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1  引言  
    寶鋼股份冷軋廠1420酸軋機(jī)組是國(guó)內(nèi)*條酸洗-軋機(jī)聯(lián)合的新型生產(chǎn)線，由連續(xù)酸洗線（CPL）和五機(jī)架串列式冷軋機(jī)（TCM）聯(lián)合而成。五機(jī)架冷連軋機(jī)的1、2、3機(jī)架為上/下工作輥傳動(dòng)的四輥式CVC軋機(jī)，4、5機(jī)架為上/下支撐輥直接傳動(dòng)的六輥式CVC軋機(jī)。五機(jī)架主傳動(dòng)采用了西門(mén)子大型交-交變頻器矢量控制系統(tǒng)SIMOVERT-D，系統(tǒng)調(diào)速性能優(yōu)良，空載時(shí)速度環(huán)靜態(tài)精度為0.01%，調(diào)節(jié)時(shí)間小于50ms，電流環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間小于6.5ms，從零到zui大速度的加速時(shí)間為1S。這為能軋制高精度的鍍錫原板和冷軋薄板提供了可靠保證。  
    SIMOVERT-D傳動(dòng)系統(tǒng)由交-交變頻器、勵(lì)磁整流器、交流隱極同步電動(dòng)機(jī)、全數(shù)字多處理器控制系統(tǒng)SIMADYN-D等組成，是典型的全數(shù)字矢量控制調(diào)速系統(tǒng)。
2  主傳動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成
     主傳動(dòng)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示,定子主回路由高壓斷路器、整流變壓器、三相交-交變頻器、無(wú)負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)、交流同步電機(jī)等組成。而轉(zhuǎn)子（激磁）主回路由斷路器、進(jìn)線電抗器、激磁整流器等組成。
    上輥?zhàn)儔浩鹘泳€方式為Ddo/Ddo/Ddo（即△/△-0），而下輥?zhàn)儔浩鹘泳€方式為Dy5/Dy5/Dy5（即△/Y-5），因此上下輥兩臺(tái)變壓器二次側(cè)繞組相位相差30度,這樣做可以減少電網(wǎng)的諧波。
    電動(dòng)機(jī)的激磁繞組（既轉(zhuǎn)子繞組）由一臺(tái)整流變壓器統(tǒng)一供電，每臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子激磁回路由單獨(dú)的六脈沖整流橋供電。
    每套主傳動(dòng)的變頻器由三個(gè)可控硅柜組成，每個(gè)可控硅柜是一套三相橋式無(wú)環(huán)流反并聯(lián)連接的單相輸出的交-交變頻器，由三個(gè)單相交-交變頻器柜組成一套輸出Y連接方式的三相交-交變頻器。
    電動(dòng)機(jī)采用西門(mén)子直流激磁隱極式轉(zhuǎn)子交流同步電機(jī)。每個(gè)機(jī)架上/下輥傳動(dòng)各有一臺(tái)，功率均為2000kW。其中1#～3#機(jī)架使用滾柱型軸承的4極電機(jī)，通過(guò)齒輪箱傳動(dòng)工作輥，而4#、5#機(jī)架使用軸瓦的6極電機(jī)，直接用萬(wàn)向軸驅(qū)動(dòng)支撐輥。所有電機(jī)都采用Y形接線方式。
    此外由于軋機(jī)軋輥沒(méi)有抱閘，為了防止主回路跳電時(shí)軋機(jī)自由停車(chē)，另設(shè)置了一套能耗制動(dòng)設(shè)備，即激磁回路上并接一套蓄電池組和定子回路上并接一套制動(dòng)電阻。
2.1 控制回路構(gòu)成及設(shè)備
    控制部分由全數(shù)字SIMADYN D控制柜及其它輔助控制柜組成。SIMADYN D控制器由框架、電源、處理器板、接口板等組成。每套傳動(dòng)由一臺(tái)SIMADYN D控制，其主要控制功能有速度控制、矢量控制、相電流控制、激磁控制、工藝控制等。
3  交-交變頻器基本工作原理
    實(shí)際使用的三相交-交變頻器由三個(gè)單相交-交變頻器組成，三相輸出為Y連接方式。而單相交-交變頻器是一套三相橋式無(wú)環(huán)流反并聯(lián)連接的可逆的可控硅整流裝置。
    交-交變頻器額定輸入電壓為3AC 950V 50Hz，額定輸出電壓為3AC 808V，額定輸入電流為3AC 701A，額定輸出電流為3AC 859A，zui大輸出電流為3AC 1200A。額定輸出頻率為22Hz，輸出頻率范圍為6.5～22Hz。使用的可控硅元件的額定電壓和電流為3500V/1670A。
