摘要：本文主要以Masterdrives為例，介紹了SIEMENS變頻器在冶金工業(yè)系統(tǒng)中驅(qū)動中的應(yīng)用，著重地討論了其系統(tǒng)配置、控制原理及性能；并結(jié)合厚板廠熱處理線的特點(diǎn)，對冗余的雙CBP通訊控制也進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞：變頻器；Masterdrives；雙CBP

1 引言

寶鋼5000mm厚板軋機(jī)是目前我國厚板廠中zui寬的現(xiàn)代化軋機(jī)之一，主要由板坯庫、加熱爐、精軋機(jī)（粗軋機(jī)預(yù)留）、ACC、熱矯、冷床、剪切線、精整、特厚板設(shè)備、熱處理線、冷矯、涂漆線以及磨輥間、成品庫等部分組成；分前區(qū)軋機(jī)和后區(qū)精整兩部分組織生產(chǎn)。

在精整區(qū)域中，涉及設(shè)計、供貨廠商不下十家，主體硬件使用SIEMENS SIMOVERT-Masterdrives變頻器，可以用于交流鼠籠異步機(jī)和小容量的同步電機(jī)。變頻器將三相固定頻率和電壓的輸入電源轉(zhuǎn)換為三相交流可變頻率和電壓的輸出電源，為交—直—交變頻控制，由于直流電壓源的箝位作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，與負(fù)載阻抗無關(guān)，而交流側(cè)的電流波形和相位因負(fù)載阻抗角的不同而異，其波形或接近三角波，或接近正弦波。變頻器使用形式各自不同：厚板廠主體驅(qū)動設(shè)備由德國SIEMENS提供，用的是標(biāo)準(zhǔn)的6SE70系列SIMOVERT Masterdrives變頻器控制，為柜式傳動單元集中控制，如冷床、剪切線、冷矯、涂漆線、噴印機(jī)及各類輥道控制；也有的采用SIMOVERT緊湊式單元單獨(dú)控制，具有單體容量小、體積小、便于控制等特點(diǎn)，如LOI提供的熱處理線，這條線與其它各生產(chǎn)線驅(qū)動控制相比，還有一個特點(diǎn)，就是采用了冗余的CBP2控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能；也有采用6SE71系列的SIMOVERT變頻器產(chǎn)品，如USF設(shè)計的拋丸線，這種驅(qū)動設(shè)備采用的是SIEMENS整合技術(shù)，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、使用也相當(dāng)可靠。當(dāng)然，從投資部分考慮，對小區(qū)域輔助設(shè)備也采用了部分MICROMASTER變頻裝置。

下面主要著重介紹各種形式的SIMOVERT-Masterdrives變頻器在厚板廠精整區(qū)域使用。

2 Masterdrives變頻器在主線中的應(yīng)用

Masterdrives變頻器控制系統(tǒng)主回路由三部分構(gòu)成：整流單元、直流母線單元和逆變單元構(gòu)成如圖1、圖2所示。整個系統(tǒng)包括外輔24V DC電源、進(jìn)線端、出線端、參數(shù)設(shè)定單元、選鍵板接口、操作面板接口、控制總線接口、開關(guān)量輸入端口及模擬量端口。在整流與逆變裝置之間有預(yù)充電電路回路，母線端還連接有制動單元與制動電阻?？刂撇糠挚煞謩e對整流單元、DC母線及預(yù)充電電阻單元和逆變單元進(jìn)行控制。

圖1 Masterdrives 控制示意圖

Masterdrives的整流單元采用6脈波三相全控整流電路，將整流過的電網(wǎng)電壓、電流直接輸出到濾波電容器的直流母線上，使輸出線電壓波形中不含有低次諧波，通過對直流母線中的電容濾波器控制。整流部分和再生回饋裝置全部由AFE控制系統(tǒng)控制，其特點(diǎn)主要是根據(jù)電網(wǎng)的電壓變化來調(diào)整直流母排上的電壓，保持母線上的電壓穩(wěn)定，不至于低于或高于額定電壓；再根據(jù)母排上的電壓調(diào)整成為標(biāo)準(zhǔn)的額定輸出電壓反饋回電網(wǎng)。

