SINAMICS SM150在厚板軋機主傳動中的應用

1 引言

中厚板軋機主傳動系統(tǒng)的調(diào)速方案有直流調(diào)速、交交變頻調(diào)速、交直交變頻調(diào)速等，每種調(diào)速方案均能滿足大功率可逆運行、過載能力強、控制精度高、響應速度快、力矩脈動小等軋鋼工藝要求。由于直流電機維護量大且較復雜，已很少在新項目中采用直流調(diào)速方案;交交變頻系統(tǒng)在運行時對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波干擾和無功沖擊，嚴重影響到供電電網(wǎng)的質(zhì)量和效率，需設置相應的動態(tài)無功補償裝置，影響了該調(diào)速方案的性價比。隨著電力電子技術及計算機技術的迅猛發(fā)展，采用igct或igbt的交直交三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)在大容量調(diào)速領域逐步發(fā)展成熟起來，它克服了交交變頻系統(tǒng)的缺點，很好地滿足了電網(wǎng)對傳動系統(tǒng)的要求，對電網(wǎng)無污染。

目前，西門子、abb等公司分別推出了各自具有代表性的交直交三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)，本文以西門子公司的sinamics sm150系統(tǒng)為例介紹其在軋機主傳動系統(tǒng)中的應用。

2 厚板軋機主傳動系統(tǒng)的選型

西門子公司推出的中壓變頻調(diào)速裝置sinamics sm150系列，使2.3kv-7.2kv的大功率中壓變頻調(diào)速裝置獲得高動態(tài)性能成為可能。它通過一個真正的標準程序，對0-9000rpm范圍內(nèi)的傳動速度進行精確的控制。

由于采用成熟可靠的高壓igct器件，使sinamics sm150系列中壓變頻器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，而且可靠性極高。電壓源型矢量控制技術，高功率因數(shù)，三電平設計，擁有靈活強大的通訊功能，并可根據(jù)工藝要求提供多種選件。

sinamics sm150系列中壓變頻器整流和逆變的功率元件采用相同的設計，硬件結(jié)構(gòu)完全一致，采用獨立的水冷單元進行系統(tǒng)冷卻，降低了系統(tǒng)運行的噪聲。

sm150是帶有源前端、可以四象限運行的高性能變頻器，用的是中點鉗位的三電平結(jié)構(gòu)。sm150控制核心使用了simotion d445控制器。其最大單臺功率為10mva，3臺直接并聯(lián)起來可構(gòu)成28mva的逆變器。sm150也可以構(gòu)成一個公共直流母線帶幾個逆變器的系統(tǒng)。

sm150典型的功率元件圖如圖1所示。

某鋼鐵公司新建4300中厚板生產(chǎn)線一條，采用雙四輥軋機、可逆軋制工藝布置，粗軋機主電機為兩臺7500kw、3050v的同步電動機，雙繞組結(jié)構(gòu)，空水冷卻方式，額定電流為2×740.8a，轉(zhuǎn)速為0-40-80rpm，額定勵磁電流為628.2a，最大勵磁電流為1269.2a;精軋機主電機為兩臺9000kw、3150v的同步電動機，三繞組結(jié)構(gòu)，空水冷卻方式，額定電流為3×574a，轉(zhuǎn)速為0-55-120rpm，額定勵磁電流為514a，最大勵磁電流為1743a。主傳動系統(tǒng)采用sm150并聯(lián)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主回路拓撲圖如圖2、圖3所示。

3 sm150 的系統(tǒng)構(gòu)成

sm150中壓變頻裝置主要由硬件結(jié)構(gòu)相同的整流、逆變功率單元以及水冷單元、勵磁單元、控制單元、檢測模塊、接口系統(tǒng)等組成。其全貌圖如圖4所示。

sm150的整流、逆變單元均由相模塊構(gòu)成，每個相模塊主要由四塊igct組成，整流單元帶有有源前端;水冷單元主要由熱交換裝置、去離子裝置、泵系統(tǒng)等構(gòu)成;勵磁單元采用simoreg dc-master 6ra70裝置;控制單元主要由simotion d d445組成，控制模塊d445包含和傳動其他部分通訊的以太網(wǎng)接口、dp接口、drive-cliq接口、軟件和傳動程序等，其控制及接口拓撲圖如圖5所示。

