張 彥，劉春輝，王 榮

（1.北京金自天正智能控制股份有限公司，北京 100060 ；2.重慶鋼鐵股份有限公司，重慶 401220）

前言

目前，直流電機(jī)以其優(yōu)良的調(diào)速特性、簡(jiǎn)單的控制方式、成熟的制造工藝以及高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè)、礦山開(kāi)采等領(lǐng)域?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中使用2 臺(tái)或多臺(tái)同軸電機(jī)替代1 臺(tái)大電機(jī)的運(yùn)行方式極其普遍，該方式具有電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)性能強(qiáng)、易于制造、便于維護(hù)以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)有同軸電機(jī)（電機(jī)參數(shù)相同）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式，是由2臺(tái)6相整流系統(tǒng)分別為2臺(tái)電機(jī)供電，控制上做主從控制，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)同軸電機(jī)運(yùn)行。由于大容量6相整流產(chǎn)生的脈動(dòng)電流大、諧波大，影響電機(jī)使用壽命，需要在直流回路增加平波電抗器。但平波電抗器的增設(shè)又會(huì)增大電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)，影響電機(jī)運(yùn)行動(dòng)態(tài)特性，因此，提出了一種大容量同軸電機(jī)多相整流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。

1 大容量同軸電機(jī)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

大容量同軸電機(jī)多相整流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)有的同軸電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)整流變壓器和可逆整流裝置，對(duì)交流側(cè)電網(wǎng)構(gòu)成多相整流，整流變壓器二次側(cè)電壓相位錯(cuò)開(kāi)，以減少電網(wǎng)諧波，提高功率因數(shù)。整流變壓器二次側(cè)連接的可逆整流裝置可根據(jù)大容量電機(jī)電流、電壓要求進(jìn)行并聯(lián)、串聯(lián)組合。2 臺(tái)同軸直流電機(jī)的電樞、勵(lì)磁繞組串聯(lián)在一起，可以實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電機(jī)當(dāng)做1 臺(tái)電機(jī)控制，電機(jī)運(yùn)行一致性較好。該系統(tǒng)對(duì)電機(jī)側(cè)構(gòu)成多相整流，可以減小直流脈動(dòng)電流，有效保護(hù)電機(jī)。

2 系統(tǒng)組成

大容量同軸電機(jī)多相整流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)由電樞回路、勵(lì)磁回路以及控制系統(tǒng)3部分組成，具體組成見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.1 電樞回路組成部分

電樞回路由高壓電源部分、可逆整流裝置部分及直流電機(jī)部分組成。

高壓電源部分由高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)QA、整流變壓器ZB以及接地保護(hù)組成，為可逆整流裝置供電。三繞組整流變壓器ZB原邊為角接，副邊兩繞組為角組和星組，輸出電壓相同，相位角度相差30°，對(duì)電網(wǎng)構(gòu)成12 相整流，減少了5、7、11 次諧波污染，提高了電網(wǎng)質(zhì)量。接地保護(hù)DJ1 和DJ2 分別監(jiān)視角組和星組的三相交流進(jìn)線接地阻抗，若小于某值時(shí)報(bào)警［1］。

可逆整流裝置部分主要由4臺(tái)晶閘管功率裝置P1～P4 組成。整流變壓器ZB 的角組為P1、P2 兩臺(tái)并聯(lián)功率裝置供電，星組為P3、P4 兩臺(tái)并聯(lián)功率裝置供電。P1、P2 兩臺(tái)并聯(lián)功率裝置輸出與P3、P4 兩臺(tái)并聯(lián)功率裝置輸出進(jìn)行串聯(lián)，形成對(duì)電機(jī)12相整流，直流電壓輸出疊加，可滿足大容量電機(jī)高電壓和大電流的要求。P1～P4功率裝置均由反并聯(lián)三相全橋電路構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，每臺(tái)裝置內(nèi)包含12 只晶閘管、6 套換相阻容吸收和6 臺(tái)熔斷器。每臺(tái)裝置進(jìn)線側(cè)有進(jìn)線電抗器LA、過(guò)壓吸收電路SPD 以及電流互感器TA。進(jìn)線電抗器可以增加裝置之間短路時(shí)的阻抗，解耦并聯(lián)裝置。過(guò)壓吸收電路可以吸收進(jìn)線電源浪涌電流的沖擊，電流互感器檢測(cè)交流側(cè)電流作為控制系統(tǒng)的電流反饋。

