無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中阿塞爾軋管機(jī)的控制

劉茜，李心苗

（天津市先導(dǎo)倍爾電氣有限公司，天津 300300）

無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中阿塞爾軋管機(jī)的控制

劉茜，李心苗

（天津市先導(dǎo)倍爾電氣有限公司，天津 300300）

隨著整流裝置功率加大，它所產(chǎn)生的諧波、無(wú)功功率等對(duì)電網(wǎng)的干擾也隨之加大，為減輕干擾，可采用多重化整流電路。針對(duì)無(wú)縫鋼管廠阿塞爾軋機(jī)系統(tǒng)，結(jié)合主從控制思想及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，提出了大功率直流傳動(dòng)系統(tǒng)12脈動(dòng)控制方式，介紹了該系統(tǒng)中主要電氣元件選型及技術(shù)參數(shù)計(jì)算的方法。實(shí)踐證明，此方法結(jié)構(gòu)清晰，波形良好，輸入電流諧波大幅減少，一定程度上提高了功率因數(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能滿足較高的工藝要求，值得在大功率直流控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

阿塞爾軋機(jī)；12脈動(dòng)；主從系統(tǒng)；諧波

1 自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成

本文以某廠無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線為例，主要介紹該生產(chǎn)線上軋管機(jī)部分。該軋線包括：穿孔機(jī)上下輥，軋管機(jī)上下輥，共4臺(tái)主軋機(jī)，主傳動(dòng)部分采用6RA70直流裝置控制。軋管機(jī)上下輥電機(jī)參數(shù)均為：功率2 115kW，電樞電流3 210A，電樞電壓750V，勵(lì)磁電流38.5A。本系統(tǒng)由一套西門子S7-400PLC控制，在主操作室設(shè)置1臺(tái)工業(yè)微機(jī)，完成運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置遠(yuǎn)程I／O站。S7-400PLC通過(guò)MPI網(wǎng)與上位機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速穩(wěn)定傳輸。通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)與6RA70直流傳動(dòng)裝置和I／O站相連接，穿孔機(jī)的6RA70與西門子S7-200PLC相連接形成USS通訊，用來(lái)擴(kuò)展6RA70的邏輯控制和狀態(tài)檢測(cè)功能，由于ASSEL軋機(jī)主電路功率晶閘管變流器采用12脈動(dòng)控制方式，因此不采用USS通訊的方式擴(kuò)展6RA70的邏輯功能，而是將S7-200PLC增加EM277模塊連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)上，構(gòu)成一個(gè)全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化系統(tǒng)硬件配置圖Fig.1 Hardware of the automation system

西門子S7-400PLC是用于中、高檔性能范圍的可編程控制器，模塊化設(shè)計(jì)，堅(jiān)固耐用，易擴(kuò)展，具有廣泛的通訊能力，CPU414-2DP集成了MPI，PROFIBUS-DP主站網(wǎng)絡(luò)接口。在程序的執(zhí)行方面，不僅可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算，還能進(jìn)行更為復(fù)雜的三角函數(shù)和反三角函數(shù)運(yùn)算，每K二進(jìn)制語(yǔ)句的執(zhí)行時(shí)間僅用0.1ms，結(jié)構(gòu)化的STEP7編程語(yǔ)言具有豐富的指令系統(tǒng)和編程界面及監(jiān)控工具，這就為一些復(fù)雜的工業(yè)控制提供了前提條件，可高效地完成各種過(guò)程控制和順序控制任務(wù)。

2 ASSEL軋機(jī)部分的構(gòu)成及控制

ASSEL軋機(jī)屬于大功率傳動(dòng)系統(tǒng)，電樞電流3 210A，且在軋鋼時(shí)需達(dá)到2倍過(guò)載，所以，采用主從形式的12脈動(dòng)控制系統(tǒng)比較適合，其電氣單線圖如圖2所示。

圖2 軋管機(jī)上（下）輥電氣單線圖Fig.2 Single-line diagram of electricity of tube mill top（lower）roll