檢測模塊主要包括速度檢測模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊、電壓傳感模塊等組成。

接口系統(tǒng)包括與進線變壓器、進線斷路器、勵磁系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、無負荷接觸器、遠程站、pda等系統(tǒng)間的接口，連接方式有硬線連接、以太網(wǎng)通訊、dp通訊、drive-cliq通訊等。其中dp通訊方式采用較為廣泛，以精軋機主傳動系統(tǒng)為例，dp通訊配置拓撲圖如圖6所示。

4 sm150主要功能

sm150作為西門子公司新一代高性能交直交三電平矢量控制變頻裝置能夠很好地滿足中厚板軋機的各種工藝控制要求，實現(xiàn)方法簡單，設置靈活，其主要功能包括：

靈活的電機保護功能。允許電機過載115%長期運行，電機過載225%運行60秒，電機過載250%運行20秒，電機過載275%產(chǎn)生速斷，保護電機不受損害。

對于同步電動機的控制性能。有速度反饋時的最大輸出頻率為90hz，弱磁調(diào)速范圍為1:4，速度控制精度為±0.01%，力矩控制精度為±2%，動態(tài)響應時間為5ms。轉(zhuǎn)矩脈動小，效率高。

傳動控制功能。主要包括矢量控制、速度控制、同步電機勵磁控制、傳動順序控制、動態(tài)速降補償、雪橇板特性控制、負荷平衡控制、軸定位控制、變壓器運行監(jiān)視、基于數(shù)學模型的電機轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)視、參數(shù)化的系統(tǒng)配置、系統(tǒng)診斷功能、波形監(jiān)視功能、輔助系統(tǒng)(進線斷路器、電機的空間加熱器、電機冷卻、電機潤滑、軸瓦溫度等)控制功能、與自動化系統(tǒng)的接口等。

另外，sm150的變換效率為0.99，具有可調(diào)的功率因數(shù)，功率因數(shù)可達到0.99。igct的開關頻率為200hz，功耗小。

5 sm150 的系統(tǒng)調(diào)試

sm150系統(tǒng)的調(diào)試需要具備一定的專業(yè)知識并經(jīng)過相關的技術培訓。sm150系統(tǒng)的調(diào)試需要一定的軟件環(huán)境，包括step7、simotion scout、simotion dcc(cfc for simotion)、wincc flexible、drive es等。

調(diào)試準備。主要包括軟件環(huán)境的搭建、sm150固件版本的確認、cf卡內(nèi)容的檢查確認及備份、項目的創(chuàng)建、調(diào)試工具的準備、調(diào)試所需數(shù)據(jù)及資料的準備等。

初步檢查調(diào)試。初步調(diào)試的主要內(nèi)容包括柜內(nèi)開關、熔斷器、輔助電源的檢查;電纜的標識;控制回路送電后各單元的狀態(tài)檢查;系統(tǒng)網(wǎng)絡的搭建及連接測試;psa stamp;acx數(shù)據(jù)的上裝與下載;系統(tǒng)配置拓撲圖的檢查;單元設備固件的更新;軟件的保護;工程庫的安裝;運行時序的配置;整流單元通訊字的配置等。

功率柜的檢查。主要包括功率柜門的檢查及柜內(nèi)控制部分的檢查測試;接地開關的檢查測試;絕緣測試(變壓器出線側(cè)及電動機繞組等的絕緣測試)等。

整流單元的調(diào)試。在測試模式下調(diào)試輔助風機、門觸發(fā)電壓、線路開關、短路開關、預充電系統(tǒng)等;高壓送電后相位角的測量、電氣角度偏移量的計算與補償?shù)?系統(tǒng)的辨識，主要包括觸發(fā)脈沖的移相與增益、變壓器的短路容量、直流母線連接電容的辨識、能量回饋的辨識、直流母線電壓的辨識等;預控系統(tǒng)的調(diào)試;控制單元間通訊的調(diào)試等。

