閆文秀

（太原重工股份有限公司，山西 太原030024）

2016年巴基斯坦PSM（Pakistan Steel Mills）公司計(jì)劃改造1條Ф219 mm無(wú)縫鋼管斜軋DME（雙模軋機(jī)）生產(chǎn)線(xiàn)，年計(jì)劃產(chǎn)量約5萬(wàn)t。太原重工股份有限公司負(fù)責(zé)1臺(tái)多功能軋管機(jī)及1臺(tái)5機(jī)架定徑機(jī)的機(jī)械、電氣、流體設(shè)計(jì)和成套供貨，并在PSM公司現(xiàn)有穿孔機(jī)機(jī)組設(shè)備基礎(chǔ)上完成電氣系統(tǒng)升級(jí)改造。

雙模軋機(jī)主要是指機(jī)組的軋機(jī)為多功能軋機(jī)，該軋機(jī)同時(shí)具備穿孔功能和軋制功能。使用穿孔功能時(shí)，主機(jī)后臺(tái)的頂桿小車(chē)驅(qū)動(dòng)頂桿和頂頭實(shí)現(xiàn)穿孔功能；軋機(jī)作為軋制功能使用時(shí)，主機(jī)前臺(tái)的限動(dòng)小車(chē)驅(qū)動(dòng)芯棒實(shí)現(xiàn)軋制功能。

PSM公司已有穿孔機(jī)為捷克斯洛伐克1條20世紀(jì)70年代的Φ219 mm Assel三輥斜軋生產(chǎn)線(xiàn)的部分設(shè)備。該穿孔機(jī)主電機(jī)為斯柯達(dá)生產(chǎn)的他勵(lì)直流電機(jī)，電機(jī)功率2 500 kW、電樞電壓930 V（DC）、電樞額定電流2 830 A、勵(lì)磁電壓110 V（DC）、勵(lì)磁電流120 A；新增軋機(jī)主電機(jī)為西門(mén)子原裝的1 500 kW交流電機(jī)，供電電壓690 V（AC）、電流2×800 A。

1 電氣傳動(dòng)

傳動(dòng)裝置的配置上，PSM公司要求所有的裝置都采用西門(mén)子歐洲原產(chǎn)地產(chǎn)品，穿孔機(jī)主電機(jī)的傳動(dòng)裝置采用西門(mén)子新一代SINAMICS 6RA80直流調(diào)速系統(tǒng)；新增軋機(jī)的主電機(jī)傳動(dòng)裝置采用西門(mén)子新一代SINAMICS S120公共直流母線(xiàn)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。

穿孔機(jī)主傳動(dòng)采用單電機(jī)十二脈動(dòng)的傳動(dòng)控制模式，穿孔機(jī)主傳動(dòng)如圖1所示，電樞回路采用4個(gè)原裝的SINAMICS 6RA80的二象限直流調(diào)速裝置，電源側(cè)每2臺(tái)二象限直流調(diào)速裝置并列連接至同一個(gè)變壓器的一個(gè)副邊，每2臺(tái)并列直流裝置的正電源端（+）直接連接后連接至平波電抗器，通過(guò)平波電抗器連接至直流快開(kāi)，快開(kāi)輸出端并列連接至電機(jī)電樞的正端。4個(gè)電樞回路直流裝置的負(fù)電源端（-）短接并列連接至電機(jī)電樞的負(fù)端。勵(lì)磁回路采用1臺(tái)單獨(dú)的直流調(diào)速裝置進(jìn)行勵(lì)磁控制。由于勵(lì)磁電壓只有直流110 V，因而需要設(shè)置專(zhuān)用的勵(lì)磁變壓器500/145 V把勵(lì)磁回路供電電壓調(diào)解至145 V。

