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基于国产变频器的轧钢交流主传动设计

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舰 船 防 化
2011 年第 2 期, 15~19 CHEMICAL DEFENCE ON SHIPS №2, 15~19

基于国产变频器的轧钢交流主传动设计
刘旭然,李 欣,胡世展,马永岗
(中国船舶重工集团公司第七一八研究所,河北 邯郸 056027) 摘 要:通过对某棒材轧钢线轧机主传动采用直流母线方式的 MD601 变频器传动设计方案的介绍,

对在轧钢生产线轧机主传动上应用国产变频器进行了探讨,研究了在这一钢铁重要领域中变频器国 产化的可行性。 关键词:交流变频;轧钢;交流传动;MD601 中图分类号:TM921 文献标示码:A

Design of AC Main Dive on Rolling Mill Based on Homemade Converter
Liu Xu-ran, Li Xin, Hu Shi-zhan, Ma Yong-gang
(The 718th Research Institute of CSIC, Handan 056027, China)

Abstract: This paper discussed the application of the homemade converter on rolling mill main drive system by describing a bar milling project that used the common DC bus converter MD601 as main driver. Also we analyzed the feasibility of localizing the converter on rolling mill which was an important industry related with steel. Key words: AC variable frequency, Rolling mill, AC Dive, MD601 钢行业此类变频系统被国外产品完全垄断, 目前国产 变频器的性能已经可以满足轧钢传动的要求, 在这个 轧钢电气主传动调速系统是现代轧钢生产线的 关键设备,技术要求较高。其负载类型属于冲击性重 载型负载,要求调速系统过载能力强,静/动态性能 优良,系统响应有良好的快速性,并且具有很好的稳 定性和可靠性。 过去在这个领域一直以使用直流调速 传动系统为主,但与交流电机相比直流电机故障率 高,维护工作量较大。*年来,随着变频调速技术的 飞速发展, 交流变频调速系统在轧钢领域开始逐步应 用,在棒、线材轧机传动中获得了非常好的控制效果
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0 引 言

领域开发基于国产变频器的调速系统有重大意义。 因 此我们在这方面做了一些工作, 下面就介绍一种以汇 川MD601变频器为基础结合某棒材轧钢生产线实际 需求所做的轧钢主传动交流变频调速系统设计方案。

1 轧钢生产线基本情况简介
某钢厂新建一条 100 万吨棒材生产线。 生产线主 要设备有加热炉、 粗轧机组、 中轧机组、 预穿水装置、 精轧机组、飞剪、穿水冷却装置、冷床、冷剪、收集 装置等。生产线共设 18 架轧机,采用全连续*立交

,其取代直流系统也已是大势所趋。但是目前在轧

· 16 · 替布置方式。主轧机总装机容量 16800kW。









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四象限运行时系统的功率因数(±0.99),电网 侧电流谐波小于5%,IGBT整流的母线电压波动小于 2%; 速度传感器矢量控制具备零速200%转矩输出能 力; 电机弱磁控制优异,满足宽调速范围的现场需 求; 支持两种力矩均衡控制模式: 主机速度控制从机 转矩控制、主机从机均速度控制; 功率单元并联不均流度小于5%; 稳态速度精度小于0.05%; 速度响应时间小于150ms; 转矩响应时间小于20ms; 运行时噪音小于80DB 。 2.3 安全可靠性 工艺设计满足设备在恶劣环境中长期可靠工作; 采用光纤驱动控制, 提高系统抗电磁干扰能力及 可靠性; 完善的后台监控功能,监控软件通过工业以太 网,实现快速示波器功能。 2.4 使用与维护 多次故障参数记录查询功能, 系统有50多种故障 监测与保护,便于快速诊断与故障排除; 功能码修改查询功能 ; 功率单元模块化,结构采用抽屉式设计,便于现 场安装拆卸。

产品规格:螺纹钢/圆钢:Φ12~50mm(其中 Φ12~Φ22mm 的产品采用切分轧制) ; 主要钢种:普通碳素钢、优质碳素结构钢、低合 金钢、合金结构钢。
表 1 棒、线材轧制工艺对传动控制系统的技术要求 Table 1 Technical requirement for the driving control system on bar/wire milling process 轧制工艺 稳态速度精度% 速度响应/ms 转矩响应/ms 速度范围要求 其他 粗中轧机 0.5 200 30 一般 恢复时间短 高线精轧机 0.1 200 30 一般 恢复时间短