2.1 變壓器參數(shù)計(jì)算

為了連接供電電網(wǎng)電壓，使用一個(gè)單獨(dú)的3繞組整流變壓器。

變壓器視在功率：

式中：UN為整流裝置輸入的額定電壓；Id為1臺(tái)整流裝置的直流電流（直流總量的1／2）。

常用變壓器接線組：Dy5Dd0，Yy0Yd11，短路電抗壓降值UK＝4%～6%。

2.2 平波電抗器參數(shù)計(jì)算

對(duì)2個(gè)整流裝置中的任何一個(gè)都要使用一個(gè)平波電抗器。這是一個(gè)雙值電抗器，即由2個(gè)電流值來(lái)確定電感。電抗器的熱計(jì)算按直流電流有效值進(jìn)行。

計(jì)算必須的電感：

1）在0.2Idn時(shí)的電抗器電感（LD1）；

2）在Idmax時(shí)的電抗器電感（LD2）。

50Hz電網(wǎng)頻率的電感為

60Hz電網(wǎng)頻率電感為

式中：L為電感，H；Idn為直流電機(jī)額定電流的一半；Idmax為直流電機(jī)最大電流的一半；Udi＝UN×1.35，UN為饋電的額定電壓。

2.3 過(guò)壓保護(hù)的選擇

使用過(guò)壓保護(hù)，保護(hù)整流裝置的半導(dǎo)體器件免于遭受三相交流電網(wǎng)相間過(guò)壓的損壞，過(guò)壓保護(hù)裝載的極限電壓等于受保護(hù)器件的閉鎖電壓。當(dāng)切斷空載變壓器時(shí)，變壓器勵(lì)磁電流一定會(huì)在整流器側(cè)繼續(xù)流動(dòng)，這將導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)壓。在這種情況下過(guò)壓保護(hù)須接收變壓器的激磁能量：

式中：WM為變壓器激磁能量；SN為變壓器額定功率；I0為變壓器空載電流；IN為變壓器額定電流；f為電網(wǎng)頻率，Hz。過(guò)壓保護(hù)器可采用SIMOREG SITOR過(guò)壓保護(hù)器，SITOR過(guò)壓保護(hù)的技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 SIMOREG SITOR技術(shù)數(shù)據(jù)Tab.1 Technical data of SIMOREG SITOR

表1中UAN為額定閾值電壓，W0為一次可被吸收的能量，W2為可被吸收100次的能量，W4為可被吸收10 000次的能量，Imax為最大泄漏電流。推薦設(shè)計(jì)參數(shù)，WM＜W4（10 000次開-關(guān)操作）。

2.4 絕緣監(jiān)控

在非接地電網(wǎng)中使用一個(gè)絕緣監(jiān)控裝置來(lái)監(jiān)控對(duì)地絕緣電阻。該絕緣監(jiān)控裝置測(cè)量流過(guò)一個(gè)已知串聯(lián)電阻的電流。為此需在保護(hù)導(dǎo)體和電網(wǎng)之間疊加一個(gè)測(cè)量電壓。當(dāng)絕緣電阻下降至可調(diào)節(jié)的閾值時(shí)，絕緣監(jiān)視器給出一個(gè)報(bào)警信號(hào)。由于2臺(tái)整流裝置是并聯(lián)連接，因此直流電壓側(cè)存在相互地電連接，在這種情況下只能使用一個(gè)絕緣監(jiān)控裝置來(lái)監(jiān)視電網(wǎng)和直流電壓側(cè)的接地情況。

本系統(tǒng)采用2臺(tái)6RA7095-4LV62全數(shù)字直流調(diào)速裝置，該裝置額定直流電壓為875V，額定直流電流為1 900A，ASSEL軋機(jī)電樞電壓為750V，電樞電流為3 210A，所以采用2臺(tái)直流調(diào)速裝置12脈動(dòng)工作形式能夠滿足系統(tǒng)工作需要。全數(shù)字直流調(diào)速裝置交流進(jìn)線側(cè)額定輸入電壓為3AC 830V，額定輸入電流為1 575A，可根據(jù)交流進(jìn)線側(cè)額定輸入電壓和額定輸入電流選擇三相進(jìn)線開關(guān)。

3 6RA70裝置構(gòu)成12脈動(dòng)系統(tǒng)的方法及原理

6RA70整流裝置構(gòu)成12脈動(dòng)系統(tǒng)適用于可逆系統(tǒng)，也適用于不可逆系統(tǒng)，當(dāng)6RA70裝置被需要控制可逆系統(tǒng)時(shí)，需采用2臺(tái)4象限裝置，當(dāng)被需要控制不可逆系統(tǒng)時(shí)，需采用2臺(tái)單象限裝置。