圖1 穿孔機(jī)主傳動(dòng)示意

軋機(jī)主電機(jī)的傳動(dòng)裝置采用雙電機(jī)十二脈動(dòng)的傳動(dòng)控制模式，每一個(gè)整流變壓器的副邊都連接一套六脈動(dòng)變頻調(diào)速裝置用來(lái)驅(qū)動(dòng)其中一臺(tái)電機(jī)，只是變壓器2個(gè)副邊一個(gè)采用Y接法，另一個(gè)采用△接法。傳動(dòng)裝置采用西門(mén)子SINAMICS S120公共直流母線(xiàn)的變頻調(diào)速裝置。每臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)包含整流部分（AC-DC）（圖2）和逆變部分（DC-AC）（圖3）。整流部分由2臺(tái)基本整流裝置和1臺(tái)整流回饋裝置共同完成整流工作，在基本整流裝置和整流回饋裝置的輸入端都設(shè)置有進(jìn)線(xiàn)電抗器，2臺(tái)基本整流裝置通過(guò)輸入電抗器并列連接至進(jìn)線(xiàn)框架開(kāi)關(guān)，使用2臺(tái)基本整流裝置并列的原因是單臺(tái)基本整流裝置的容量不夠。整流回饋裝置的輸入端包含進(jìn)線(xiàn)電抗器、進(jìn)線(xiàn)框架開(kāi)關(guān)和預(yù)充電開(kāi)關(guān)，預(yù)充電回路是整流回饋裝置安全啟動(dòng)的保障。整流回饋裝置和基本整流裝置的進(jìn)線(xiàn)框架開(kāi)關(guān)的輸入端被并列連接至變壓器的同一個(gè)副邊。基本整流裝置的輸出端需要加裝直流快速熔斷器，基本整流裝置的直流輸出端通過(guò)快速熔斷器和整流回饋裝置的直流輸出端通過(guò)銅母排直接連接，該處銅母排被稱(chēng)為直流母線(xiàn)。直流母線(xiàn)通過(guò)直流快速熔斷器連接至4個(gè)逆變器（MM），每2個(gè)逆變器并列連接至電機(jī)的1個(gè)繞組，該電機(jī)為雙繞組電機(jī)。

圖2 軋機(jī)主傳動(dòng)整流部分（AC-DC）示意

圖3 軋機(jī)主傳動(dòng)逆變部分（DC-AC）示意

直流調(diào)速SINAMICS 6RA80的控制器采用CUD；交流變頻SINAMICS S120的控制器采用CU320。這2種控制器均可以集成Profibus-DP或Profinet的通信接口，該項(xiàng)目使用Profibus-DP接口。PLC（邏輯控制器）選擇西門(mén)子S7-400，通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)裝置和PLC控制器的無(wú)縫連接。

2 調(diào) 試

調(diào)試需要使用STARTER軟件，首先需要進(jìn)行硬件配置，可以在線(xiàn)配置或離線(xiàn)配置，通常優(yōu)選在線(xiàn)配置。第一步恢復(fù)工廠設(shè)置，第二步進(jìn)行在線(xiàn)自動(dòng)配置，自動(dòng)配置需要選擇控制模式為Vector（矢量控制），組態(tài)過(guò)程中要進(jìn)行硬件升級(jí)，此時(shí)不能掉電，掉電會(huì)損壞硬件，升級(jí)完成則需要對(duì)控制器CU進(jìn)行掉電。第三步需要進(jìn)行功率模塊配置、編碼器數(shù)據(jù)配置、電機(jī)數(shù)據(jù)配置、參考數(shù)據(jù)配置等工作。配置完成后必須把參數(shù)從RAM（讀寫(xiě)存儲(chǔ)器）拷入ROM（只讀存儲(chǔ)器），以防止掉電丟失參數(shù)［1］。

穿孔機(jī)主傳動(dòng)調(diào)試，試車(chē)前首先測(cè)試直流快開(kāi)功能。表1所示為SINAMICS 6RA80專(zhuān)門(mén)用于十二脈動(dòng)控制的需要被設(shè)置的參數(shù)。

表1 直流調(diào)速SINAMICS 6RA80用于十二脈動(dòng)控制的專(zhuān)用參數(shù)

調(diào)試后4個(gè)電樞模塊電流匹配情況需要通過(guò)STARTER軟件的數(shù)據(jù)軌跡記錄功能觀察（圖4）。

圖4 調(diào)試后4個(gè)電樞模塊電流匹配示意

軋機(jī)主傳動(dòng)調(diào)試，需要注意整流回饋裝置的啟動(dòng)時(shí)序和禁止短時(shí)間內(nèi)的重復(fù)啟動(dòng)，雙繞組電機(jī)方向的一致性。

整流回饋裝置在啟動(dòng)過(guò)程中需要執(zhí)行嚴(yán)格的時(shí)序。這主要是由于整流回饋裝置的整流部分都屬于不可控整流，整流后直流母線(xiàn)安裝有電容，電容主要功能為儲(chǔ)能和濾波（圖5）。整流回饋裝置停機(jī)一段時(shí)間后電容電量被釋放，如果此時(shí)主回路接通安裝在主回路二極管會(huì)自然換向在直流主回路產(chǎn)生直流電，沒(méi)有儲(chǔ)能的直流主回路電容此時(shí)相當(dāng)于短路，致使產(chǎn)生交流主回路器件無(wú)法承受的大電流。