对主传动的性能要求见表 1《棒、线材轧制工艺 对传动控制系统的技术要求》 。

2 MD601 系列变频器的产品特点
MD601 系列变频器采用柜机结构设计,并应用 光纤并联技术, 可以把 1~8 个功率单元并联成各种不 同功率的驱动器,从而实现了变频器的大功率化 。 其具备的性能和特点已经可以满足轧钢传动调速系 统的使用要求。 2.1 功率单元功能 二极管整流支持12脉冲整流, 以减小对电网的谐 波影响; 具备完善的故障自动监测与保护功能; 4种总线通信功能可同时使用:工业以太网、 Profibus-DP、CAN和Modbus-RTU; 支持故障的功率单元热退出; 支持电机VF控制、无速度传感器矢量控制、有 速度传感器矢量控制; 支持功率单元并联使用,最多可8个单元并联; 丰富的用户资源(4 路 AI、4 路 AO、15 路 DI、 11 路 DO、2 路 PG、3 路 PTC)。 2.2 传动及控制性能
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3 设计方案
该交流变频调速系统设计方案采用共直流母线 方式,系统主要由电动机、整流单元、逆变器、制动 单元和制动电阻组成。 整流单元把进线交流电转换为 电压稳定的直流电, 多台整流单元通过直流母线为所 挂各逆变器提供直流电。 整流单元的功率部分采用二 极管调制,其控制系统是全数字调节器,由电压环和 电流环双闭环组成,自动调节中间回路的电压,保持 直流母线的电压稳定。逆变器的功率部分是由IGBT

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电力电子功率元件构成的变流电路。 多台逆变器装置 均通过均流电抗器并联在交流输出母线上, 并通过交 流母线输出至电动机驱动电机运行和调速 。制动系 统采用能耗制动方式,由制动单元和制动电阻组成, 当电动机减速时, 电动机的机械能转换成电能回馈到 中间电容中,制动单元和制动电阻把回馈能量消耗 掉,不会引起电容器过电压。 3.1 电动机 该棒材生产线主轧机电动机为交流异步电动机, 总计 18 台,电机的电压等级 690V,全部为 6 极, 1200kW 以上(含)的电机是双绕组电机。轧钢生产 工艺对电机传动过载能力要求:基速时 150%额定电 流(1 小时)长期运行,200%额定电流(1 分钟)偶 尔运行;高速时 130%额定电流(1 小时)长期运行, 200%额定电流(1 分钟)偶尔运行。 具体电机的参数及技术指标参见表 2《交流变频 异步电动机参数》 。 3.2 系统组成 本设计方案中, 每组传动系统由配电柜、 整流柜、 逆变柜、制动柜 4 部分组成,由于共用一个直流母 线,称为一个母线组。由于考虑可靠性和制作难度,
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单段母线组的容量不宜过大, 结合考虑变压器选型确 定将 18 台电机分为六个母线组驱动。每组传动系统 所驱动电机的总功率分为四个 2700kW 组和二个 3000kW 组。 18 台电机被按照功率分配在六组驱动系统中, 具体功率分配见表 3《电机及驱动系统的功率分组 表》 。为满足系统的过载要求和充分的可靠性,配置 的整流系统与逆变系统都比电机功率大, 同时考虑容 量的冗余配置, 整流单元和逆变器功率普遍进行了放 大。电机总功率为 2700kW 组,配置的整流功率为 4000kW,逆变器功率为 4500kW;电机总功率为 3000kW 组,配置的整流功率为 4000kW,逆变器功 率为 5000kW;每组母线组配置相应的进线开关柜以 及制动单元和制动电阻。 3.3 系统配置 每个母线组整流容量为 4000kW,采用 6 个二极 管整流单元并联实现。为降低母线电压的波动,同时 降低整流对电网的谐波注入,并减小母线电容的纹 波,方案采用了 12 脉冲整流方式。 每组传动系统中, 三相 12 脉冲的 690V 交流电源 先送入配电柜, 配电柜中各配置两个额定电流 2500A