直流電機(jī)部分由2 臺(tái)同軸直流電機(jī)、直流電壓檢測(cè)、對(duì)稱電阻以及快速開(kāi)關(guān)組成。P1～P4 功率裝置構(gòu)成的直流輸出L+和L-連接2臺(tái)串聯(lián)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)承受直流輸出電壓的一半，電流相同。為避免電壓偏移或過(guò)壓故障，每臺(tái)電機(jī)電樞均有直流電壓檢測(cè)，用于控制系統(tǒng)電壓反饋。同軸電機(jī)軸系上的測(cè)速碼盤(pán)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，作為控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋。直流輸出由R1 和R2 對(duì)稱電阻串聯(lián)，可使系統(tǒng)在輕載或電流斷續(xù)時(shí)保持晶閘管電流，使晶閘管正常開(kāi)通和關(guān)斷。直流輸出回路中的快速開(kāi)關(guān)QF 在系統(tǒng)過(guò)流時(shí)快速分?jǐn)啵ＷC器件不受損壞。

2.2 勵(lì)磁回路組成部分

勵(lì)磁回路由高壓開(kāi)關(guān)QE、雙繞組勵(lì)磁變壓器TE、交流勵(lì)磁開(kāi)關(guān)KE、三相勵(lì)磁整流裝置以及2 臺(tái)電機(jī)勵(lì)磁繞組串聯(lián)組成。其中勵(lì)磁回路的電壓、電流檢測(cè)均在三相勵(lì)磁整流裝置內(nèi)部。

2.3 控制系統(tǒng)組成部分

控制系統(tǒng)包括電樞控制回路和勵(lì)磁控制回路。

控制系統(tǒng)1、2 用于實(shí)現(xiàn)P1、P2 和P3、P4 整流功率裝置構(gòu)成的串聯(lián)12相整流的順序觸發(fā)功能，分別發(fā)送觸發(fā)脈沖給相應(yīng)的功率裝置，通過(guò)檢測(cè)其相應(yīng)的交流進(jìn)線電流、直流電機(jī)電壓及電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息完成同軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)四象限調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)故障報(bào)警和保護(hù)功能。三相勵(lì)磁控制系統(tǒng)完成串聯(lián)勵(lì)磁繞組的電流閉環(huán)控制以及故障保護(hù)功能。

2 臺(tái)同軸電機(jī)電樞繞組、勵(lì)磁繞組串聯(lián)，可當(dāng)做1 臺(tái)電機(jī)控制?？刂葡到y(tǒng)1 和控制系統(tǒng)2 共同構(gòu)成串聯(lián)12 相整流，系統(tǒng)之間采用光纖link 網(wǎng)絡(luò)通訊，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)快速傳輸，2 套無(wú)環(huán)流邏輯互相連鎖，使得正、反橋翻轉(zhuǎn)一致?？刂葡到y(tǒng)1 為電機(jī)提供轉(zhuǎn)速環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)，控制系統(tǒng)2只為電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩環(huán)，其轉(zhuǎn)矩給定來(lái)源于控制系統(tǒng)1?？刂葡到y(tǒng)1 與三相勵(lì)磁控制系統(tǒng)之間采用Profibus 網(wǎng)絡(luò)，控制系統(tǒng)與上位機(jī)PLC 以及上位機(jī)PLC 與人機(jī)界面之間采用Profinet網(wǎng)絡(luò)。

