中寬帶軋機主傳動控制系統(tǒng)

摘要 本文結合具體工程實例詳細分析了交流同步大電動機的交交變頻控制系統(tǒng)。

關鍵詞 交流同步電機；交交變頻控制；SIMADYN D

中圖分類號 TB486 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-（2012）122-0196-02

1 概述

交交變頻控制系統(tǒng)具有功率因數(shù)較高、運行效率高、節(jié)省成本的優(yōu)勢。

某中寬帶工程中R1四輥可逆軋機電機6800 kW，二臺，轉速50/110 r/min，精軋機組四輥軋機機列由F1-F7組成，F(xiàn)1-F3電機7000 kW，轉速160/400 r/min F4-F5電機，6500 kW，轉速150/520 r/min，F(xiàn)6-F7電機，6000 kW轉速200/650 r/min，以上電機均為交流同步電機.

主傳動電動機為交交變頻變流裝置供電的交流同步機，控制裝置采用SIEMENS公司的SIMADYN D全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)。

每套交交變頻器由三臺電網(wǎng)自然換流無環(huán)流可逆的三相橋式變流器組成，對應同步電機定子A，B，C三相，每相連接成三相橋式電路。三相交交變頻器采用邏輯無環(huán)流、三相有中點方式，由一臺原、副邊三分裂整流變壓器供電，兩臺電機整流變壓器接法互相錯開，以減少供電高次諧波。輸出端采用星點聯(lián)接，電機定子繞組為三相星接，電機星點和變頻器星點獨立。

這種結構的優(yōu)點是：可以采用交流偏置技術，使整流變壓器二次電壓降低、晶閘管電壓安全系數(shù)提高、變頻器容量降低、電機內無三次諧波。

同步機定子三相交交變頻采用邏輯無環(huán)流三相有中點方式，其特點為：

·采用耐壓4200 V晶閘管元件，交交變頻器最大輸出峰值電壓2333 V。

·采用全關斷光電檢測零電流技術，使無環(huán)流切換死區(qū)減少到≤1.1 ms；

·采用LEM電壓變換器，以實現(xiàn)實際電壓值的檢測。

·采用變頻器輸出側直流電流檢測做電流閉環(huán)控制、及電流保護。

·采用六脈沖傳輸同軸電纜，提高了觸發(fā)系統(tǒng)的抗干擾能力；

·每臺主柜門板都裝有集中顯示器，以顯示各功率單元的工作情況及主柜的通風情況。

本系統(tǒng)采用西門子公司的SIMADYN D全數(shù)字控制系統(tǒng)電機實現(xiàn)控制，并以光線通訊加以連接，在系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、監(jiān)視和統(tǒng)一管理。

系統(tǒng)的基本組態(tài)如下所述：

以SIMADYN D為基礎的傳動控制級，完成對電機的調速控制，包括同步電機的矢量控制、電機的啟?？刂坪碗姍C保護，同時為了使SIMADYN D能實現(xiàn)本地現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，故障顯示及診斷，建立了本地通訊網(wǎng)。

采用一套數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)實現(xiàn)綜合控制，將SIMADYN D設備及上位機有機地連接起來幫助實現(xiàn)高級控制和集中管理。

交流同步電動機采用自同步控制方式，定子電流由磁場定向控制系統(tǒng)分解為兩個獨立的直流分量，即電流的轉矩分量IM和勵磁分量IF。與直流調速相同，轉矩分量設定值由速度調節(jié)器決定，勵磁分量設定值由電動機功率因數(shù)cosφ及電流模型計算出來。與同步電動機同軸相聯(lián)的光電編碼器檢測電動機的轉子位置信號cosγ和sinγ，由轉子模型單元計算出負載角cosδ和sinδ，以及勵磁電流給定值Ifd。轉子位置角γ與負載角δ相加可得磁場定向旋轉角θ。根據(jù)當前電動機運行的實際反饋值及系統(tǒng)設定值，計算出給定電流的轉矩分量及勵磁分量，給定電壓的轉矩分量和勵磁分量，再經(jīng)過矢量的旋轉變換和2/3變換，形成三相定子電流給定值Ia、Ib、Ic，這些值送入帶電流斷續(xù)自適應調節(jié)，電壓前饋控制的電流調節(jié)系統(tǒng)。

在軋機主傳動系統(tǒng)中，每臺同步電機都配有一套SIMADYN D控制系統(tǒng)，以完成各自的電機控制、保護和故障診斷等任務。

SIMADYN D控制系統(tǒng)硬件由雙高度歐洲標準尺寸的高抗干擾和容錯性的插入式線路板組成，模板按功能分為通用處理器板、特殊任務處理器板、存儲器板、數(shù)字輸入/輸出板、模擬輸入/輸出板，根據(jù)不同的任務需要可任意配置。