在功率部分的電源側(cè)，由2個(gè)電壓值相同，其間相位角為相差30°的2套三相交流電壓向整流裝置供電。每個(gè)整流裝置負(fù)擔(dān)的電流為電流總量的一半，如果6RA70裝置的額定電流不夠，可通過(guò)變流器多路并聯(lián)連接提高直流電流輸出能力。

本文討論的12脈動(dòng)系統(tǒng)中，由于采用2套6RA70控制系統(tǒng)，構(gòu)成主從方式，共同控制1臺(tái)軋機(jī)，由于每套6RA70裝置的控制原理都基于電流-速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以采用如圖3控制方式。

圖3 調(diào)速系統(tǒng)Fig.3 System of speed regulation

本系統(tǒng)中，由于是2套6RA70裝置共同構(gòu)成1套系統(tǒng)，所以2套裝置共用主從裝置速度調(diào)節(jié)器，主從裝置各自用自帶電流調(diào)節(jié)器，主從裝置各自實(shí)現(xiàn)恒流啟動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)電流匯合，由于主從裝置共用速度調(diào)節(jié)器，即共用速度環(huán)，所以可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中同步給定和穩(wěn)態(tài)后的同步調(diào)節(jié)。

4 主從裝置間的信號(hào)接線

首先，直接從電流調(diào)節(jié)回路（連接器0120）前提取主動(dòng)裝置的電流給定值作為電流給定值傳輸給從動(dòng)裝置，電流調(diào)節(jié)回路對(duì)于2臺(tái)整流裝置中的任何一個(gè)都有效。對(duì)于4象限工作的裝置，在電流換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生自動(dòng)反向級(jí)相互閉鎖，其作用是使2臺(tái)裝置的電流換向同時(shí)進(jìn)行，傳輸轉(zhuǎn)矩方向信號(hào)。對(duì)于單象限工作的裝置，自動(dòng)反向級(jí)無(wú)效，因此也不需要相互閉鎖。主從裝置可通過(guò)Peer to Peer通訊方式聯(lián)成同一系統(tǒng)。接線方式如圖4所示。

圖4 裝置對(duì)裝置通訊接線圖Fig.4 Connecting diagram of peer to peer interface

整流裝置主從裝置使用Peer to Peer協(xié)議，通過(guò)6RA70裝置的RS485端子進(jìn)行通訊，在通訊過(guò)程中，裝置間通過(guò)串行接口傳輸數(shù)據(jù)，高波特率傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速交換。Peer to Peer通訊線采用屏蔽電纜，主從側(cè)的屏蔽層應(yīng)平鋪在地上。

5 結(jié)論

本文以12脈動(dòng)的思想，分析了無(wú)縫鋼管廠大功率ASSEL軋機(jī)的控制方案。實(shí)踐證明，此方案控制思想清晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，可以使輸入電流諧波大幅減小，并且在一定程度上提高功率因數(shù)。滿足工藝及生產(chǎn)的需要，且具有良好的輸出波形，在大型直流電機(jī)控制系統(tǒng)中值得推廣應(yīng)用。

［1］ 張家生，王忠石，符永剛.電機(jī)原理與拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.第2版.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007.

［2］ 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.第4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

修改稿日期：2010-11-16

Control of ASSEL Mill in Seamless Steel Pipe Production

LIU Qian，LI Xin-miao

（TianjinXiandaoBellElectricLTD，Tianjin300300，China）

As the power raising of rectifier，the disturb of harmonics and inactivity to electric network becomes severe.To reduce the disturb，we can use the multiplex rectifier.The 12-pulse control method of superpower DC drive system was put forward，which depends on ASSEL mill of seamless steel pipe，master-slave idea and network construction.It introduced the election and calculation of electric element.Approving by experience，this method is obvious in fabric，wave is fair，the disturb of harmonics is reduced to electric network and the power factor is raised.The system is stabilize and credibility.It can meet stringent specification technology，the system should be spread to superpower DC drive system.

ASSEL mill；12-pulse；master-slave system；harmonics

TP2

A

劉茜（1978-），女，工程師，Email：missliuqian＠sina.com

2010-05-25