由于整流裝置串聯(lián)供電給2 臺(tái)串聯(lián)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)承受直流輸出電壓的一半，電流相同，需要每臺(tái)電機(jī)的電壓檢測(cè)來(lái)避免電壓偏移和不均衡?？刂葡到y(tǒng)1 和控制系統(tǒng)2 均采用α 角寬脈沖觸發(fā)，每30°輸出一次。直流輸出的R1和R2對(duì)稱電阻可以使系統(tǒng)在輕載或電流斷續(xù)時(shí)，幫助晶閘管保持電流，使晶閘管正常開(kāi)通和關(guān)斷［2］。

3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

大容量同軸電機(jī)的可逆系統(tǒng)通過(guò)多相整流控制系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)同軸電機(jī)的電氣同步，又能提高電機(jī)控制性能可靠性，還可以減少對(duì)電網(wǎng)的污染，系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)歸納如下。

（1）同軸電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用2臺(tái)電機(jī)電樞串聯(lián)、勵(lì)磁串聯(lián)，2 臺(tái)電機(jī)電樞電流一致，勵(lì)磁電流一致，電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)自軸上的測(cè)速碼盤(pán)，2臺(tái)電機(jī)當(dāng)做1臺(tái)電機(jī)控制，系統(tǒng)速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)和電流環(huán)一致性更好，控制簡(jiǎn)單，電機(jī)運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能好。

（2）該系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)12 相整流，減少了5、7、11 次諧波對(duì)電網(wǎng)的污染?？赡嬲餮b置輸出對(duì)電機(jī)12相整流，對(duì)電機(jī)直流脈波小，有利于電機(jī)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，有效保護(hù)電機(jī)。

（3）該方案相比2 套6 相整流的主從系統(tǒng)，節(jié)省了2 臺(tái)平波電抗器、1 臺(tái)快速開(kāi)關(guān)和1 套勵(lì)磁系統(tǒng)，所以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既能滿足工藝要求，又節(jié)約成本，提高效益，實(shí)用價(jià)值高。

（4）電樞回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用功率裝置并聯(lián)增大電流，功率裝置串聯(lián)提高供電電壓，用于滿足大容量電機(jī)高電壓和大電流的要求［3］。

4 工程應(yīng)用

重鋼2700 中板項(xiàng)目中雙邊剪由2 臺(tái)390 kW/DC375 V 直流電機(jī)同軸串聯(lián)后作為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制。改造前該系統(tǒng)選用的是2 套6 相直流傳動(dòng)系統(tǒng)分別控制2臺(tái)電機(jī)，2套直流系統(tǒng)通過(guò)軟件上主從控制實(shí)現(xiàn)同步，但在實(shí)際使用時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于2 臺(tái)電機(jī)的輸出力矩偏差較大導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)異常的問(wèn)題。2020 年對(duì)該傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，選用2 套DCS880-S02-2500-04/05 作為直流控制器實(shí)現(xiàn)12 相串聯(lián)控制，通過(guò)將2 臺(tái)電機(jī)的電樞、勵(lì)磁分別串聯(lián)，構(gòu)成1 套多相整流的直流傳動(dòng)系統(tǒng)。目前，新系統(tǒng)已平穩(wěn)運(yùn)行兩年多，2 臺(tái)電機(jī)速度及電流特性高度一致，有效避免了由于同軸引起的2 臺(tái)電機(jī)不同步的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

軋鋼生產(chǎn)線上某些大功率設(shè)備經(jīng)常需要2臺(tái)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)才能滿足工藝控制要求。新型多相整流可逆系統(tǒng)的控制方案將電機(jī)的電樞和勵(lì)磁分別串聯(lián)，2 臺(tái)電機(jī)當(dāng)作1 臺(tái)電機(jī)控制，提高了電機(jī)運(yùn)行的一致性，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)同步。從工程應(yīng)用效果來(lái)看，多相整流的傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，且因減小了直流脈動(dòng)，可有效降低對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。