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      2500mm中厚板主傳動控制系統(tǒng)設(shè)計與分析

      2010-07-09 11:29:48陳大力梅軍進(jìn)王忠連
      制造業(yè)自動化 2010年7期
      關(guān)鍵詞:功能塊同步電機(jī)過電壓

      陳大力,梅軍進(jìn),王忠連

      (1. 廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,韶關(guān) 512126;2. 黃石理工學(xué)院,黃石 435003 3. 韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)有限公司,曲江 512123 )

      0 引言

      韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)某軋鋼廠中板改造工程中主軋機(jī)傳動由原來的兩臺2500kW的直流電動機(jī)改為兩臺4200kW交-交變頻同步電機(jī),R1上/下輥整流變壓器容量8400KVA。主整流變壓器均采用原、副邊三分裂繞組油浸式變壓器。兩臺整流變壓器接法錯開300以減少高次諧波[1];上/下輥勵磁變壓器分別為一臺副邊雙分裂繞組油浸式變壓器,容量1000KVA。軋機(jī)主傳動電機(jī)主要參數(shù)如下:

      1 同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示,交流同步電機(jī)采用自同步控制方式,定子電流由磁場定向控制系統(tǒng)分解為兩個獨立的直流分量,即電流的轉(zhuǎn)矩分量IM和激磁分量IT。與直流調(diào)速相同,轉(zhuǎn)矩分量設(shè)定值由速度調(diào)節(jié)器決定,激磁分量設(shè)定值由電機(jī)功率因數(shù)COSφ及電流模型計算出來。與同步電機(jī)同軸相聯(lián)的光電編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號Cosλ和Sinλ,由轉(zhuǎn)子模型單元計算出負(fù)載角Cosδ和Sinδ,以及勵磁電流給定值Ifd。轉(zhuǎn)子位置角λ與負(fù)載角δ相加可得磁場定向旋轉(zhuǎn)角Φ。根據(jù)當(dāng)前電機(jī)運行的實際反饋值及系統(tǒng)設(shè)定值,計算出給定電流的轉(zhuǎn)矩分量及激磁分量,給定電壓的轉(zhuǎn)矩分量和激磁分量,再經(jīng)過矢量的旋轉(zhuǎn)變換和2/3變換,形成三相定子電流給定值Ia、Ib、Ic ,這些值送入帶電流斷續(xù)自適應(yīng)調(diào)節(jié), 電壓前饋控制的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)[2,3]。

      表1 4200kW交-交變頻同步電動機(jī)電機(jī)參數(shù)

      2 SIMADYN D控制系統(tǒng)

      控制系統(tǒng)采用西門子公司的SIMADYN D全數(shù)字控制系統(tǒng)實現(xiàn)電機(jī)控制,并以通訊線加以連接,在系統(tǒng)中實現(xiàn)監(jiān)視和統(tǒng)一管理。SIMADYN D控制系統(tǒng)完成電機(jī)的調(diào)速控制,包括同步電機(jī)的矢量控制、電機(jī)的啟??刂坪碗姍C(jī)保護(hù),建立了通訊網(wǎng)將SIMADYN D設(shè)備及上位機(jī)有機(jī)地連接起來,實現(xiàn)本地現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,故障顯示、診斷及綜合控制和集中管理[4]。

      圖1 同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)

      SIMADYN-D控制系統(tǒng)包括一套完整的硬件及軟件,系統(tǒng)圖如圖2所示:主機(jī)箱為24插槽(SR24.1),系統(tǒng)接收光電碼盤反饋回的速度及位置信號,在PM6模板內(nèi)完成速度控制及工藝運算,在另一PM6模板內(nèi)完成矢量變換控制運算,然后形成定子三相電流的設(shè)定值及轉(zhuǎn)子激磁設(shè)定值,輸入給EP22及PM6+ITDC模板,由EP22進(jìn)行三相電流調(diào)節(jié)運算,由PM6+ITDC模板完成轉(zhuǎn)子激磁電流調(diào)節(jié)運算。并輸出晶閘管功率柜的觸發(fā)脈沖,通過晶閘管功率柜控制同步電機(jī),具體硬件配置如下:

      機(jī)箱:提供24個槽位用于插裝標(biāo)準(zhǔn)模板,并提供兩個內(nèi)部通訊總線,實現(xiàn)硬件模板之間的內(nèi)部通訊。

      微處理器模板:根據(jù)處理器的不同功能,選配三塊處理器模板PM6及一種專用的電流調(diào)節(jié)處理器模板EP22,實現(xiàn)如下功能:

