時間:2008-04-09 10:47:00來源:yangliu
圖1 常規(guī)熱連軋工藝設備配置示意圖
Fig1 The equipment layout schematic diagram of normal hot rolling mill line [/align][/b]
由于熱軋主機除SSP外都是大容量低速運動的機械運動設備,如粗軋機上下輥電機功率從2500KW到9000KW,轉(zhuǎn)速在20rpm到100rpm之間;精軋機電機5000KW到10000KW,轉(zhuǎn)速在200rpm到550rpm范圍內(nèi)。再加上同步電機在功率因素、電機尺寸和轉(zhuǎn)動慣量、工作效率、連接的變頻器容量、控制精度、弱磁比等方面優(yōu)于異步電動機,因此其驅(qū)動的電機均為同步電動機。而中等容量高速電機或小容量電機均采用交流鼠籠異步變頻電機〔1〕。
盡管上述設備數(shù)量多,電機的電壓和容量從交流380V/2KW到3300V/10000KW不等,逆變器的容量從2KVA到16MVA不等。但是若按變頻器制造商提供的產(chǎn)品系列一般分為三大類。即按電機和變頻裝置容量來分:主電機――主傳動裝置、重要主輔電機――中容量變頻裝置和輔助電機――小容量變頻裝置。表1為以日本三菱電機上世紀90年代中后期產(chǎn)品和東芝21世紀初期的熱軋供貨的變頻裝置進行說明。
[b][align=center]表1 熱軋軋線調(diào)速設備與變頻裝置型號對應一覽表
[/align][/b][/align]
2 變頻器設計及選型
主傳動變頻裝置
隨著高電壓大功率的電力半導體器件GTO、IGCT、IEGT等的誕生和應用,以及交交變頻裝置的輸出頻率低(最高頻率小于1/2電網(wǎng)頻率)、電網(wǎng)功率因素低、旁頻諧波影響、需要SVC及占地大等因素的影響。21世紀的熱軋帶鋼生產(chǎn)線主傳動變頻裝置正由三電平電壓型交直交PWM矢量控制變頻裝置或直接轉(zhuǎn)矩控制變頻裝置所取代。即使原來一直崇尚并堅持以可控硅為功率元件的交交變頻矢量控制技術的德國西門子公司,現(xiàn)在也不得不在最近推出了以IGCT為功率元件的電壓型交直交變頻裝置為熱軋生產(chǎn)線主軋機供電。表2為近幾年來運行在熱軋領域多年的電壓型交直交變頻器產(chǎn)品和應用實例:
[b][align=center]表2 熱連軋主傳動變頻裝置主要國外產(chǎn)品參數(shù)和實際典型用戶
Table 2 Typical foreign production parameter and typical application user of main driver in Hot Rolling Mill
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若以日本東芝TM-70產(chǎn)品作為實例對熱軋主傳動裝置進行說明,圖2就是單回路(1 bank)的電壓型交直交三電平變頻器主回路原理示意圖,從圖2可知,該結(jié)構的整流器和逆變器為典型對稱結(jié)構,主回路裝置可以換。圖2以TM-70的8000Frame為例說明:若電機為鼠籠異步電動機,則其輸入電壓為交流3550V,50Hz,輸出為3400V,0-60Hz,裝置容量為8MVA.,若電機為同步電動機,其輸入電壓為交流3550V,50Hz,輸出為3200V,0-60Hz,裝置容量為7.5MVA.若單回路供電容量不夠,可以采用雙回路進行供電方式,一般又有兩種模式,其一為雙變頻裝置對一臺雙繞組電機,見圖3;其二可以將雙變頻裝置輸出通過輸出電抗器再輸出到單繞組電機。實踐證明:TM-70裝置具有高效率、高性能、對電網(wǎng)無公害,占地面積小等特點。
[b][align=center]
圖2 單回路電壓型交直交三電平主回路結(jié)構示意圖
Fig 2 Main circuit configuration diagram of 3-level voltage source converter[/align][/b]
[b][align=center]
圖3 雙回路變頻裝置對雙繞組同步電動機實際單線原理示意圖
Fig 3The single line diagram of double converters to twin-winding synchronous motor [/align][/b]