圖2 Masterdrives 控制原理圖

準(zhǔn)Masterdrives系統(tǒng)是電壓源變頻器，帶公共直流母線,當(dāng)電能需要回饋到電網(wǎng)時，在直流母線和電網(wǎng)又連接有再生回饋裝置,整流變壓器向一個或多個整流回饋單元供電。公用直流母線供電方式對節(jié)約尤其節(jié)能方面有突出效果：首先避免了每臺電動機(jī)的變頻器都必須設(shè)置整流單元，節(jié)省了投資；其次多電動機(jī)傳動中每臺單機(jī)的再生能量能夠相互利用，而且發(fā)電功率大于電動功率時，制動引起的再生能量可以用公用的回饋單元將電能回饋電網(wǎng)，節(jié)約了能源。

Masterdrives逆變單元采用IGBT作為開關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路，為了能夠達(dá)到輸出的額定電壓，則需通過對IGBT進(jìn)行控制調(diào)壓，當(dāng)負(fù)載電壓和電流反向，負(fù)載電感中貯藏的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載電感將其吸收的無功能量反饋回直流側(cè)。其控制部分為CUVC板，主要控制逆變電路的電流環(huán)、速度環(huán)，使電動機(jī)在理想狀態(tài)下運(yùn)行,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊、監(jiān)視、跟蹤等方面的控制。連接CUVC板的底板有6個插槽，分別可以連接附件板，諸如：工藝板T400、T300和T100，通訊板CBP和SLB，本機(jī)串行口SST1和SST2，擴(kuò)展板I/O接口EB1和EB2。通過連接附加功能板，可以進(jìn)行同步控制、串行通訊控制、網(wǎng)絡(luò)通訊控制、測速機(jī)閉環(huán)控制。

對有調(diào)速要求的輔傳動系統(tǒng)，采用全數(shù)字電壓源型IGBT交—直—交變頻調(diào)速系統(tǒng)。大多數(shù)采用集中公共整流加獨(dú)立逆變器的方案，將調(diào)速電機(jī)分成若干供電組，每組由一個整流回饋單元向公共直流母線供電，公共直流母線上可以連接4-15個IGBT逆變器，逆變器向電機(jī)提供變頻電源。其中，逆變器和電動機(jī)一對一供電傳動系統(tǒng)采用矢量控制方式，多電機(jī)共用逆變器的傳動系統(tǒng)采用調(diào)頻調(diào)壓控制方式。

3 雙CBP2板在熱處理冗余系統(tǒng)中的應(yīng)用

寶鋼厚板廠一期熱處理線包括一條拋丸線、入爐輥道、對中裝置、氮?dú)獗Ｗo(hù)無氧化加熱的連續(xù)式輥底式熱處理爐、輥壓式淬火機(jī)、出爐輥道和熱處理冷床等，可以實現(xiàn)正火、淬火、回火和調(diào)質(zhì)工藝，完成熱處理后，經(jīng)冷矯直機(jī)、噴印機(jī)后送入成品庫。其產(chǎn)品可以用于橋梁、船板、壓力容器、結(jié)構(gòu)用鋼和工具鋼等。

熱處理爐由109根單獨(dú)傳動的爐輥驅(qū)動，爐內(nèi)速度0.25-20m/min，出爐輥道速度0.25-40m/min，可實現(xiàn)擺動式加熱或保溫；采用氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛，268個自換熱、輻射管式燒嘴節(jié)能，采用ON/OFF循環(huán)脈沖控制方式，確保加熱溫度受控、性能均勻；上下分10個控制區(qū)域?qū)嵤囟瓤刂啤?