電機模塊的調(diào)試。主要包括電機參數(shù)的設定;測速編碼器參數(shù)的設定;轉(zhuǎn)子電氣位置的定位;傳動系統(tǒng)調(diào)速模式的設定;機械因子的設定;勵磁系統(tǒng)的調(diào)試;矢量控制的相關設置;各種限幅及保護值的設定;實際值得標定;本地操作的相關設置;弱磁范圍的調(diào)試;系統(tǒng)性能的優(yōu)化調(diào)試等。

與自動化系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試。主要包括兩者間的通訊調(diào)試、接口表的測試、轉(zhuǎn)子定位、負荷平衡、雪橇板控制、pda、故障信息等。

6 結(jié)束語

sm150中壓變頻裝置在厚板產(chǎn)線應用兩年來運行穩(wěn)定，動靜態(tài)性能良好，故障率低，維護量小且維護方便，能夠滿足厚板產(chǎn)線主傳動的生產(chǎn)工藝要求。(網(wǎng)絡)

SIEMENS 6RA70在熱軋立輥傳動中的應用

1引言

日鋼1580熱軋帶鋼廠立輥軋機主傳動采用上傳動型式，位于軋機中心線兩側(cè)的主電機分別通過一級錐齒輪和一級圓柱齒輪減速器傳動十字型萬向接軸，驅(qū)動輥子進行軋制。左右兩側(cè)傳動在第一級的錐齒輪軸間用聯(lián)軸器連接，保證速度同步，2臺電機均帶脈沖發(fā)生器，可用于速度控制，并配以西門子裝置對裝置協(xié)議來實現(xiàn)兩臺直流電機的主、從同步運行，不但保證了速度同步控制，而且有效的保護了機械機構(gòu)，取得了令人滿意的效果(見圖1)。

注：1.主電機+編碼器(plg);2.聯(lián)軸器();3.一級錐齒輪付(i=1.955);4.一級圓柱斜齒輪付(i=3.524);5.十字萬向接軸;6.聯(lián)軸器();7.軋輥;8.接近開關。

圖1 e1立輥軋機主傳動筒圖

2 系統(tǒng)組成

根據(jù)主電機四象限工作的特點，電機調(diào)速系統(tǒng)采用整流變壓器+國產(chǎn)大容量晶閘管與西門子6ra70全數(shù)字直流調(diào)速器組合組成。一套6相反并聯(lián)晶閘管整流裝置由一臺6ra70調(diào)速器控制觸發(fā)角，稱之為“小觸大”模式，既采用小容量6ra70(電樞電流30a，勵磁電流5a，四象限工作)一臺作基本控制單元，觸發(fā)大容量晶閘管(最大2500a)。兩立輥直流電機功率分別是1200kw，其設備構(gòu)成：一臺兩裂解整流變壓器、兩組進線開關柜、兩套6ra70與晶閘管組合(兩臺6ra70分別作主、從調(diào)速器)。

圖2為西門子6ra70控制柜部分，圖3為經(jīng)過“小觸大”技術改造后的功率柜部分(輸出額定電樞電流4000a)。

該數(shù)字控制系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)控制，并具備速度、電流自適應功能，勵磁回路控制通過電勢調(diào)節(jié)器實現(xiàn)弱磁升速控制。

傳動系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)間采用點對點信號交換，完成全線的速度分配功能和通過profibus-dp網(wǎng)進行信息交換，完成如正反轉(zhuǎn)信號、使能信號、點動信號及速度聯(lián)調(diào)、電流、速度實際值檢測信號、故障信號等。

兩組電控系統(tǒng)各配置了一臺s7-200控制器，完成其內(nèi)、外部連鎖保護及相應的操作功能，包括：直流全數(shù)字傳動系統(tǒng)操作聯(lián)鎖，現(xiàn)場輔助設備條件聯(lián)鎖，如潤滑、通風水冷卻。