表 2 交流变频异步电动机参数 Table 2 Parameter of the Motors Operating with Frequency Converters 型 号 YBFJ560-6 600 630/690V 30.3/60.5 600/1200 双向 IP54 F级 S1 单 5 YBFJ560-6 900 600/690V 32.8/65.5 650/1300 双向 IP54 F级 S1 单 7 ≤40℃ YBKS630-6(双) 1200 560/690V 32.8/65.3 650/1300 双向 IP54 F级 S1 双 5 YZBP710-6(双) 1500 500/690V 33.0/65.5 650/1300 双向 IP54 F级 S1 双 1

电机功率(kW) 电机电压(V) 频率(Hz) 转速(r/min) 旋转方向 防护等级 绝缘等级 工作制 绕组方式 数量(台) 环境温度

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表 3 电机及驱动系统的功率分组表 Table 3 Power Distribution of the Motor and Drive System 母线分组 整流总功率 整流柜功率 2000kW 母线组 1(H1) 4000kW 2000kW M4 M5 2000kW 母线组 2(H2) 4000kW 2000kW 2000kW 母线组 3(H3) 4000kW 2000kW 2000kW 母线组 4(H4) 4000kW 2000kW 2000kW 母线组 5(H5) 4000kW 2000kW 母线组 6(H6) 4000kW 2000kW 2000kW M12 M16 M17 M18 900kW 1200kW 1200kW 1500kW 1250kW 1500kW 1500kW 2000kW 500kW 60kW/9R 500kW 60kW/9R M10 M15 M11 900kW 1200kW 900kW 1250kW 1500kW 1250kW 500kW 60kW/9R M8 M14 M9 600kW 1200kW 900kW 750kW 1500kW 1250kW 500kW 60kW/9R M6 M13 M7 600kW 1200kW 900kW 750kW 1500kW 1250kW 500kW 60kW/9R 600kW 900kW 750kW 1250kW M2 M3 600kW 900kW 750kW 1250kW 500kW 60kW/9R 电机号 M1 电机功率 600kW 逆变器功率 750kW 制动电阻 制动电阻

的框架式断路器,输入电源从配电柜进入整流柜,整 流柜经过二极管整流成直流电, 直流电通过柜子顶部 的直流母排,送入逆变柜和制动柜,形成一个共直流 母线系统。 同时每段直流母线段配置制动单元和制动 电阻。制动电阻选用 60kW,9? 电阻,以电阻柜方式 布置在电缆夹层中。系统配置图参见图 1。 3.4 通信与自动化控制系统的接口 MD601 系统可以同时支持 4 个总线通信通道, 分别为 Profibus-DP、 工业以太网、 CAN Link、 Modbus。 在我们所设计的系统中,PLC 控制系统采用 Profibus-DP 总线,PLC 通过 Profibus-DP 总线控制每 个传动单元的启动、停止、运行速度、运行方向等。 MD601 变频器可实现 Profibus-DP 3M 或者 6M 的通 信速度, 完全能够满足轧钢自动化控制的数据传送需

要。 另外,设置轧线的 HMI 上位机系统通过工业以 太网监控每个传动单元的运行状态:电机转速、电机 电流、变频器输出频率、变频器母线电压、变频器输 出电压、变频器输出电流、变频器故障状态等。供操 作人员了解设备的运行状态。

4 结 语
综上所述,使用国产 MD601 型变频器基本可以 实现与国外知名品牌变频器相当的功能, 同时还可以 进行功率部分的冗余配置并具备热退出性能, 从而大 大提高系统的可靠性,可以满足轧钢生产的需要。当 前在棒线材轧钢行业中轧线机械设备已经从过去整 线的国外引进发展到目前国产化率几乎达到 100%,

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图 1 系统配置图 Fig.1 System Configuration

而在轧钢的变频调速设备上却被国外产品彻底垄断, 不仅价格昂贵,还存在供货周期、备品备件、售后服 务等很多问题, 成为制约我国轧钢传动交流化的主要 因素, 所以轧钢行业变频器的国产化有非常重要的现 实意义和广阔的市场前景。 参考文献
[1] 刘松斌等.交流传动在棒、线材轧机上的应用.冶金自 动化,2003,3 [2] 深圳市汇川技术股份有限公司. MD601 变频器使用说明 [3] 陈伯时.电力拖动自动控制系统.第 2 版.北京:

机械工业出版社,2000

作者简介:刘旭然(1981~) ,女,助理工程师,2006 年毕业 于东北大学信息科学与工程学院自动化专业, 现从事传动自动 化设计与调试工作。




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