    三相交-交變頻器由三套輸出電壓彼此相差120°時(shí)間電角度的單相交-交變頻器組成。
    三相交-交變頻器由SIMADYN D相電流處理器板控制，該控制板包括三相電流控制、電壓前饋控制以及三相觸發(fā)脈沖控制和輸出等部分。觸發(fā)脈沖為雙脈沖形式，保證了每個(gè)橋中的兩個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通;每個(gè)脈沖寬度為36°，保證了兩組橋中的可控硅的同時(shí)導(dǎo)通;而每個(gè)脈沖由一系列窄脈沖列組成，脈沖列里的脈沖頻率為7KHz，可以提高抗*力。每組橋的脈沖周期為60°，且按1、2、3、4、5、6的順序循環(huán)觸發(fā)導(dǎo)通可控硅。由于三相交-交變頻器輸出為Y連接方式，系統(tǒng)要能構(gòu)成回路形成電流進(jìn)行正常工作，變頻器必須有兩組橋中的四個(gè)可控硅同時(shí)有觸發(fā)脈沖（即電機(jī)兩相繞組通電）或三組橋中的六個(gè)可控硅同時(shí)有觸發(fā)脈沖（即電機(jī)三相繞組通電）。
    由于變頻器中的正反兩組可控硅橋是采用無(wú)環(huán)流反并聯(lián)連接的，因此本變頻器采用了快速無(wú)環(huán)流控制方案，無(wú)環(huán)流換相邏輯切換由相電流控制板控制，而“零電流”信號(hào)由可控硅斷態(tài)電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)出。電流的死區(qū)時(shí)間可以達(dá)到0.8ms左右。
    相電流控制板還有電壓前饋控制，電壓前饋控制的目的是將電壓源型的交-交變頻器改造成具有電流源特性的變頻器，實(shí)現(xiàn)變頻器輸出電流跟蹤的快速性。
本交-交變頻器還采用了交流偏置控制方法，使變頻器的輸出電壓為“準(zhǔn)梯形波”，以提高變頻器的輸出能力。
4  主傳動(dòng)控制功能
4.1 速度控制
    速度調(diào)節(jié)器采用典型的PI調(diào)節(jié)器，但P調(diào)節(jié)器和I調(diào)節(jié)器是分開(kāi)獨(dú)立工作的。傳動(dòng)的速度給定有以下幾種情況:
    傳動(dòng)主導(dǎo)速度WN從上級(jí)SIMADYN D送來(lái)。
    附加速度WNCOR和WNTC從自動(dòng)厚度控制AGC、張力控制TENS等工藝控制環(huán)節(jié)送來(lái)。
    附加速度WNLB從雙傳動(dòng)負(fù)荷平衡控制環(huán)節(jié)送來(lái)。
    點(diǎn)動(dòng)速度，軋輥定位等由傳動(dòng)本身給定。
    在調(diào)試、維護(hù)時(shí)可由操作面板OP45給定（WNOP）。
    這些速度或附加速度給定都要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的斜率限制后，再送給速度PI調(diào)節(jié)器。速度控制原理圖如圖2所示。
    速度實(shí)際值XN由同步電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的脈沖發(fā)生器（2800脈沖/轉(zhuǎn)）測(cè)量，經(jīng)計(jì)數(shù)變換后，一路直接送到矢量控制，用于震蕩補(bǔ)償控制（實(shí)際中未用），另一路經(jīng)濾波器送到速度調(diào)節(jié)器和矢量控制里。使用濾波器主要是考慮到傳動(dòng)軸、齒輪箱等不是*剛性的，有一定的彈性扭曲，對(duì)速度來(lái)說(shuō)它相當(dāng)于一個(gè)低頻干擾量。如果不濾波掉，會(huì)引起系統(tǒng)震蕩。
    速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)矩給定值，此外還要疊加轉(zhuǎn)矩預(yù)控給定值WMPR、雙傳動(dòng)公共I調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩給定值YICON。綜合所有轉(zhuǎn)矩，則同步電機(jī)定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定值為:總轉(zhuǎn)矩ΣM除以磁通ψ。轉(zhuǎn)矩給定值限幅為*。
    五機(jī)架主傳動(dòng)中，1、2、3機(jī)架采取上下工作輥獨(dú)立傳動(dòng)控制方式，而4、5機(jī)架采取上下支撐輥獨(dú)立傳動(dòng)控制方式。上下輥速度控制采用公共I調(diào)節(jié)器和上下輥負(fù)荷平衡控制方案。