2.1.1變頻裝置容量的選擇
在工藝產(chǎn)品大綱和相關參數(shù)下,由機械商或設計院計算后,明確電機需要的軋制轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、過載倍數(shù)、軋制節(jié)奏等,當電機參數(shù)確定后,由電機供應商和變頻器提供商及設計院共同選擇變頻器、整流變壓器、高壓開關、逆變器和電機之間的隔離開關等相關的參數(shù)。由于在談判期間工藝可能存在不確定性和理論計算或仿真有許多因素未考慮,或計算公司復雜,相關系數(shù)取值不一,會造成計算不準甚至嚴重偏離,如熱軋的軋機軋制力的計算值。結(jié)果首先電機的電磁功率會計算錯誤,接下來變頻器和其它開關、變壓器等均有可能選錯。另外投標外商想降成本,不排除他們對電機或變頻裝置等容量的富裕度設計偏小的可能,特別是對裝置或設備容量跨檔的。假設某變頻裝置的單機容量為8MVA,過載倍數(shù)按1.5倍考慮,若此時其帶的負載為交流同步電機,其額定功率是4800KW,過載倍數(shù)2.5倍60秒情況下,此時一套裝置就無法滿足要求,但很有可能,外商為了中標,常常會說服買方,強調(diào)其裝置夠用或強調(diào)改進電機工作效率等。根據(jù)實際使用經(jīng)驗,由于未來產(chǎn)能提高、節(jié)奏加快、新的品種拓展,特別是難軋品種比例提高、極限規(guī)格品種增多、工藝條件變化(如為了節(jié)能,板坯采取下限燒鋼、低溫出爐,此外如板坯溫度均勻性較差、軋機負荷分配有一定偏差、或板坯在軋機前擺鋼時間較長等),就有可能在生產(chǎn)中因軋制力矩不夠,造成裝置過流跳電。因此在選擇軋線主傳動裝置時,建議在考慮全廠變頻裝置型規(guī)統(tǒng)一性和互換性的及減少裝置規(guī)格品種的前提下,盡可能根據(jù)設計需要選擇,若一旦發(fā)生上述類似選型現(xiàn)象,寧愿犧牲成本或統(tǒng)一性,也必須保證該裝置有足夠的富裕度。其實對應的電機也同樣適合該法則。在某種場合下,寧愿做到“大馬拉小車”,否則,將損失更大或需要提前改造。
[b]2.1.2變頻裝置相關輔助設備的選擇
(1)純水冷卻裝置[/b]
由于裝置采用了大功率驅(qū)動元件及柜內(nèi)元器件安裝緊奏,除了強制風冷外,一般都采用純水冷卻系統(tǒng),每一套純水冷卻裝置由水箱、過濾器、離子交換器、導電離子檢測裝置、工業(yè)循環(huán)冷卻水及相關管道、流量壓力檢測、閥門等組成。該冷卻裝置有柜式和非柜式的、有獨立和非獨立的之分。由于熱軋主機數(shù)量較多,因此選擇原則是就近集中和冷卻能力接近或相同的原則進行配置。如某熱軋廠主傳動電壓型交直交變頻器共有13套,其純水冷卻裝置只配有4套,即大側(cè)壓SSP與粗軋機R1上下輥裝置共使用1套、粗軋機R2上下輥共使用1套、飛剪CS與精軋機F1到F3,精軋機F4到F7分別各使用1套。安裝地點可以根據(jù)電氣室的大小進行選擇,無地方可以選擇電纜夾層、有地方放在電氣室內(nèi)。
(2)其它相關設備或裝置配置
由于買方對外商的設備和功能使用經(jīng)驗不多或了解不多,在技術談判中處于下風,賣方也利用此點在技術合同附件中設置許多陷阱,而此時買方還以為該類裝置是標準系列產(chǎn)品,因此在實際工程中常常存在短斤缺兩、或以次充好,尤其在選配件上:放電裝置或回路,柜內(nèi)漏水檢測傳感器和報警裝置,柜內(nèi)照明裝置,勵磁主回路溫度檢測及報警裝置,備用顯示回路,簡易維護盤,STACK組件拆卸和安裝小車、STACK組件功率元器件更換專業(yè)工具及試驗裝置。另外也要關注柜頂冷卻風機、中間回路濾波電解電容器、整流側(cè)入口電抗器和浪涌吸收裝置、控制電源等元器件,避免以次充好。
(3)通訊裝置
首先是傳動裝置本身與其上級基礎自動化之間的通訊裝置,要求其具有開放性或向用戶公開其通訊協(xié)議,如Profibus-DP等。通訊介質(zhì)一般均為光纜。
其次各傳動裝置系統(tǒng)組成的局域網(wǎng)絡,選擇通用的TCP/IP以太網(wǎng),以便實行遠程維護和監(jiān)控。
