供稿|馬亞峰，牛劍 / MA Ya-feng, NIU Jian

內(nèi)容導(dǎo)讀

舞鋼公司寬厚板生產(chǎn)線定尺剪的驅(qū)動(dòng)采用兩臺(tái)變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用ABB ACS800多傳動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)，兩臺(tái)電機(jī)的控制方式為主從控制，變頻器主功率元件采用IGBT。文章介紹了ABB ACS800多傳動(dòng)系統(tǒng)在定尺剪傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，闡述了該系統(tǒng)的構(gòu)成、特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)和調(diào)試方法等，并對(duì)多年來使用和維護(hù)中出現(xiàn)的典型故障進(jìn)行分析總結(jié)。

舞鋼公司定尺剪主傳動(dòng)系統(tǒng)采用ABB公司的ACS800多傳動(dòng)變頻裝置，該系統(tǒng)的控制技術(shù)采用當(dāng)今世界上最先進(jìn)的異步電機(jī)控制方式：直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)。變頻器的主功率元件采用絕緣柵門極雙向晶體管IGBT，該系統(tǒng)還具有完善的保護(hù)功能和較強(qiáng)的過載能力，配置靈活多樣，控制簡單方便，易于操作和維護(hù)。經(jīng)過幾年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能夠很好地滿足生產(chǎn)和工藝要求。

工藝流程和機(jī)構(gòu)配置

滾切式定尺剪上剪刃的運(yùn)動(dòng)是靠兩臺(tái)主電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)和曲軸來完成的。在生產(chǎn)過程中，上剪刃停在起始位置，輸入輥道把需要剪切的鋼板送進(jìn)一個(gè)確定的長度位置，鋼板停止運(yùn)動(dòng)后，壓板機(jī)構(gòu)將鋼板壓住固定，傳動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的速度給定值，輸出相應(yīng)的頻率來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)上剪刃對(duì)鋼板進(jìn)行剪切。

在定尺剪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，上剪刃由兩臺(tái)750 kW的交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩臺(tái)電機(jī)之間采用剛性連接和主從控制技術(shù)；傳動(dòng)系統(tǒng)變頻器采用ABB公司的ACS800-104-0580-7系列模塊。

ACS800 MultiDrive系統(tǒng)的構(gòu)成和分析

ACS800多傳動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是由裝置中惟一的整流裝置給直流母線提供直流電壓，公共直流母線可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)到電機(jī)的制動(dòng)，不需要能量回饋單元或制動(dòng)斬波器。一條直流母線可以帶多臺(tái)逆變器，直流母線上可帶有逆變單元或制動(dòng)單元。當(dāng)多臺(tái)電機(jī)同時(shí)工作，有的處于電動(dòng)狀態(tài)，有的處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，處于電動(dòng)狀態(tài)的和與處于制動(dòng)狀態(tài)的逆變單元可通過直流母線交換能量，從而減少整流單元、逆變單元或制動(dòng)單元的容量。

ACS800多傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括供電單元、逆變單元和控制單元，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

供電單元

供電單元的主要功能是把三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電，給逆變單元提供穩(wěn)定的直流電源。供電單元主要包括三個(gè)部分，輔助控制單元(ACU)、進(jìn)線單元(ICU)和整流單元(ISU)。其中整流單元為供電單元的核心。

整流單元主要包括LCL濾波裝置、交流熔斷器、直流熔斷器、IGBT供電模塊等，進(jìn)線濾波器的作用是抑制交流電壓畸變和電流諧波。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整流單元的主功率元件是IGBT，即絕緣柵門極雙向晶體管，其主要由六個(gè)帶續(xù)流二極管的IGBT和直流電容構(gòu)成，這六個(gè)帶續(xù)流二極管的IGBT集成為一塊功率板。IGBT整流單元是一個(gè)四象限脈沖整流器，四象限脈沖整流器不僅可以給直流母線供電，還可以將直流母線的能量回饋給電網(wǎng)。整流單元把交流電轉(zhuǎn)換成直流電并通過中間直流回路給逆變單元的逆變器供電，直流回路接入的逆變器可以是一個(gè)(單傳動(dòng))，也可以是多個(gè)(多傳動(dòng))。

