2500mm中厚板主传动控制系统设计与分析

陈大力，梅军进，王忠连

（1. 广东松山职业技术学院，韶关 512126；2. 黄石理工学院，黄石 435003 3. 韶关钢铁集团有限公司，曲江 512123 ）

0 引言

韶关钢铁集团某轧钢厂中板改造工程中主轧机传动由原来的两台2500kW的直流电动机改为两台4200kW交－交变频同步电机，R1上/下辊整流变压器容量8400KVA。主整流变压器均采用原、副边三分裂绕组油浸式变压器。两台整流变压器接法错开300以减少高次谐波[1]；上/下辊励磁变压器分别为一台副边双分裂绕组油浸式变压器，容量1000KVA。轧机主传动电机主要参数如下：

1 同步电机矢量控制系统结构

同步电机矢量控制系统的框图如图1所示，交流同步电机采用自同步控制方式，定子电流由磁场定向控制系统分解为两个独立的直流分量，即电流的转矩分量IM和激磁分量IT。与直流调速相同,转矩分量设定值由速度调节器决定，激磁分量设定值由电机功率因数COSφ及电流模型计算出来。与同步电机同轴相联的光电编码器检测电机的转子位置信号Cosλ和Sinλ，由转子模型单元计算出负载角Cosδ和Sinδ，以及励磁电流给定值Ifd。转子位置角λ与负载角δ相加可得磁场定向旋转角Φ。根据当前电机运行的实际反馈值及系统设定值，计算出给定电流的转矩分量及激磁分量，给定电压的转矩分量和激磁分量，再经过矢量的旋转变换和2/3变换，形成三相定子电流给定值Ia、Ib、Ic ，这些值送入带电流断续自适应调节， 电压前馈控制的电流调节系统[2,3]。

表1 4200kW交－交变频同步电动机电机参数

2 SIMADYN D控制系统

控制系统采用西门子公司的SIMADYN D全数字控制系统实现电机控制，并以通讯线加以连接，在系统中实现监视和统一管理。SIMADYN D控制系统完成电机的调速控制，包括同步电机的矢量控制、电机的启停控制和电机保护，建立了通讯网将SIMADYN D设备及上位机有机地连接起来，实现本地现场数据采集，故障显示、诊断及综合控制和集中管理[4]。

图1 同步电机矢量控制系统

SIMADYN－D控制系统包括一套完整的硬件及软件，系统图如图2所示：主机箱为24插槽(SR24.1)，系统接收光电码盘反馈回的速度及位置信号，在PM6模板内完成速度控制及工艺运算，在另一PM6模板内完成矢量变换控制运算，然后形成定子三相电流的设定值及转子激磁设定值，输入给EP22及PM6+ITDC模板，由EP22进行三相电流调节运算，由PM6+ITDC模板完成转子激磁电流调节运算。并输出晶闸管功率柜的触发脉冲，通过晶闸管功率柜控制同步电机，具体硬件配置如下：

机箱：提供24个槽位用于插装标准模板，并提供两个内部通讯总线，实现硬件模板之间的内部通讯。

微处理器模板：根据处理器的不同功能，选配三块处理器模板PM6及一种专用的电流调节处理器模板EP22，实现如下功能：

P1_PM6：通用处理器模板，用于速度控制。

P2_PM6：通用处理器模板，用于矢量运算。

EP22：特殊处理器模板，专门用于定子电流调节。

P3_PM6：通用处理器模板，用于励磁电流控制及辑控制和保护功能。

输入输出模板：选配输入输出板EA12、EB11，其中：

EA12用于模拟量的输出

EB11用于数字量的输入输出

通讯缓冲板：选用MM11通讯缓冲板，它支持L及C两种系统总线。

通讯板：选用CS7作为通用通讯模块，其上配置不同通讯子板完成不同通讯功能。

软件存储子板：选用MS5存储器。

系统中采用CS7通讯模板，一方面通过PROFIBUS联网高压室及电机室的远程站（ET200）交换高压开关、操作信号及电机保护等信息。并接受上位机的监控。另一方面通过这一模板对各处理器进行编程。

3 SIMADYN D控制系统软件功能

SIMADYN D控制系统实现交交变频同步电机矢量变换运算。通过现场总线实现与远程I/O站的数据交换，SIMADYN D设备与上位机的数据传输以及与用于实现故障诊断、运行监控画面之间的信息传递由通讯网络完成。

SIMADYN-D软件同样具有模块化的灵活特点，目前使用的STRUC软件为STRUC-G V4.2.X版。其特点在于所有编程工作均为图形化，而且包容量大。工程中主要应用的控制软件有：

图2 SIMADYN D控制系统

功能块(FB):功能块是控制软件中的最小单元，它是实现各种控制的基础，目前STRUC提供的功能块有很多种，如闭环控制功能块，大功率直流传动控制功能块，数学运算功能块，逻辑运算功能块，输入输出功能块，通讯功能块，信号转换功能块，诊断服务功能块等。

