監(jiān)視功能包、順序控制功能包AST的控制信號(hào)及操作員控制功能包BED和通信控制功能包KLT的命令字，實(shí)現(xiàn)對(duì)SIMOVERT S主電路及輔助電路分／合閘的順序控制，它是供電控制的核心；用操作員控制功能包BED實(shí)現(xiàn)對(duì)SIMOVERT S的就地控制，并組態(tài)SIMADYN D的OP1操作面板的輸入及顯示功能；用通信控制功能包KLT與CS51通信板相配合，實(shí)現(xiàn)SIMOVERT S與上級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)之間的連網(wǎng)通信。
(2)開(kāi)／閉環(huán)控制
在開(kāi)／閉環(huán)控制中，用閉環(huán)控制功能包NRG實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器速度環(huán)的閉環(huán)控制及監(jiān)視，用閉環(huán)控制功能包MN1／2實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器電流環(huán)及觸發(fā)單元的閉環(huán)控制及監(jiān)視；用矢量控制功能包SMS與TS12控制板相配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載換相的矢量控制及監(jiān)視，低速運(yùn)行時(shí)斷續(xù)換相觸發(fā)脈沖的控制及監(jiān)視；用過(guò)程診斷功能包DIA實(shí)現(xiàn)對(duì)SIMOVERT S相關(guān)過(guò)程控制量及信號(hào)的實(shí)時(shí)診斷顯示，即首先將各過(guò)程控制量及實(shí)時(shí)信號(hào)存儲(chǔ)在DIA的跟蹤存儲(chǔ)器中，然后可以通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換器隨時(shí)輸出，供故障分析診斷用。
(3)勵(lì)磁控制
在勵(lì)磁控制中，用閉環(huán)控制功能包ERW實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁單元給定值的綜合計(jì)算；用閉環(huán)控制功能包MER實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁單元電流環(huán)和觸發(fā)單元的閉環(huán)控制及監(jiān)視，而且既能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勵(lì)控制，又能實(shí)現(xiàn)弱磁控制，以滿足生產(chǎn)工藝對(duì)SIMOVERT S的調(diào)速要求。
這種軟／硬件結(jié)構(gòu)使得SIMOVERT S整個(gè)控制單元的控制任務(wù)能夠清晰、平衡、有效地在各微處理器板之間進(jìn)行分配，大大提高了工作效率，簡(jiǎn)化了SIMOVERT S的系統(tǒng)組態(tài)、安裝調(diào)試、操作運(yùn)行及故障診斷等過(guò)程。
我們既可以通過(guò)SIMOVERT S控制柜上的OP1操作面板實(shí)現(xiàn)對(duì)該裝置的就地操作，也可以通過(guò)SIMADYN D的CS51通信板從上級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)(或PC機(jī))對(duì)SIMOVERT S進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。
1.3勵(lì)磁單元
SIMOVERT S的勵(lì)磁單元同功率單元一樣，也采用SITOR晶閘管模塊組成三相全控橋式整流電路，實(shí)現(xiàn)6脈沖三相全控整流。
2 SIMOVERT S的工作原理
在SIMOVERT S中，功率單元整流器的晶閘管采用電源的交流電壓換相，逆變器的晶閘管采用負(fù)載同步電動(dòng)機(jī)的定子反電勢(shì)換相；SIMOVERT S輸出電流的輻值由整流器控制，輸出電流的頻率由逆變器控制。在額定轉(zhuǎn)速以下采用恒磁調(diào)壓／調(diào)頻調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速之上，采用恒壓弱磁／調(diào)頻調(diào)速；此外，還可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勵(lì)控制。
在同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的初始階段或運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)其轉(zhuǎn)速低于額定值的10％時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)定子的反電勢(shì)較小，致使逆變器的負(fù)載換相方式不能正常工作，此時(shí)需靠斷續(xù)換相電路控制整流器進(jìn)入逆變狀態(tài)，將直流耦合電壓周期性地反向，迫使直流耦合電流短時(shí)為零，從而使逆變器已導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷能力，然后再適當(dāng)控制整流器，重新建立直流耦合電流，并觸發(fā)逆變器下一對(duì)要導(dǎo)通的晶閘管，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制換相。