    上下輥雙傳動(dòng)工作時(shí)，封鎖各傳動(dòng)速度調(diào)節(jié)器的I調(diào)節(jié)器，同時(shí)釋放上下輥公共I調(diào)節(jié)器，各傳動(dòng)的P調(diào)節(jié)器工作方式不變。公共I調(diào)節(jié)器的速度給定值和實(shí)際值均取兩個(gè)傳動(dòng)電機(jī)的平均值，公共I調(diào)節(jié)器輸出與各電機(jī)自己的P調(diào)節(jié)器輸出相加。如果各電機(jī)的定子電流轉(zhuǎn)矩分量的實(shí)際值超過(guò)zui大值，I調(diào)節(jié)器輸入封鎖，以防止進(jìn)一步積分，從而保證輸出不變。但在單臺(tái)電機(jī)點(diǎn)動(dòng)、軋輥定位、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦轉(zhuǎn)矩測(cè)量等時(shí)，封鎖公共I調(diào)節(jié)器，同時(shí)P調(diào)節(jié)器切換到PI調(diào)節(jié)器。
    采用以上控制方案后，對(duì)應(yīng)帶鋼速度所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速值由公共I調(diào)節(jié)器給出，而工藝要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)和負(fù)荷平衡由P調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。
4.2 轉(zhuǎn)矩預(yù)控
    為了保證調(diào)速性能和調(diào)節(jié)器*化工作，因此，必須對(duì)加/減速轉(zhuǎn)矩、摩擦轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償，也就是所謂的“轉(zhuǎn)矩預(yù)控”，如圖3所示。要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩預(yù)控的關(guān)鍵是測(cè)量出實(shí)際的機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦轉(zhuǎn)矩，然后把它們存入初始化參數(shù)中，用于正常工作時(shí)的預(yù)控補(bǔ)償。
轉(zhuǎn)子慣量的測(cè)量方法是:以20%的額定轉(zhuǎn)矩給定轉(zhuǎn)矩限幅，速度從0加速到基速NG，然后從NG減速到0，根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩和加減速時(shí)間計(jì)算出轉(zhuǎn)矩慣量J。
J=（MN/4×NG×π）×[（T上×T下）/（T上+T下）]
其中: MN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩、NG為電機(jī)轉(zhuǎn)速、T上為加速上升時(shí)間、T下為減速下降時(shí)間。
    摩擦轉(zhuǎn)矩測(cè)量方法:把速度０～*分成16個(gè)點(diǎn)（給定值），測(cè)量時(shí)先給定出一個(gè)速度，等到實(shí)際速度到達(dá)時(shí)，自動(dòng)記錄下此時(shí)的轉(zhuǎn)矩值，然后又給出另一個(gè)速度，再記錄下該速度下的轉(zhuǎn)矩值，直到n=*時(shí)的轉(zhuǎn)矩給定值。
    然后把所有轉(zhuǎn)矩值，寫(xiě)在出始化參數(shù)里，形成一個(gè)函數(shù)表，用于摩擦轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。加/減速轉(zhuǎn)矩為MMACC=J×（dw/dt）=   J×2I/D×dv/dt，其中:J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、I為齒輪比、D為傳動(dòng)輥輥徑、dv/dt為帶鋼加速度。
    總的轉(zhuǎn)矩預(yù)控原理見(jiàn)圖3:
    其中:WMADD為附加速度轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償;
    WMFRI為摩擦轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償;
    WMACC為主導(dǎo)加/減速轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償;
