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变频器在厚板厂精整设备驱动中的应用

变频器在厚板厂精整设备驱动中的应用 2011年12月04日 来源： 摘要：本文主要以Masterdrives为例，介绍了SIEMENS变频器在冶金工业系统中驱动中的应用，着重地讨论了其系统配置、控制原理及性能；并结合厚板厂热处理线的特点，对冗余的双CBP通讯控制也进行了阐述。关键词：变频器；Masterdrives；双CBP1 引言宝钢5000mm厚板轧机是目前我国厚板厂中最宽的现代化轧机之一，主要由板坯库、加热炉、精轧机（粗轧机预留）、ACC、热矫、冷床、剪切线、精整、特厚板设备、热处理线、冷矫、涂漆线以及磨辊间、成品库等部分组成；分前区轧机和后区精整两部分组织生产。在精整区域中，涉及设计、供货厂商不下十家，主体硬件使用SIEMENS SIMOVERT-Masterdrives变频器，可以用于交流鼠笼异步机和小容量的同步电机。变频器将三相固定频率和电压的输入电源转换为三相交流可变频率和电压的输出电源，为交—直—交变频控制，由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗无关，而交流侧的电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形或接近三角波，或接近正弦波。变频器使用形式各自不同：厚板厂主体驱动设备由德国SIEMENS提供，用的是标准的6SE70系列SIMOVERT Masterdrives变频器控制，为柜式传动单元集中控制，如冷床、剪切线、冷矫、涂漆线、喷印机及各类辊道控制；也有的采用SIMOVERT紧凑式单元单独控制，具有单体容量小、体积小、便于控制等特点，如LOI提供的热处理线，这条线与其它各生产线驱动控制相比，还有一个特点，就是采用了冗余的CBP2控制，提高了系统的稳定性能；也有采用6SE71系列的SIMOVERT变频器产品，如USF设计的抛丸线，这种驱动设备采用的是SIEMENS整合技术，结构标准、使用也相当可靠。当然，从投资部分考虑，对小区域辅助设备也采用了部分MICROMASTER变频装置。下面主要着重介绍各种形式的SIMOVERT-Masterdrives变频器在厚板厂精整区域使用。2 Masterdrives变频器在主线中的应用Masterdrives变频器控制系统主回路由三部分构成：整流单元、直流母线单元和逆变单元构成如图1、图2所示。整个系统包括外辅24V DC电源、进线端、出线端、参数设定单元、选键板接口、操作面板接口、控制总线接口、开关量输入端口及模拟量端口。在整流与逆变装置之间有预充电电路回路，母线端还连接有制动单元与制动电阻。控制部分可分别对整流单元、DC母线及预充电电阻单元和逆变单元进行控制。

图1 Masterdrives 控制示意图

Masterdrives的整流单元采用6脉波三相全控整流电路，将整流过的电网电压、电流直接输出到滤波电容器的直流母线上，使输出线电压波形中不含有低次谐波，通过对直流母线中的电容滤波器控制。整流部分和再生回馈装置全部由AFE控制系统控制，其特点主要是根据电网的电压变化来调整直流母排上的电压，保持母线上的电压稳定，不至于低于或高于额定电压；再根据母排上的电压调整成为标准的额定输出电压反馈回电网。