      P1_PM6:通用處理器模板,用于速度控制。

      P2_PM6:通用處理器模板,用于矢量運算。

      EP22:特殊處理器模板,專門用于定子電流調(diào)節(jié)。

      P3_PM6:通用處理器模板,用于勵磁電流控制及輯控制和保護(hù)功能。

      輸入輸出模板:選配輸入輸出板EA12、EB11,其中:

      EA12用于模擬量的輸出

      EB11用于數(shù)字量的輸入輸出

      通訊緩沖板:選用MM11通訊緩沖板,它支持L及C兩種系統(tǒng)總線。

      通訊板:選用CS7作為通用通訊模塊,其上配置不同通訊子板完成不同通訊功能。

      軟件存儲子板:選用MS5存儲器。

      系統(tǒng)中采用CS7通訊模板,一方面通過PROFIBUS聯(lián)網(wǎng)高壓室及電機(jī)室的遠(yuǎn)程站(ET200)交換高壓開關(guān)、操作信號及電機(jī)保護(hù)等信息。并接受上位機(jī)的監(jiān)控。另一方面通過這一模板對各處理器進(jìn)行編程。

      3 SIMADYN D控制系統(tǒng)軟件功能

      SIMADYN D控制系統(tǒng)實現(xiàn)交交變頻同步電機(jī)矢量變換運算。通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)與遠(yuǎn)程I/O站的數(shù)據(jù)交換,SIMADYN D設(shè)備與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸以及與用于實現(xiàn)故障診斷、運行監(jiān)控畫面之間的信息傳遞由通訊網(wǎng)絡(luò)完成。

      SIMADYN-D軟件同樣具有模塊化的靈活特點,目前使用的STRUC軟件為STRUC-G V4.2.X版。其特點在于所有編程工作均為圖形化,而且包容量大。工程中主要應(yīng)用的控制軟件有:

      圖2 SIMADYN D控制系統(tǒng)

      功能塊(FB):功能塊是控制軟件中的最小單元,它是實現(xiàn)各種控制的基礎(chǔ),目前STRUC提供的功能塊有很多種,如閉環(huán)控制功能塊,大功率直流傳動控制功能塊,數(shù)學(xué)運算功能塊,邏輯運算功能塊,輸入輸出功能塊,通訊功能塊,信號轉(zhuǎn)換功能塊,診斷服務(wù)功能塊等。

      功能包(FP):功能包是由功能塊組成,并依據(jù)實際應(yīng)用要求加以連接編輯的功能框圖。每個功能包可以有99頁,在每頁上調(diào)用及編輯4-5個功能塊,因此每個功能包最多有495個功能塊。

      主程序(MP):依據(jù)SIMADYN-D硬件配置,設(shè)置其相應(yīng)的軟件參數(shù),是SIMADYN-D軟件運行的基礎(chǔ)和前提。

      SIMADYN D具有以下功能:速度控制;電樞電流控制;矢量控制 ;磁場控制;順序控制功能;扁頭定位功能;負(fù)荷平衡控制;本地操作及信息的顯示功能;故障情況下傳動系統(tǒng)的急停和快停;電樞控制的邏輯無環(huán)流切換;參變量的切換。

      4 控制系統(tǒng)通訊

      SIMADYN D控制系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)框圖如圖3所示。

      SIMADYN D本地通訊

      SIMADYN D配置CS7通用通訊板,SS52通訊子板掛靠在CS7通訊板完成本地通訊任務(wù):

      實現(xiàn)SIMADYN D通過現(xiàn)場總線與遠(yuǎn)程I/O ET200之間的數(shù)據(jù)傳輸,完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及控制信號傳送。為每臺軋機(jī)的控制裝置選配兩套ET200遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng),分別完成高壓側(cè)與電機(jī)側(cè)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。

      圖3 SIMADYN D控制系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)框圖

      信息管理及系統(tǒng)監(jiān)控:為每臺SIMADYN D控制設(shè)備配置兩塊通訊子板SS4。一塊SS4實現(xiàn)SIMADYN D 與調(diào)試用PC機(jī)的數(shù)據(jù)通訊,支持Service IBS服務(wù)軟件的在線訪問,以協(xié)助現(xiàn)場調(diào)試。另一塊SS4與SIEMENS公司專用操作面板OP2N進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)信息管理及傳動系統(tǒng)的故障收集、顯示、診斷以及對系統(tǒng)運行狀態(tài)的顯示。完成運行參數(shù)監(jiān)視、故障報警、開環(huán)調(diào)試運行等功能。