功能包(FP):功能包是由功能块组成，并依据实际应用要求加以连接编辑的功能框图。每个功能包可以有99页，在每页上调用及编辑4-5个功能块，因此每个功能包最多有495个功能块。

主程序(MP):依据SIMADYN-D硬件配置，设置其相应的软件参数，是SIMADYN-D软件运行的基础和前提。

SIMADYN D具有以下功能:速度控制；电枢电流控制；矢量控制 ；磁场控制；顺序控制功能；扁头定位功能；负荷平衡控制；本地操作及信息的显示功能；故障情况下传动系统的急停和快停；电枢控制的逻辑无环流切换；参变量的切换。

4 控制系统通讯

SIMADYN D控制系统的通讯系统框图如图3所示。

SIMADYN D本地通讯

SIMADYN D配置CS7通用通讯板，SS52通讯子板挂靠在CS7通讯板完成本地通讯任务：

实现SIMADYN D通过现场总线与远程I/O ET200之间的数据传输，完成现场的数据采集及控制信号传送。为每台轧机的控制装置选配两套ET200远程I/O系统，分别完成高压侧与电机侧的现场数据采集。

图3 SIMADYN D控制系统的通讯系统框图

信息管理及系统监控：为每台SIMADYN D控制设备配置两块通讯子板SS4。一块SS4实现SIMADYN D 与调试用PC机的数据通讯，支持Service IBS服务软件的在线访问，以协助现场调试。另一块SS4与SIEMENS公司专用操作面板OP2N进行数据交换，实现信息管理及传动系统的故障收集、显示、诊断以及对系统运行状态的显示。完成运行参数监视、故障报警、开环调试运行等功能。

系统过程控制通讯：每台SIMADYN D控制设备配置SS52通讯子板，支持SINEC L2-DP通讯协议，通过SINEC L2-DP网络完成与上位机的通讯，实现对传动系统的控制。

5 主要保护装置

5.1 过电压保护

定子回路过电压保护：变压器二次侧安装RC吸收及高能压敏电阻吸收，吸收变压器操作及高压开关动作过电压。变频器输出侧安装RC吸收及高能压敏电阻吸收，吸收电机启停及变频器升降过电压。晶闸管元件设置RC电路吸收换向过电压。设置电子过电压保护，用LEM电压互感器检测电压值。当电压超过1.4倍额定电压时，封锁系统，跳闸保护。

转子回路过电压保护：转子晶闸管整流电路设置变压器二次侧高能压敏电阻，晶闸管元件RC吸收及直流输出侧RC吸收电路，保护晶闸管不过压损坏。转子回路安置了可控硅灭磁系统和常接电阻，防止转子回路开路或定子在转子中感应造成过电压。

设置电子过电压保护，用LEM电压互感器检测转子电压值。当转子电压值超过1.3倍uemax时，控制系统封锁并跳闸保护。

5.2 过电流保护

定子过电流保护：电机额定电流 IN

最大电流，考虑电机过载倍数

电机过负荷跳闸：电机堵转，当电流达到最大值 Imax 超过60S时，控制系统发出封锁信号，停车保护。电机瞬时跳闸：I = 1.3*Imax 时，高压开关动作。

转子过电流保护：转子额定电流 IeN

转子最大电流 Iemax = 2.5 IEn；当转子电流值达到Iemax 超过 t= 60s , 控制系统封锁；当转子电流值达到I≥1.3 I emax，转子开关动作。

5.3 过速度保护

交流同步电机轴端装有测速装置。

- 额定转速 nN

- 最高转速 nmax

n = 110% nmax ，超速报警。

n = 115% nmax ，超速跳闸。

6 结论

2500mm中厚板交交变频主传动系统的运行技术指标如下：变频器额定容量：9000kVA；变频器输出电压：0～1650V；变频器输出频率：0～12Hz；变频器过载能力：115%；长期；200 %，1分钟；静态调速精度：≤±0.01 %；速度控制响应时间：≤80mS；电流控制响应时间：≤10mS；动态速降：≤0.25%S；变频器综合效率：98.5%；主轴定位精度：±0.5度；上、下辊负荷平衡满足工艺要求。

[1] 叶志浩,张晓锋,李红江,杨锋,等.交交变频同步电动机调速系统谐波转矩分析[J].武汉理工大学报,2005,29(6):943-946

[2] 彭建飞,王树锦,徐丽荣,刘晓龙.基于DSP的单相无环流交交变频控制系统研制[J].电力电子技术,2009,40(9):54-57.

[3] 雷鸣,李崇坚,等.大功率交交变频器电流控制系统[J].冶金自动化,2008,S2:783-787.

[4] 仲伟克,张华俭,等.包钢轨梁厂950mm初轧机主传动系统[J].冶金自动化,2005,(1):62-65.