逆變單元

逆變單元包括變頻器、冷卻風(fēng)機(jī)和熔斷器等，逆變單元的主要作用是把直流電轉(zhuǎn)換成可控的交流電，并驅(qū)動(dòng)主電機(jī)帶動(dòng)上剪刃對(duì)鋼板進(jìn)行剪切。逆變單元與整流單元在形式上是對(duì)稱的，在硬件配置方面基本是相同的，逆變單元也采用IGBT作為主功率元件，也是一個(gè)直流端和一個(gè)交流端。ACS800多傳動(dòng)變頻器采用并聯(lián)模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)變頻器模塊都是一個(gè)整體，并設(shè)計(jì)有冗余功能。如果傳動(dòng)單元中某一個(gè)變頻器出現(xiàn)問題，可以通過隔離該損壞的變頻器并修改系統(tǒng)參數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)還可以繼續(xù)降容運(yùn)行，這樣就可以降低故障維修時(shí)間，減少對(duì)生產(chǎn)的影響。

控制單元

傳動(dòng)控制單元的核心控制部分就是主控板RDCU，它內(nèi)置有電機(jī)控制和I/0板(RMIO)、外部可擴(kuò)展現(xiàn)場(chǎng)總線適配器RPBA-01、編碼器接口模塊RTAC-01、DDCS通訊模塊RDCO等。RDCU控制板既可以導(dǎo)軌安裝又可以螺釘固定，接線方便，它與變頻器主電路板之間采用光纖通訊，有效地將強(qiáng)電和弱電控制隔離，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。主控板上的現(xiàn)場(chǎng)總線適配器通過Profibus-DP線與上位機(jī)相連，接收上位機(jī)命令，并把運(yùn)行狀態(tài)反饋給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)行信息交換。

ACS800 MultiDrive系統(tǒng)的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

ACS800多傳動(dòng)系統(tǒng)有公共的直流母線，能量可以在逆變器內(nèi)部之間分配，具有電動(dòng)和發(fā)電兩種模式。與單傳動(dòng)相比，ACS800多傳動(dòng)系統(tǒng)更加節(jié)能，而且可以節(jié)約電纜，降低安裝維護(hù)成本。由于ACS800多傳動(dòng)系統(tǒng)采用模塊化和冗余設(shè)計(jì)，所以還具有過載能力強(qiáng)和維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

公共直流母線技術(shù)

當(dāng)有多臺(tái)電壓相同的電機(jī)同時(shí)調(diào)速時(shí)，可采用直流母線供電方式，由一臺(tái)整流單元向直流母線供電，直流母線帶多臺(tái)逆變器進(jìn)行工作。當(dāng)有的電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，逆變器從母線上獲取能量；有的電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量可以回饋給母線及電網(wǎng)，處于電動(dòng)狀態(tài)的單元與處于制動(dòng)狀態(tài)的逆變單元可通過直流母線交換能量，以達(dá)到節(jié)能、降低系統(tǒng)容量，降低設(shè)備成本和設(shè)備占地面積等目的。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

ACS800多傳動(dòng)系統(tǒng)采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)，不需要在電機(jī)軸上安裝脈沖編碼器就可以實(shí)現(xiàn)精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。DTC能在零轉(zhuǎn)速時(shí)輸出滿轉(zhuǎn)矩，甚至能達(dá)到200%的額定轉(zhuǎn)矩。DTC中，定子磁通和轉(zhuǎn)矩作為主要控制變量，通過高速的數(shù)字信號(hào)處理器，將電機(jī)運(yùn)行實(shí)際值與參考值不斷地進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器中每個(gè)開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行分別確定，這樣傳動(dòng)裝置始終處于最佳開關(guān)組合狀態(tài)，從而對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和瞬時(shí)掉電等動(dòng)態(tài)變化做出快速響應(yīng)。

主從控制技術(shù)

主從控制主要應(yīng)用于多個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)和軸(通過齒輪、鏈條、皮帶等)相互耦合的系統(tǒng)中。把主機(jī)和從機(jī)的RMIO板CH2通道通過光纖聯(lián)通，從機(jī)通過光纖接收主機(jī)發(fā)來的命令，同時(shí)從機(jī)也通過光纖把反饋數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。定尺剪兩臺(tái)電機(jī)之間通過減速機(jī)實(shí)現(xiàn)剛性連接，兩臺(tái)電機(jī)之間的同步采用主從控制技術(shù)，主機(jī)使用的是速度控制，從機(jī)使用的是轉(zhuǎn)矩控制。