另外整個軋線按區(qū)域配置3到4套傳動系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)合二為一或獨立的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng),便于信息在線或觸發(fā)跟蹤。最快的采樣時間不大于0.1ms。
最后與傳動維護工具(PC電腦,可以實現(xiàn)程序或參數(shù)下載上傳、參數(shù)設定與修改、實時監(jiān)控、故障波形或信息讀出等功能)一般采用RS232或RS485或一般的以太網(wǎng)網(wǎng)線連接即可。
[b]
(4)傳動裝置保護功能要注意全和有效。
(5)傳動裝置的軟件或特殊功能配置[/b]
一般傳動裝置調(diào)試完成后,軟件和參數(shù)基本不變,但是隨著工藝的日益增長的要求,如產(chǎn)品材質(zhì)規(guī)格的拓展,或?qū)嶋H系統(tǒng)在部分板坯軋制時出現(xiàn)機電共振、扭振等異常時,或機械系統(tǒng)有升級或老化、電氣系統(tǒng)老化等情況發(fā)生時,就要求系統(tǒng)具有方便的軟件再造功能或簡單硬件追加修改。譬如內(nèi)部聯(lián)鎖組合或追加,停送電或控制邏輯或時序的優(yōu)化,電流環(huán)、速度環(huán)PID調(diào)節(jié)器的典型回路(比例、積分、微分)環(huán)節(jié)的自由組合、同一調(diào)節(jié)器在不同工況下變增益、變時間參數(shù),多種可變限幅值控制,狀態(tài)觀測回路、濾波回路等回路追加的編程。此外在熱連軋主軋機控制功能中,還有粗軋的上下輥負荷平衡功能、Droop功能、及抑制軋機扭振的SFC等特殊功能。除了上述功能外,系統(tǒng)最好具有強大的自診斷功能,而且預報準確、及時,并能方便用戶在故障代碼提示和作業(yè)指導書下,快速找到和解決問題。系統(tǒng)軟件升級要方便快捷。
(6)與上下游設備關系
與整流變、高壓柜及隔離開關及電纜容量要合適、保護要匹配、聯(lián)鎖要周到。
2.2 中等容量的變頻裝置
粗軋機前的立輥軋機E和精軋機前的飛剪CS及卷取卷筒裝置,其電機的電磁功率在500KW到1200KW左右,由于其容量不大也不小,且控制精度都要求較高,因此實際工程中都采用不同于低容量和大容量的變頻裝置,即電壓中等、容量也中等的變頻裝置,整流器為公用的可控硅SCR整流、通過公用母線,輸出到以IGBT作為功率元件的三電平交直交PWM變頻裝置中,若逆變器容量大,一般采用多套同容量變頻裝置進行并聯(lián)供電。控制原理圖見圖4,某廠實際配置見表3由于該類傳動逆變器采用IGBT,無需水冷。其它選擇原則基本同主傳動裝置。不過最近日本東芝公司即將推出類似于主傳動對稱結(jié)構的中等容量的整流逆變裝置TM-50。
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圖4 中等容量TM-30T/30變頻器的控制原理圖
Fig 4 The control sketch diagram of middle capacity TM-30T/30 frequency converter [/align][/b]
從圖4可知,整流器部分為兩組并聯(lián)的普通可控硅整流,通過LC直流濾波電路將±900V直流電壓送到兩套逆變器裝置去。逆變器為三電平電壓型交直交變頻器,功率元件為IGBT。由于立輥軋機工作側(cè)和傳動側(cè)獨立驅(qū)動,靠機械中間軸相連,距離近,兩套逆變器常常共用一套公用整流器,而卷取機或飛剪電機常常由1臺電機獨立驅(qū)動,考慮到當整流器發(fā)生故障時間,損失降到最小,卷取機的逆變器安裝位置近,但常常設置2套獨立整流器,即1臺卷取機使用1套整流器。盡管一次投資成本增加,但是將來全廠停產(chǎn)風險最少。其電機和整流器、逆變器參數(shù)見表3。
[b][align=center]表3 某熱軋生產(chǎn)線中等容量的變頻器配置及主要參數(shù)
Table 3 The main parameters and allocation of middle capacity frequency converter
[/align][/b]
2.3 低壓小容量的變頻裝置