當(dāng)采用強(qiáng)制換相時(shí)，逆變器以β=0°運(yùn)行，這樣會(huì)有效改善功率因數(shù)，補(bǔ)償由于電流斷續(xù)而產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩降低及輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至超過(guò)其額定值的10％時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子的反電勢(shì)超前，則SIMOVERT S自動(dòng)切除斷續(xù)換相電路，轉(zhuǎn)為負(fù)載換相。 (歡迎來(lái)電咨詢(xún) 鄭州變頻器 網(wǎng)址：m.xtze.cn 電話：0371- 56700815 手機(jī)：15515598858 )
整流器的控制方式采用速度及電流閉環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)，類(lèi)似于直流調(diào)速技術(shù)，同步控制電壓取自電源側(cè)的電壓互感器。逆變器的控制方式采用矢量控制技術(shù)，其負(fù)載換相及強(qiáng)制換相控制均由矢量控制功能包SMS實(shí)現(xiàn)，晶閘管的觸發(fā)脈沖由同步電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)控制。在逆變器的運(yùn)行過(guò)程中，采用霍爾效應(yīng)變換器型的電壓互感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)定子電壓矢量的幅值及角位置，并進(jìn)行綜合補(bǔ)償計(jì)算后產(chǎn)生同步電動(dòng)機(jī)電壓模型的磁通矢量，然后通過(guò)計(jì)算該磁通矢量的角位置，完成對(duì)逆變器晶閘管的觸發(fā)脈沖的同步定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的電壓模型的矢量控制，使逆變器每次都選擇在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通矢量與定子的磁通矢量互相成90°角的時(shí)刻進(jìn)行換相，這樣就保證了電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩比較大，效率比較高。而勵(lì)磁單元的控制方式則采用電流閉環(huán)的單環(huán)控制系統(tǒng)。
在正常運(yùn)行時(shí)，逆變器通過(guò)同步電動(dòng)機(jī)定子電壓及電流的實(shí)際值來(lái)確定轉(zhuǎn)速實(shí)際值，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低于其額定值的10％時(shí)，則采用脈沖發(fā)生器提供附加的轉(zhuǎn)速實(shí)際值。
3 SIMOVERT S的特點(diǎn)及應(yīng)用
在國(guó)外設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)、技術(shù)培訓(xùn)、設(shè)備安裝、冷／熱負(fù)荷調(diào)試及試生產(chǎn)過(guò)程中，我們對(duì)SIMOVERT S在工程設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索及消化吸收，感覺(jué)到線材精軋機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)所用的SIMOVERT S在軟／硬件結(jié)構(gòu)、功能組態(tài)及操作方式等方面具有許多新特點(diǎn)，概括如下。
(1)組態(tài)靈活 由于SIMOVERT S的軟/硬件均采用自由組態(tài)方式，因此，可以根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求隨時(shí)方便、靈活地組態(tài)所需要的各種控制系統(tǒng)。
(2)功能全面 由于SIMOVERT S的控制單元采用了SIMADYN D全數(shù)字控制系統(tǒng)，具有豐富、全面的控制，監(jiān)視及故障診斷功能，因此，大大減少了調(diào)試、維護(hù)及檢修所需的時(shí)間，增加了有效工作時(shí)間。
(3)性能優(yōu)越 由于SIMOVERT S應(yīng)用了矢量控制技術(shù)、多微處理器并行處理技術(shù)及12脈波電流源交－直－交變頻器技術(shù)，使得SIMOVERT S具有優(yōu)越的控制性能，充分滿足了生產(chǎn)工藝對(duì)線材精軋機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求。
(4)操作簡(jiǎn)單 由于采用了友好的窗口界面，且附有各種提示及在線幫助信息，因此極大地方便了用戶的操作。