熱處理爐工作溫度可達(dá)950℃，如果在工作狀態(tài)中停爐，勢必將導(dǎo)致爐輥損傷和鋼板報廢。所以在設(shè)計時，充分考慮了熱處理線運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性，從控制系統(tǒng)的冗余、供電母排聯(lián)接結(jié)構(gòu)、低壓開關(guān)自動切換、UPS和柴油發(fā)電機(jī)的配合使用等。

厚板廠熱處理線使用6個SIEMENS CPU414-H PLC實現(xiàn)AC、BC和QC控制；采用的是熱冗余方式，可以在PLC主體故障時，無間隙的進(jìn)行主從自動切換。對于PLC來講，在每個UR1上增加2只H同步子模塊，通過適當(dāng)?shù)墓饫w連接組網(wǎng)，這樣連接起來的PLC可以信息交換和相互檢測。在完成硬件組態(tài)后，不再需要軟件方面額外的程序編制，SIEMENS對此都有標(biāo)準(zhǔn)的模塊。

對于傳動裝置要與這樣的冗余控制系統(tǒng)相匹配，可以采用Y-Link模式或雙CBP2模式。兩種模式的主要差別在于CBP2的使用上：前者使用單獨(dú)的CBP2，如果出現(xiàn)故障，則冗余系統(tǒng)無法發(fā)揮作用；后者在設(shè)計上考慮了傳動的通訊配置，只要有一塊CBP2正常工作，系統(tǒng)就能正常工作?？紤]到熱處理爐動力主要來自109只爐輥，控制爐輥的傳動應(yīng)該盡可能可靠.從這種觀點(diǎn)出發(fā)，雙通訊卡模式性能更可靠。在設(shè)計時，寶鋼選用了雙CBP2通訊模塊，配合RS-485中繼器，完成了傳動通訊的冗余控制，如圖3所示。

圖3 雙CBP2模式實現(xiàn)傳動通訊冗余

4 其它電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用

對于生產(chǎn)線上成組傳動的輥道電機(jī)，大多數(shù)為多電機(jī)共用逆變器的傳動系統(tǒng)。每組輥道電機(jī)配置有一個輥道開關(guān)箱，全生產(chǎn)線大約有200個輥道開關(guān)箱，由于變頻裝置要求連接到傳動電動機(jī)的電纜不宜過長，所以輥道開關(guān)箱的位置要盡量靠近輥道電機(jī)，以減少逆變器到輥道電機(jī)電纜的總長度，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。由于全線輥道開關(guān)箱位置分散，每組開關(guān)箱內(nèi)開關(guān)的開閉狀態(tài)要通過遠(yuǎn)程I/O站輸入PLC，每臺開關(guān)箱內(nèi)設(shè)置電動機(jī)絕緣檢測裝置。

對于公用直流母線上逆變器所帶的多電機(jī)組，為了保證隔離，通過使用直流回路的電氣耦合單元，使逆變器從直流母線上接入或斷開。這就保證了當(dāng)一臺電動機(jī)或者一組電動機(jī)出現(xiàn)故障時能夠單獨(dú)將其從公用直流母線上斷開，進(jìn)行單獨(dú)的檢修，而不會影響整個系統(tǒng)和生產(chǎn)的正常秩序。

無調(diào)速要求的一般傳動系統(tǒng)如潤滑及液壓站，除磷泵站等設(shè)施的傳動系統(tǒng)，250kW以上采用6kV供電，250kW及以下采用380V供電。厚板生產(chǎn)線設(shè)備上的液壓站、潤滑站即剪切精整設(shè)備低壓恒速電動機(jī)由MCC傳動，每組MCC配置有遠(yuǎn)程I/O站，通過PLC實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5 結(jié)束語

厚板的精整比冷軋、熱軋的傳統(tǒng)工藝更復(fù)雜、種類更多，目前的精整區(qū)域占寶鋼厚板廠的2/3以上。而SIEMENS SIMOVERT-Masterdrives變頻器功能*、控制精度高、性能靈活，帶上附加控制板，甚至可以實現(xiàn)PID-調(diào)節(jié)、自動再起動、捕捉再起動、Vdmax-調(diào)節(jié)器、直接抱閘控制、直接能耗制動等功能，非常適合現(xiàn)代化冶金工業(yè)企業(yè)的綜合應(yīng)用。

原載《變頻器世界》 （end）