3 裝置主從同步控制方案

在兩個電機嚴格機械耦合的情況下，操作側(cè)電機為主控制采用速度+電流雙閉環(huán)控制，傳動側(cè)電機為從采用轉(zhuǎn)矩控制，從動裝置的斜坡函數(shù)發(fā)生器和速度調(diào)節(jié)器不使用，僅僅使用電流調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器cudi板x175端子1617連接兩芯屏蔽電纜到從調(diào)節(jié)器cudi板x174端子67，實現(xiàn)裝置對裝置協(xié)議硬線連接，如圖4所示。

主調(diào)速器參數(shù)設定：p755=141. 連接器k0141(轉(zhuǎn)矩限幅后的給定)，p755(在模擬量輸出2的輸出值的源)。

從調(diào)速器參數(shù)設定：p601=15. 連接器k0015(模擬輸入端子67)，p601(電樞電流調(diào)節(jié)器實際值的源)。

4 6ra70與tdc的通訊

siemens 6ra70通過cbp2通訊板與tdc之間進行通訊，p918=通訊站號地址設定，tdc對應同樣的站地址 。

通訊參數(shù)的設定 ：

u711.1=0

u712= 0 定義通訊字類型為 0pkw+6pzd

u722=0 禁止通訊故障f082

p927=7 cbp+pmu+g-sst1+op1s控制接口的使能

u710.1=0 激活cbp配置

plc到傳動的控制信號：(u733顯示)

控制字

p654= 3103 起/停

p655= 3101 off2(快停)

p658= 3102 off3(急停)

p661= 3100 脈沖使能

p665= 3107 故障復位

速度給定 ：

p433= 3002 速度給定傳動到tdc的信號：(u734中設定)

u734.01= 32 狀態(tài)字1(k32)

u734.02= 167 傳動的速度反饋(k167)

u734.03= 292 傳動的實際電樞電壓值(k 292)

u734.04= 117 傳動的實際電流反饋(k117)

u734.05= 142 傳動的實際轉(zhuǎn)矩反饋(k142)

5 系統(tǒng)優(yōu)化步驟

主裝置優(yōu)化：把聯(lián)軸器拆開，然后在從裝置設置p171=p172=0，然后在主裝置上執(zhí)行p051=25電流調(diào)節(jié)器及其預控優(yōu)化，p051=26速度調(diào)節(jié)器優(yōu)化，p051=27弱磁調(diào)節(jié)器優(yōu)化，最后再把從裝置p171，p172參數(shù)恢復原值，主裝置優(yōu)化完畢。

從裝置優(yōu)化：把主裝置參數(shù)p171=p172=0，從裝置p601.1由koo15改為k0141，然后在從裝置上執(zhí)行p051=25電流調(diào)節(jié)器及其預控優(yōu)化，p051=27弱磁調(diào)節(jié)器優(yōu)化，然后把主裝置參數(shù)p171，p172恢復原值，把從裝置p601.1由k0141改為koo15優(yōu)化完畢。

最后再把聯(lián)軸器連接上，之后再一起進行優(yōu)化，在主裝置上執(zhí)行p051=26速度調(diào)節(jié)器優(yōu)化(注意兩立輥必須聯(lián)軸，否則會出現(xiàn)優(yōu)化效果不良，主從裝置電流偏差過大影響正常使用)主從裝置優(yōu)化完畢。

備注：p171(轉(zhuǎn)矩方向的1系統(tǒng)電流限幅)，p172(轉(zhuǎn)矩方向11的系統(tǒng)電流限幅)。

6 結(jié)束語

(1)兩臺直流電機在機械嚴格耦合保證速度同步的同時，采取主從轉(zhuǎn)矩控制，可以使兩臺直流電機同時出力，減少了因為兩臺電機出力不均產(chǎn)生扭矩損傷機械設備，達到了預期的效果，在實際生產(chǎn)運行中得到了驗證。

(2)采取裝置對裝置協(xié)議實現(xiàn)主從兩個調(diào)節(jié)器之間的信號傳遞，無需增加額外投資，就可以達到理想的目的，經(jīng)濟實用，操作簡單易掌握。