圖5 整流回饋裝置主回路

整流回饋裝置啟動(dòng)時(shí)序如圖6所示。整流回饋裝置接受到來(lái)自PLC的啟動(dòng)命令，其內(nèi)部預(yù)充電接觸器吸合，通過(guò)預(yù)充電電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)直流母線(xiàn)電容充電，當(dāng)直流母線(xiàn)達(dá)到預(yù)設(shè)值，整流回饋裝置的端子排X9的端子3、4將閉合，通過(guò)該信號(hào)來(lái)控制主回路的接通。但裝置收到停止命令后要確保主回路斷開(kāi)。要確保主回路和預(yù)充電回路的相序一致。

圖6 整流回饋裝置啟動(dòng)時(shí)序示意

兩次完整的預(yù)充電過(guò)程之間允許的最小間隔時(shí)間為3 min。時(shí)間過(guò)短會(huì)造成預(yù)充電電阻損壞。

電機(jī)旋轉(zhuǎn)前需要確認(rèn)2個(gè)繞組旋向一致性?？梢酝ㄟ^(guò)參數(shù)P125實(shí)現(xiàn)單個(gè)模塊激活或禁用，該項(xiàng)目使用4個(gè)電機(jī)模塊，P125［0］、P125［1］、P125［2］、P125［3］和4個(gè)模塊對(duì)應(yīng)，修改P125［0］對(duì)應(yīng)參數(shù)值可實(shí)現(xiàn)該模塊激活或禁用。

3 注意事項(xiàng)

整流回饋裝置前端必須配置一個(gè)相對(duì)短路壓降為4%的進(jìn)線(xiàn)電抗器，基本整流裝置和整流回饋裝置的整流部分都屬于不可控整流，為了保持整流時(shí)候的負(fù)荷在基本整流裝置和整流回饋裝置平均分配，需要調(diào)節(jié)基本整流裝置的進(jìn)線(xiàn)電抗器的電感量；雙繞組電機(jī)的最佳驅(qū)動(dòng)方案需要盡可能保持2個(gè)繞組驅(qū)動(dòng)硬件的對(duì)稱(chēng)一致性。

S120在IT供電系統(tǒng)中設(shè)備調(diào)試時(shí)，需要斷開(kāi)RFI濾波器上的接地短接片。如果沒(méi)有斷開(kāi)此短接片，則當(dāng)電機(jī)側(cè)發(fā)生接地故障，濾波器的電容會(huì)過(guò)載并有可能損壞整流回饋裝置，基本整流裝置同樣也存在該問(wèn)題。S120公共直流母線(xiàn)的變頻調(diào)速裝置對(duì)于IT供電系統(tǒng)，需要配置接地故障監(jiān)控繼電器。監(jiān)控繼電器觸點(diǎn)（報(bào)警、故障）需要接至控制單元的數(shù)字量輸入端子。報(bào)警限值為20 kΩ，故障限值10 kΩ。收到故障信息后需要通過(guò)裝置的脈沖封鎖功能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的停車(chē)［2］。

因?yàn)檎骰仞佈b置的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的觸發(fā)脈沖是由控制單元來(lái)控制同步的，由于變壓器的二次繞組之間有30°的電氣相位差，所以必須使用2個(gè)控制單元來(lái)分別控制十二脈動(dòng)的整流回饋裝置。因此由同一個(gè)控制單元控制的整流回饋裝置必須連接至變壓器的同一個(gè)二次繞組。同理，2臺(tái)電機(jī)的2組逆變器也不能共用1個(gè)CU控制。

在穿孔機(jī)主傳動(dòng)主回路上加裝了瑞士賽雪龍的直流快速開(kāi)關(guān)。快開(kāi)吸合電壓為直流48 V，吸合后通過(guò)在回路中加電阻電壓只需要2.3 V就可以維持。后期多次發(fā)現(xiàn)快開(kāi)無(wú)法正常吸合的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析得知快開(kāi)的吸合和分?jǐn)嘣傥媳仨毐ＷC有足夠的時(shí)間間隔。穿孔機(jī)主電機(jī)電樞電流、功率、扭矩等信息需要把4個(gè)模塊的對(duì)應(yīng)數(shù)值進(jìn)行疊加。

4 結(jié) 語(yǔ)

交直流主傳動(dòng)裝置通過(guò)十二脈動(dòng)的使用可以消除整流過(guò)程所產(chǎn)生的5、7、17、19……次諧波，使得電氣系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。穿孔機(jī)主傳動(dòng)可以通過(guò)把電樞裝置中2臺(tái)裝置變成四象限裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)穿孔機(jī)主機(jī)的快速停車(chē)功能。穿孔機(jī)直流主傳動(dòng)運(yùn)行后該處功率因數(shù)約為0.6。針對(duì)該問(wèn)題可以通過(guò)加裝功率因素補(bǔ)償裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因素的提升。

Ф219 mm雙模軋機(jī)交直流十二脈波整流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試得到了西門(mén)子（中國(guó)）有限公司工程師劉三昌的大力幫助，在此表示感謝。