各處理器之間的數(shù)據(jù)傳送通過C總線和L總線兩種總線來完成，每個處理器模板都有它自己的程序和數(shù)據(jù)存儲器，可以獨立地完成分配給它的任務，并實現(xiàn)多處理器并行工作。

外部開關信號通過輸入/輸出模塊連接，這些標準接口模塊提供電氣隔離、信號的匹配和變換，用于操作監(jiān)視和服務的外圍裝置通過總線或串行接口聯(lián)接起來。

同時，SIMADYN D還提供多種通訊手段與其他設備、系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，包括控制裝置與上位機間的通訊；控制裝置與HMI間的通訊；控制裝置之間的通訊以及與下位機間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊取?/p>

本項目中SIMADYN D控制系統(tǒng)實現(xiàn)交交變頻同步電機矢量變換運算。系統(tǒng)還分別給各個處理器設計了管理程序，用來管理通過系統(tǒng)內部總線的處理器之間的數(shù)據(jù)交換，通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)與遠程I/O站的數(shù)據(jù)交換，SIMADYN D設備與上位機的數(shù)據(jù)傳輸以及與用于實現(xiàn)故障診斷、運行監(jiān)控畫面之間的信息傳遞由通訊網(wǎng)絡完成，同時，系統(tǒng)支持運行中的在線調試。

軟件主要功能：

閉環(huán)控制功能

開環(huán)控制功能

定位功能

邏輯控制功能

扁頭定位功能

負荷平衡控制功能

防扭振控制功能

控制系統(tǒng)通訊

整個通訊系統(tǒng)按不同的通訊任務分為三個層次進行設計：

SIMADYN D本地通訊主要完成傳動控制設備的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、本地操作以及故障自診斷等任務。

信息管理通訊負責系統(tǒng)各類信息的收集、處理、存儲、檢索以及輸出。

SIMADYN D與上一級控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸以實現(xiàn)連續(xù)生產過程控制、系統(tǒng)協(xié)調及最佳控制。

2 SIMADYN D本地通訊

SIMADYN D作為單臺電機的控制系統(tǒng)要實現(xiàn)其本身的電機控制，邏輯操作，電機保護及故障診斷等任務，這樣需有一套獨立的本地通訊網(wǎng)，以實現(xiàn)其本身的控制任務。

SIMADYN D配置CS7通用通訊板，SS52通訊子板掛靠在CS7通訊板完成本地通訊任務：

SS52使用SINEC L2 DP通訊協(xié)議，用以實現(xiàn)SIMADYN D通過現(xiàn)場總線與遠程I/O ET200之間的數(shù)據(jù)傳輸，主要任務是支持SIMADYN D對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及控制信號傳送。為每臺電機的控制裝置選配兩套ET200遠程I/W系統(tǒng)，完成電機側的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。

電機側ET200：

定子繞組溫度檢測

軸承潤滑狀況

軸承溫度檢測

電機通風狀況

高壓側ET200：

定子高壓開關信號

轉子高壓開關信號

整流變壓器溫度、瓦斯信號

3 信息管理及系統(tǒng)監(jiān)控

為每臺SIMADYN D控制設備配置兩塊通訊子板SS4。

一塊SS4使用DUST1通訊協(xié)議用以實現(xiàn)SIMADYN D 與調試用PC機的數(shù)據(jù)通訊，主要任務是支持Service IBS服務軟件的在線訪問，以協(xié)助現(xiàn)場調試。

另一塊SS4與SIEMENS公司專用操作面板OP2N進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)信息管理及傳動系統(tǒng)的故障收集、顯示、診斷以及對系統(tǒng)運行狀態(tài)的顯示。完成運行參數(shù)監(jiān)視、故障報警、開環(huán)調試運行等功能。

4 系統(tǒng)過程控制通訊

SIMAD1YN D控制設備CS7+SS52通訊子板以支持SINEC L2-DP通訊協(xié)議。SIMADYN D控制設備配置SS52通訊子板，通過SINEC L2-DP網(wǎng)絡完成與上位機的通訊，實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的控制。

SINEC L2-DP是一種歐洲標準的現(xiàn)場總線協(xié)議，因此，在與現(xiàn)場其他自動化設備接口時，其兼容性比較好。

某中寬帶工程高線車間主傳動采用此設計方法，自投產以來運行可靠，取得了很好的效益。

參考文獻

[1]鋼鐵企業(yè)電力設計手冊編委會.鋼鐵企業(yè)電力設計手冊[M].交流電動機調速系統(tǒng)：冶金工業(yè)出版社，1996，1（25）.

作者簡介

曹漢英（1978—），女，工程師，中冶華天工程技術有限公司自動化所。