對于熱軋軋線其它調(diào)速負載,因其電機電壓低、功率小,但數(shù)量多,一般都采用公用整流器進行整流、然后通過直流母排將直流電壓送到的許多逆變器柜內(nèi),再通過以IGBT為主回路功率元件的逆變器給電機供電,其控制技術采用二電平PWM矢量控制技術。為了方便電機檢修或絕緣檢測,一般在逆變器與電機之間增設空氣開關或逆變器內(nèi)增設輸出接觸器,低壓小容量的變頻裝置原理示意圖見圖5。
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圖5 一個公用整流器帶多個逆變器供電實例圖
Fig 5 A actual example of one common converter with many inverter [/align][/b]
從圖5可知,T1212單元表示用可控硅作為功率元件的公用整流器,其容量為1440KW,輸入交流電壓為630V,頻率為50Hz ,整流器的輸出為直流低壓600V,額定電流為2400A,裝置過載倍數(shù)為150%,60秒。其輸出直流電壓通過600V直流母排送到各逆變器,根據(jù)逆變器功率大小,小于125KVA的不設直流進線開關,大于125KVA設置直流進線開關,在INV裝置的輸出都設有出線斷路器,方便檢修。圖5只畫出該公用整流器帶的部分逆變器負載,上述負載既有獨立逆變器給單臺電機供電方式,也有給成組輥道供電方式。實際工程中,該整流器下帶3種類型的逆變器(125型、200型和300型),共計逆變器12套,電機2種(22KW、37KW)共計103輥道電機和2臺轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機。
2.3.1 整流器的配置
配置的原則是單機容量不宜太大(否則增加投資和占地)、也不能太少(不便于檢修和停送電等),要考慮以下幾個因素:電氣室和變頻器設置在用戶的中心或附近,以降低電纜長度和電壓降;整流器自身容量;故障范圍影響最少;工藝設備的區(qū)域和檢修停電的方便性。案例1為某熱軋廠把板坯庫和加熱爐與粗軋SSP和R1軋機附近的輔助設備共用1套公用整流器,常出現(xiàn)SSP和R1附件輔機在檢修,而板坯庫和加熱爐區(qū)域輔機檢修后必須提前4小時以上收料和裝鋼,造成一半負荷要停電檢修、另一半負荷需要運行工作的矛盾。案例2未考慮整流器一旦故障,造成全線停產(chǎn)。某熱軋線卷取區(qū)配有兩套獨立運轉(zhuǎn)的卷取設備,若兩套輔機設備共用一套公用整流置,曾發(fā)生該裝置出現(xiàn)6小時以上故障,結(jié)果造成全線也停產(chǎn)6個小時,因此有必要對其負載進行分離,保證在一套公用整流器故障后另一套供電的卷取機還能繼續(xù)卷鋼。若負載遠離負荷中心,寧愿在負載附近增設小型整流器電源,如板坯庫和運輸鏈此類的輥道或輔助負載,以保證電機供電電壓,同時可以大大降低到電機電纜長度和截面積。某熱軋生產(chǎn)線共設置了10套公用整流器裝置(板坯庫加熱爐3套,粗軋2套,精軋1套,卷取和運輸鏈4套),三種類型,裝置的參數(shù)額定容量-直流電壓-額定電壓分別為720KW-600V-1200A和1440KW-600V-2400A及2880KW-600V-4800A。
2.3.2 逆變器的配置或選型
熱軋輔機逆變器選擇原則:(1)裝置容量有一定的富裕度;(2)重要負載宜獨立供電,普通輥道可以成組供電,該成組輥道的各電機處于同一工藝速度段,具有相同的轉(zhuǎn)速和線速度,該組各電機參數(shù)盡可能接近或相同;(3)全廠盡可能減少逆變器的種類,以減少備件的數(shù)量;(4)小容量逆變器INV盡可能采用類似馬達控制中心抽屜式結(jié)構。
日本的逆變器裝置常有多級抽屜式、三相合一獨立成柜式、三相獨立成柜式等,而德國西門子公司常常采用固定式。日本東芝輔機逆變器其按容量來分,多達17種:2、4、8、15、25、45、75、125、200、300、400、500、700、900、1000、1400、1800等,全部涵蓋熱軋所有輔機負荷,品種齊全。日本三菱電機上世紀90年代初推出Melvc-1200系列和德國西門子公司6SE70通用變頻器系列兩者均有許多容量各異的品種。某熱軋生產(chǎn)線實際共使用了東芝公司TM-10系列全部17種產(chǎn)品中的15規(guī)格的逆變器,共計209套。其中容量最大的逆變器1800型,其輸出容量為979KVA,輸出交流電壓為440V,電流為1285A,裝置100%負載連續(xù),225%過載60秒,250%過載15秒。而逆變器最小裝置2型,其輸出容量為2KVA,輸出交流電壓為440V,電流為2.6A,裝置100%負載連續(xù),150%過載60秒。