(5)運(yùn)行可靠 由于SIMOVERT S的全部控制、監(jiān)視及保護(hù)功能均由軟件實(shí)現(xiàn)，從而大大減少了硬件故障隱患點(diǎn)；而且由于其軟／硬件均采用模塊組合技術(shù)，因此當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，大大降低了故障的危害程度及影響范圍；此外由于從控制單元到功率單元的觸發(fā)及檢測(cè)信號(hào)采用光電耦合技術(shù)傳輸，因此增強(qiáng)了抗強(qiáng)電磁干擾能力，確保了觸發(fā)的正確性及可靠性?？傊?，以上各點(diǎn)保證了SIMOVERT S運(yùn)行的高可靠性。
(6)降低干擾 由于采用了12脈波電流源交－直－交變頻器技術(shù)，基本消除了SIMOVERT S所產(chǎn)生的5、7次高次諧波，其他各次高次諧波含量也有不同程度的降低，使電網(wǎng)及同步電動(dòng)機(jī)中的諧波電流大致可以降為6脈波變頻器的1／2，從而大大降低了SIMOVERT S對(duì)電網(wǎng)所造成的高次諧波影響，有效改善了電網(wǎng)質(zhì)量。
在棒線材連軋生產(chǎn)線中，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，線材精軋機(jī)組主傳動(dòng)全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速傳動(dòng)控制系統(tǒng)的典型工作狀況主要有：
(1)額定工作狀況 電壓=2×1450V；電流=2×1205A；功率=5500kW；轉(zhuǎn)速=720r?min－1；頻率=36Hz；勵(lì)磁電壓=86V；勵(lì)磁電流=390A；轉(zhuǎn)矩=72.9kNm；工作制=S9。
(2)強(qiáng)勵(lì)工作狀況 電壓=2×1450V；電流=2×1932A；功率=8800kW；轉(zhuǎn)速=720r?min－1；頻率=36Hz；勵(lì)磁電壓=121V；勵(lì)磁電流=549A；轉(zhuǎn)矩=116.7kNm；工況為峰值時(shí)持續(xù)時(shí)間為60s。
(3)弱磁工作狀況 電壓=2×2000V；電流=2×1405A；功率=8800kW；轉(zhuǎn)速=1600r?min－1；頻率=80Hz；勵(lì)磁電壓=76V；勵(lì)磁電流=348A；轉(zhuǎn)矩=52.5kNm；工況為峰值時(shí)持續(xù)時(shí)間為60s。
針對(duì)電流源交－直－交變頻器的輸出電流波形為梯形，存在輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及過(guò)載能力低的缺點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上主要采取了以下幾點(diǎn)措施。
(1)SIMOVERT S的功率單元采用12脈波電流源交－直－交變頻器技術(shù)，控制單元采用矢量控制技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，同時(shí)電動(dòng)機(jī)采用雙定子繞組結(jié)構(gòu)的隱極式同步電動(dòng)機(jī)，從而有效地改善了輸出電流的波形質(zhì)量，降低了輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，即使在同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中也能保證較小的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，一般可以將輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降為6脈波變頻器的1／2～1／3，從而大大提高了SIMOVERT S的控制性能。
(2)SIMOVERT S功率單元及控制單元的硬件分別采用高性能的功率器件和控制元件，并通過(guò)控制軟件對(duì)逆變器換相進(jìn)行先進(jìn)的矢量控制，從而使SIMOVERT S的過(guò)載能力可達(dá)150％，基本克服了普通電流源交－直－交變頻器過(guò)載能力低的缺點(diǎn)。
目前，線材精軋機(jī)組已順利通過(guò)冷／熱負(fù)荷調(diào)試，并轉(zhuǎn)入正式生產(chǎn)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該裝置的性能優(yōu)越、工作穩(wěn)定，具有高效、低耗等特點(diǎn)，充分保證了連軋生產(chǎn)的正常進(jìn)行及線材成品質(zhì)量。 (歡迎來(lái)電咨詢(xún) 鄭州變頻器 網(wǎng)址：m.xtze.cn 電話：0371- 56700815 手機(jī)：15515598858 )
由以上介紹可以看到，應(yīng)用SIMOVERT S這樣組態(tài)靈活、功能全面、性能優(yōu)越、界面友好、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的全數(shù)字大功率交流變頻調(diào)速裝置，可以有效簡(jiǎn)化工程設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試過(guò)程，縮短工程建設(shè)周期，降低工程造價(jià)，提高電氣設(shè)備的控制性能及運(yùn)行可靠性，減少電氣設(shè)備維護(hù)、檢修的工作量，充分滿足生產(chǎn)工藝的要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量，獲得很好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，具有廣闊的發(fā)展前景。