      系統(tǒng)過程控制通訊:每臺SIMADYN D控制設(shè)備配置SS52通訊子板,支持SINEC L2-DP通訊協(xié)議,通過SINEC L2-DP網(wǎng)絡(luò)完成與上位機(jī)的通訊,實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的控制。

      5 主要保護(hù)裝置

      5.1 過電壓保護(hù)

      定子回路過電壓保護(hù):變壓器二次側(cè)安裝RC吸收及高能壓敏電阻吸收,吸收變壓器操作及高壓開關(guān)動作過電壓。變頻器輸出側(cè)安裝RC吸收及高能壓敏電阻吸收,吸收電機(jī)啟停及變頻器升降過電壓。晶閘管元件設(shè)置RC電路吸收換向過電壓。設(shè)置電子過電壓保護(hù),用LEM電壓互感器檢測電壓值。當(dāng)電壓超過1.4倍額定電壓時,封鎖系統(tǒng),跳閘保護(hù)。

      轉(zhuǎn)子回路過電壓保護(hù):轉(zhuǎn)子晶閘管整流電路設(shè)置變壓器二次側(cè)高能壓敏電阻,晶閘管元件RC吸收及直流輸出側(cè)RC吸收電路,保護(hù)晶閘管不過壓損壞。轉(zhuǎn)子回路安置了可控硅滅磁系統(tǒng)和常接電阻,防止轉(zhuǎn)子回路開路或定子在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)造成過電壓。

      設(shè)置電子過電壓保護(hù),用LEM電壓互感器檢測轉(zhuǎn)子電壓值。當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓值超過1.3倍uemax時,控制系統(tǒng)封鎖并跳閘保護(hù)。

      5.2 過電流保護(hù)

      定子過電流保護(hù):電機(jī)額定電流 IN

      最大電流,考慮電機(jī)過載倍數(shù)

      電機(jī)過負(fù)荷跳閘:電機(jī)堵轉(zhuǎn),當(dāng)電流達(dá)到最大值 Imax 超過60S時,控制系統(tǒng)發(fā)出封鎖信號,停車保護(hù)。電機(jī)瞬時跳閘:I = 1.3*Imax 時,高壓開關(guān)動作。

      轉(zhuǎn)子過電流保護(hù):轉(zhuǎn)子額定電流 IeN

      轉(zhuǎn)子最大電流 Iemax = 2.5 IEn;當(dāng)轉(zhuǎn)子電流值達(dá)到Iemax 超過 t= 60s , 控制系統(tǒng)封鎖;當(dāng)轉(zhuǎn)子電流值達(dá)到I≥1.3 I emax,轉(zhuǎn)子開關(guān)動作。

      5.3 過速度保護(hù)

      交流同步電機(jī)軸端裝有測速裝置。

      - 額定轉(zhuǎn)速 nN

      - 最高轉(zhuǎn)速 nmax

      n = 110% nmax ,超速報警。

      n = 115% nmax ,超速跳閘。

      6 結(jié)論

      2500mm中厚板交交變頻主傳動系統(tǒng)的運行技術(shù)指標(biāo)如下:變頻器額定容量:9000kVA;變頻器輸出電壓:0~1650V;變頻器輸出頻率:0~12Hz;變頻器過載能力:115%;長期;200 %,1分鐘;靜態(tài)調(diào)速精度:≤±0.01 %;速度控制響應(yīng)時間:≤80mS;電流控制響應(yīng)時間:≤10mS;動態(tài)速降:≤0.25%S;變頻器綜合效率:98.5%;主軸定位精度:±0.5度;上、下輥負(fù)荷平衡滿足工藝要求。

      [1] 葉志浩,張曉鋒,李紅江,楊鋒,等.交交變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)諧波轉(zhuǎn)矩分析[J].武漢理工大學(xué)報,2005,29(6):943-946

      [2] 彭建飛,王樹錦,徐麗榮,劉曉龍.基于DSP的單相無環(huán)流交交變頻控制系統(tǒng)研制[J].電力電子技術(shù),2009,40(9):54-57.

      [3] 雷鳴,李崇堅,等.大功率交交變頻器電流控制系統(tǒng)[J].冶金自動化,2008,S2:783-787.

      [4] 仲偉克,張華儉,等.包鋼軌梁廠950mm初軋機(jī)主傳動系統(tǒng)[J].冶金自動化,2005,(1):62-65.

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