    WMPRE總的轉(zhuǎn)矩預(yù)控值。
4.3 矢量控制
    主傳動(dòng)同步電機(jī)控制系統(tǒng)采用氣隙磁場(chǎng)定向矢量變換控制，通過(guò)矢量變換控制使同步機(jī)氣隙磁通保持不變，這樣就可以通過(guò)控制電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，很方便地控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。
    實(shí)際控制系統(tǒng)中的矢量控制采用軟件模塊化結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4所示, 矢量控制的主要控制環(huán)節(jié)由以下幾部分組成:
    實(shí)際值檢測(cè)處理（IWE）  l直流調(diào)節(jié)器（GGR）
    電壓模型（UMO）  l磁通調(diào)節(jié)器（PUR）
    電流模型（IMO）  l功率因素控制（COS）
    轉(zhuǎn)子位置估算（OWA）    l閉環(huán)控制給定值傳送（SUGS）    
    zui小激磁電流控制（IEM）
    開(kāi)環(huán)控制交流給定值發(fā)生器（DSGS）
    （1） 實(shí)際值檢測(cè)IWE
    IWE功能塊用于測(cè)量定子實(shí)際電流iS（即iSA、iSB、iSC），實(shí)際電壓uS（即uSA、uSB、uSC）和轉(zhuǎn)子實(shí)際位置λ，并可對(duì)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行校正。
    （2） 電壓模型UMO
    電壓模型UMO根據(jù)實(shí)際電流iS、實(shí)際電壓uS計(jì)算出實(shí)際磁通ψ和磁通位置角φUMO以及實(shí)際電勢(shì)e。當(dāng)速度小于5%時(shí)，由于定子電壓很低，測(cè)量值相對(duì)誤差較大，電壓模型不準(zhǔn)確，電流模型起主要作用。
    （3） 電流模型IMO 
    電流模型IMO根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出總的給定值i＊Sφ1和i＊Sφ2，以及磁通ψIMO和磁通位置角φIMO。當(dāng)電機(jī)速度在4%～8%之間時(shí)，電壓模型UMO和電流模型IMO同時(shí)起作用，磁通值及其位置角取兩者的加權(quán)計(jì)算值。
    此外，電流模型還計(jì)算輸出弱磁系數(shù)F，用于弱磁控制。當(dāng)電機(jī)速度在基速nN以下時(shí)，弱磁系數(shù)F=1，ψ＊=ψG＊，保持磁通值不變，電機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。當(dāng)電機(jī)速度在基速以上時(shí)，弱磁系數(shù)F=n/nG ，磁通ψ＊=（nN/n）ψN＊，電機(jī)以恒功率調(diào)速。
    （4） 轉(zhuǎn)子位置估算OWA
    OWA根據(jù)速度大小，從電壓模型UMO輸出磁通位置角jUMO和電流模型IMO輸出磁通位置φIMO兩者之中選擇更的一個(gè)作為轉(zhuǎn)子位置估算值。當(dāng)電機(jī)速度小于4%時(shí)，轉(zhuǎn)子位置估算值使用IMO的計(jì)算φIMO;當(dāng)速度大于8%時(shí)，取UMO的計(jì)算值φUMO;當(dāng)速度在4%和8%之間時(shí)，φM取兩者速度加權(quán)平均值，使電機(jī)速度能平滑地變化。
此外，此功能塊還要校正數(shù)字系統(tǒng)的死區(qū)時(shí)間，因此還要計(jì)算經(jīng)過(guò)校正的轉(zhuǎn)子位置角。
    （5） 直流調(diào)節(jié)器GGR
    GGR有兩個(gè)功能，一個(gè)功能是 直流量i＊Sφ1、i＊Sφ2積分調(diào)節(jié)器，另一個(gè)功能是解耦環(huán)節(jié)（即電壓給定值計(jì)算），總的輸出作為定子電壓預(yù)控給定值uS＊。GGR還根據(jù)相電流實(shí)際值iSA、iSB、iSC，計(jì)算給出輸出iSφ1、iSφ2實(shí)際值。
    當(dāng)i＊Sφ1、i＊Sφ2給定值都小于5%時(shí)，并且給定值與實(shí)際值偏差小于1%時(shí)，封鎖直流調(diào)節(jié)器（I調(diào)節(jié)器）。電壓預(yù)控給定值限幅為*，當(dāng)達(dá)到限幅后，允許減少輸出調(diào)節(jié)。