图2 Masterdrives 控制原理图

准Masterdrives系统是电压源变频器，带公共直流母线,当电能需要回馈到电网时，在直流母线和电网又连接有再生回馈装置,整流变压器向一个或多个整流回馈单元供电。公用直流母线供电方式对节约尤其节能方面有突出效果：首先避免了每台电动机的变频器都必须设置整流单元，节省了投资；其次多电动机传动中每台单机的再生能量能够相互利用，而且发电功率大于电动功率时，制动引起的再生能量可以用公用的回馈单元将电能回馈电网，节约了能源。Masterdrives逆变单元采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路，为了能够达到输出的额定电压，则需通过对IGBT进行控制调压，当负载电压和电流反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧。其控制部分为CUVC板，主要控制逆变电路的电流环、速度环，使电动机在理想状态下运行,实现网络通讯、监视、跟踪等方面的控制。连接CUVC板的底板有6个插槽，分别可以连接附件板，诸如：工艺板T400、T300和T100，通讯板CBP和SLB，本机串行口SST1和SST2，扩展板I/O接口EB1和EB2。通过连接附加功能板，可以进行同步控制、串行通讯控制、网络通讯控制、测速机闭环控制。对有调速要求的辅传动系统，采用全数字电压源型IGBT交—直—交变频调速系统。大多数采用集中公共整流加独立逆变器的方案，将调速电机分成若干供电组，每组由一个整流回馈单元向公共直流母线供电，公共直流母线上可以连接4-15个IGBT逆变器，逆变器向电机提供变频电源。其中，逆变器和电动机一对一供电传动系统采用矢量控制方式，多电机共用逆变器的传动系统采用调频调压控制方式。3 双CBP2板在热处理冗余系统中的应用宝钢厚板厂一期热处理线包括一条抛丸线、入炉辊道、对中装置、氮气保护无氧化加热的连续式辊底式热处理炉、辊压式淬火机、出炉辊道和热处理冷床等，可以实现正火、淬火、回火和调质工艺，完成热处理后，经冷矫直机、喷印机后送入成品库。其产品可以用于桥梁、船板、压力容器、结构用钢和工具钢等。热处理炉由109根单独传动的炉辊驱动，炉内速度0.25-20m/min，出炉辊道速度0.25-40m/min，可实现摆动式加热或保温；采用氮气保护气氛，268个自换热、辐射管式烧嘴高效节能，采用ON/OFF循环脉冲控制方式，确保加热温度受控、性能均匀；上下分10个控制区域实施温度控制。热处理炉工作温度可达950℃，如果在工作状态中停炉，势必将导致炉辊损伤和钢板报废。所以在设计时，充分考虑了热处理线运行的稳定性、可靠性，从控制系统的冗余、供电母排联接结构、低压开关自动切换、UPS和柴油发电机的配合使用等。厚板厂热处理线使用6个SIEMENS CPU414-H PLC实现AC、BC和QC控制；采用的是热冗余方式，可以在PLC主体故障时，无间隙的进行主从自动切换。对于PLC来讲，在每个UR1上增加2只H同步子模块，通过适当的光纤连接组网，这样连接起来的PLC可以信息交换和相互检测。在完成硬件组态后，不再需要软件方面额外的程序编制，SIEMENS对此都有标准的模块。对于传动装置要与这样的冗余控制系统相匹配，可以采用Y-Link模式或双CBP2模式。两种模式的主要差别在于CBP2的使用上：前者使用单独的CBP2，如果出现故障，则冗余系统无法发挥作用；后者在设计上考虑了传动的通讯配置，只要有一块CBP2正常工作，系统就能正常工作。考虑到热处理炉动力主要来自109只炉辊，控制炉辊的传动应该尽可能可靠.从这种观点出发，双通讯卡模式性能更可靠。在设计时，宝钢选用了双CBP2通讯模块，配合RS-485中继器，完成了传动通讯的冗余控制，如图3所示。

图3 双CBP2模式实现传动通讯冗余

4 其它电机驱动应用对于生产线上成组传动的辊道电机，大多数为多电机共用逆变器的传动系统。每组辊道电机配置有一个辊道开关箱，全生产线大约有200个辊道开关箱，由于变频装置要求连接到传动电动机的电缆不宜过长，所以辊道开关箱的位置要尽量靠近辊道电机，以减少逆变器到辊道电机电缆的总长度，提高系统运行的可靠性。由于全线辊道开关箱位置分散，每组开关箱内开关的开闭状态要通过远程I/O站输入PLC，每台开关箱内设置电动机绝缘检测装置。对于公用直流母线上逆变器所带的多电机组，为了保证隔离，通过使用直流回路的电气耦合单元，使逆变器从直流母线上接入或断开。这就保证了当一台电动机或者一组电动机出现故障时能够单独将其从公用直流母线上断开，进行单独的检修，而不会影响整个系统和生产的正常秩序。无调速要求的一般传动系统如润滑及液压站，除磷泵站等设施的传动系统，250kW以上采用6kV供电，250kW及以下采用380V供电。厚板生产线设备上的液压站、润滑站即剪切精整设备低压恒速电动机由MCC传动，每组MCC配置有远程I/O站，通过PLC实现了远程监控。5 结束语厚板的精整比冷轧、热轧的传统工艺更复杂、种类更多，目前的精整区域占宝钢厚板厂的2/3以上。而SIEMENS SIMOVERT-Masterdrives变频器功能强大、控制精度高、性能灵活，带上附加控制板，甚至可以实现PID-调节、自动再起动、捕捉再起动、Vdmax-调节器、直接抱闸控制、直接能耗制动等功能，非常适合现代化冶金工业企业的综合应用。原载《变频器世界》(end)

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