系統(tǒng)調(diào)試與監(jiān)控

ACS800多傳動(dòng)調(diào)試與監(jiān)控

Drive Window軟件主要用于ACS800多傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)試與監(jiān)控，該軟件使用DDCS通訊協(xié)議(分布式傳動(dòng)通訊系統(tǒng))，通過光纖與RMIO板CH3通道相連，利用軟件的數(shù)據(jù)記錄功能和示波功能對(duì)采樣到信號(hào)進(jìn)行分析，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)試和故障分析處理。利用環(huán)網(wǎng)功能，Drive Window可以同時(shí)調(diào)試和監(jiān)控多臺(tái)ACS800逆變器，但這需要每個(gè)傳動(dòng)單元有惟一的節(jié)點(diǎn)地址。Drive Window軟件功能強(qiáng)大，界面良好，使用方便，利用Drive Window軟件可以對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的查看和修改、運(yùn)行監(jiān)控、故障分析，程序的備份和下載等操作。

電機(jī)辨識(shí)模式

系統(tǒng)調(diào)試時(shí)需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行辨識(shí)，通過對(duì)電機(jī)辨識(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)可以更精確地識(shí)別電機(jī)的特征，達(dá)到對(duì)電機(jī)最優(yōu)控制的目的。對(duì)電機(jī)進(jìn)行初始化辨識(shí)有兩種模式可以選擇，分別是標(biāo)準(zhǔn)辨識(shí)和簡化辨識(shí)，這兩種辨識(shí)模式可以通過修改參數(shù)99.07 MOTOR ID RUN 來選擇。在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)辨識(shí)運(yùn)行之前，電機(jī)需要與被驅(qū)動(dòng)設(shè)備分離，這樣在辨識(shí)的時(shí)候能使傳動(dòng)系統(tǒng)獲得最高的控制精度；如果需要辨識(shí)的電機(jī)不能與負(fù)載分離，那么可以采用簡化辨識(shí)模式。

參數(shù)設(shè)置及監(jiān)控波形

部分參數(shù)配置如表1所示。利用Drive Window軟件可以對(duì)定尺剪主傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行期間進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控并保存運(yùn)行曲線。主從電機(jī)在剪切鋼板時(shí)的運(yùn)行曲線如圖3所示。

表1 參數(shù)配置及說明

典型故障處理與分析

在實(shí)際運(yùn)行過程中，定尺剪ACS 800傳動(dòng)系統(tǒng)總體運(yùn)行穩(wěn)定，但在調(diào)試和運(yùn)行初期也出現(xiàn)過一些問題，以下為典型故障處理方法。

過流或編碼器故障

傳動(dòng)裝置報(bào)過流或編碼器故障，而電機(jī)并無卡阻等現(xiàn)象，實(shí)際電流也不大，對(duì)比參數(shù)1.03和1.04，發(fā)現(xiàn)通過編碼器反饋的速度與實(shí)際速度是否偏差過大，判斷是否編碼器速度反饋有問題。此時(shí)可以先暫時(shí)屏蔽掉脈沖編碼器模塊，修改參數(shù)50.03為INTERNAL，如果恢復(fù)正常，則說明編碼器或其電纜有問題。

短路或變頻器配置數(shù)量不符故障

傳動(dòng)裝置報(bào)變頻器短路或者變頻器模塊數(shù)量和配置不符等故障時(shí)，查看參數(shù)8.22來確定是哪個(gè)變頻器損壞，然后更換損壞的變頻器。如果條件不允許更換變頻器需要立即恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行的話，可以暫時(shí)斷開損壞變頻器的通訊光纖，然后修改參數(shù)16.10為正確的變頻器數(shù)量配置即可暫時(shí)降容運(yùn)行。

結(jié)束語

ACS800 多傳動(dòng)系統(tǒng)自投用以來，性能穩(wěn)定可靠，充分體現(xiàn)了這套系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)速度快、維護(hù)調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，為舞鋼的寬厚板生產(chǎn)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。