裝置容量計算原則上獨立驅(qū)動逆變器INV單元的容量乘上逆變器得過載倍數(shù)(日本東芝和三菱電機的逆變器按1.5倍計算,德國西門子6SE70系列為1.36倍過載倍數(shù))的積,不得低于電機輸出電磁功率乘以其最大允許工作的過載倍數(shù)。對于部分特殊的負載,如軋制高溫硅鋼的熱軋生產(chǎn)線,對出爐輥道到粗軋機前的輥道,粗軋機入出口機架輥、精軋末機架出口機架輥、SSP有輥道升降裝置的輥道、質(zhì)檢站地輥等特殊負載,要充分留有容量余量,否則會造成該類逆變器頻繁跳電。因為除了考慮其起動過程中部分電機打滑外,還要考慮輥道的磨損不均勻、標高、板坯變形、硅鋼的頭尾塌腰及粗軋機翹扣頭控制差,板坯爬坡等特征,有時一組13個輥道,只有2到3根輥道接觸板坯。因此逆變器容量計算要留有余量,其需用系數(shù)不能考慮太小。一般地,對于熱軋成組輥道逆變器輸出的最大電流應滿足下式:
I[sub]INVmax[/sub]≤u[sub]INV[/sub]*I[sub]INVN[/sub] 〔2〕
其中I[sub]INVmax[/sub]為啟動打滑時逆變器的最大輸出電流,u為逆變器允許的輸出電流過載倍數(shù);I[sub]INVN[/sub] 為逆變器輸出電流的額定值,而I[sub]INVmax[/sub]又可以用下式計算:
I[sub]INVmax[/sub]=n[sub]1[/sub]*I[sub]M1[/sub]+n[sub]2[/sub]*I[sub]M2[/sub]
其中該逆變器下n[sub]1[/sub]臺電機處于空載啟動狀態(tài),此時該狀態(tài)下的每臺電機電流為I[sub]M1[/sub],而有n[sub]2[/sub]臺電機處于帶載起動同時又有打滑情況,此時該n[sub]2[/sub]臺電機的單機電機電流為I[sub][/sub]M2。
除了考慮逆變器INV的容量計算外,對于逆變器其它元件配置也必須重點關注,若直流母排取電后進入逆變器前是否增設直流斷路開關,INV裝置輸出后是否設置接觸器或交流斷路器、輸出電抗器、裝置內(nèi)是否設置溫度保護裝置、自帶風扇以及裝置內(nèi)的其它如電容器、電源裝置等元器件的選取等。另外對于電機需要強制冷卻風機供電,還必須考慮附加風機電源和聯(lián)鎖條件。在這一類小容量變頻裝置中,有的采用速度反饋的矢量控制技術,有的采用無速度反饋的矢量控制技術,必須根據(jù)控制對象的精度進行區(qū)分,防止選型不當,無法滿足控制的需要。
3 結(jié)束語
熱連軋生產(chǎn)線中各類變頻器是該線重要的電氣設備之一,除了正常生產(chǎn)中,設備維護得當外,在產(chǎn)品選型和設計等過程中要認真計算和驗算,不能完全相信機械商提供的數(shù)據(jù),對于上述提到的負載更要認真驗算,防止選小。對于影響成本的條款或系數(shù)要在合同簽訂前明確,否則會后患無窮。當然在實際生產(chǎn)中,要精心護理好變頻器。如嚴格控制好變頻器的使用環(huán)境,嚴格控制溫度和濕度及粉塵,定期清灰(清洗過慮網(wǎng)和柜內(nèi)清灰)和緊固,定期檢查電解電容器外觀是否變形或漏液,檢查柜內(nèi)風機運行狀態(tài)、對電源和脈沖檢查做精密測試或部分元器件進行性能檢測,以傾向性作為劣化管理。目前熱軋單元只有整流單元還可以國產(chǎn)化,其它還得引進,因此要適當備用部分組件或關鍵性的元器件。
【參考文獻】
〔1〕李崇堅,段巍.軋機傳動交流調(diào)速機電振動控制〔M〕。北京:冶金工業(yè)出版社,2003。
〔2〕天津電氣傳動設計研究所,電氣傳動自動化技術手冊〔M〕。北京:機械工業(yè)出版社,2005。
作者簡介:歐湘貴,1965年,男,湖南衡陽市人,高級工程師,本科,從事冶金自動控制。
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