    （6） 磁通調(diào)節(jié)器PUR
    磁通調(diào)節(jié)器主要用于校正同步電動(dòng)機(jī)磁化狀態(tài)。電機(jī)磁化初始狀態(tài)由電流模型控制。磁通調(diào)節(jié)器只有在電機(jī)速度大于8%時(shí)才釋放工作。磁通調(diào)節(jié)器PUR里有兩個(gè)調(diào)節(jié)器及其輸出，它們可以相互獨(dú)立工作。一個(gè)是P調(diào)節(jié)器輸出，經(jīng)zui小激磁電流控制環(huán)節(jié)IEM傳送到IMO，作為定子電流磁化分量的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。另一個(gè)調(diào)節(jié)器是PI調(diào)節(jié)器，輸出也送到IMO，作為激磁電流給定值IS＊E的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)補(bǔ)償。
    （7） 功率因素控制COS
    同步電機(jī)功率因素可以通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流磁化分量i＊Sφ1來(lái)改變。COS環(huán)節(jié)就是根據(jù)期望功率（COSφ=1）、電機(jī)漏電抗、負(fù)載電流i＊Sφ2以及弱磁系數(shù)計(jì)算出所需的定子電流磁化分量給定值i＊Sφ1。
    此外，COS環(huán)節(jié)還有zui小定子電流ISmin限制功能，當(dāng)電機(jī)實(shí)際定子電流小于5%，通過(guò)限制磁化分量電流的大小，可以避免定子電流斷續(xù)。
    （8） 給定值傳送SUGS
    SUGS把矢量控制里計(jì)算出的電流矢量I＊S（極坐標(biāo)形式，從IMO來(lái)），電壓矢量U＊S（極坐標(biāo)形式，從GGR來(lái)），以及經(jīng)較正過(guò)的轉(zhuǎn)子位置角φM，存儲(chǔ)到通訊緩沖器里，然后由相電流控制里的相應(yīng)功能塊讀出，作為相電流控制給定值。
    （9） 交流給定值發(fā)生器DSGS
    DSGS主要用于電流閉環(huán)控制、電壓模型、實(shí)際值檢測(cè)等功能的初始測(cè)試。DSGS根據(jù)給定電流和頻率計(jì)算出旋轉(zhuǎn)定子電流矢量給定值。DSGS起作用時(shí)，自動(dòng)代替SUGS，把有關(guān)給定值送到通訊緩沖器里。
4.4 電流控制
    電流控制分為定子相電流控制和轉(zhuǎn)子激磁電流控制。
相電流控制基本功能為P調(diào)節(jié)器，每相各有一個(gè)電流調(diào)節(jié)器，通過(guò)相電流控制，使交-交變頻器具有電流源特性。實(shí)際中這部分內(nèi)容做成了“黑匣子”，無(wú)須用戶(hù)修改程序，在矢量控制里有一個(gè)功能塊SEND1與相電流控制部分進(jìn)行通訊，用它可以設(shè)定各種參數(shù)和控制信號(hào)。
    轉(zhuǎn)子激磁電流控制和以前的直流激磁控制原理基本一樣。主要由電流給定斜坡發(fā)生器MCSP、邏輯切換MSOC、電流PI調(diào)節(jié)器MCPI、觸發(fā)脈沖形成MTG6、電流實(shí)際值檢測(cè)MCAV功能塊等組成。
    其中IS＊E是定子坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流給定值，送給轉(zhuǎn)子電流控制回路時(shí)，必須乘上一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)g（由轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算功能塊MAES計(jì)算出）后方得到轉(zhuǎn)子控制回路給定值IR＊E。轉(zhuǎn)子電流控制原理圖如圖5所示。
5  結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)對(duì)實(shí)際應(yīng)用的交-交變頻器主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制原理的介紹，希望能對(duì)有關(guān)人員熟悉和了解交-交變頻器有所幫助。
交-交變頻器的調(diào)試、維護(hù)簡(jiǎn)單方便，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)完滿(mǎn)足冷軋生產(chǎn)工藝要求。