劉茜，李心苗

（天津市先導(dǎo)倍爾電氣有限公司，天津 300300）

無縫鋼管生產(chǎn)中阿塞爾軋管機的控制

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、無功功率等對電網(wǎng)的干擾也隨之加大，為減輕干擾，可采用多重化整流電路。針對無縫鋼管廠阿塞爾軋機系統(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系統(tǒng)12脈動控制方式，介紹了該系統(tǒng)中主要電氣元件選型及技術(shù)參數(shù)計算的方法。實踐證明，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；12脈動；主從系統(tǒng)；諧波

1 自動化系統(tǒng)構(gòu)成

本文以某廠無縫鋼管生產(chǎn)線為例，主要介紹該生產(chǎn)線上軋管機部分。該軋線包括：穿孔機上下輥，軋管機上下輥，共4臺主軋機，主傳動部分采用6RA70直流裝置控制。軋管機上下輥電機參數(shù)均為：功率2 115kW，電樞電流3 210A，電樞電壓750V，勵磁電流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臺工業(yè)微機，完成運行狀態(tài)監(jiān)視，在現(xiàn)場設(shè)置遠程I／O站。S7-400PLC通過MPI網(wǎng)與上位機相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速穩(wěn)定傳輸。通過PROFIBUS-DP網(wǎng)與6RA70直流傳動裝置和I／O站相連接，穿孔機的6RA70與西門子S7-200PLC相連接形成USS通訊，用來擴展6RA70的邏輯控制和狀態(tài)檢測功能，由于ASSEL軋機主電路功率晶閘管變流器采用12脈動控制方式，因此不采用USS通訊的方式擴展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)成一個全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的自動控制系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動化系統(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，堅固耐用，易擴展，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，不僅可以進行簡單的邏輯運算和算術(shù)運算，還能進行更為復(fù)雜的三角函數(shù)和反三角函數(shù)運算，每K二進制語句的執(zhí)行時間僅用0.1ms，結(jié)構(gòu)化的STEP7編程語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程控制和順序控制任務(wù)。

2 ASSEL軋機部分的構(gòu)成及控制

ASSEL軋機屬于大功率傳動系統(tǒng)，電樞電流3 210A，且在軋鋼時需達到2倍過載，所以，采用主從形式的12脈動控制系統(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)計算

為了連接供電電網(wǎng)電壓，使用一個單獨的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)計算

對2個整流裝置中的任何一個都要使用一個平波電抗器。這是一個雙值電抗器，即由2個電流值來確定電感。電抗器的熱計算按直流電流有效值進行。

計算必須的電感：

1）在0.2Idn時的電抗器電感（LD1）；

2）在Idmax時的電抗器電感（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為直流電機額定電流的一半；Idmax為直流電機最大電流的一半；Udi＝UN×1.35，UN為饋電的額定電壓。

2.3 過壓保護的選擇

使用過壓保護，保護整流裝置的半導(dǎo)體器件免于遭受三相交流電網(wǎng)相間過壓的損壞，過壓保護裝載的極限電壓等于受保護器件的閉鎖電壓。當(dāng)切斷空載變壓器時，變壓器勵磁電流一定會在整流器側(cè)繼續(xù)流動，這將導(dǎo)致產(chǎn)生過壓。在這種情況下過壓保護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。過壓保護器可采用SIMOREG SITOR過壓保護器，SITOR過壓保護的技術(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)中使用一個絕緣監(jiān)控裝置來監(jiān)控對地絕緣電阻。該絕緣監(jiān)控裝置測量流過一個已知串聯(lián)電阻的電流。為此需在保護導(dǎo)體和電網(wǎng)之間疊加一個測量電壓。當(dāng)絕緣電阻下降至可調(diào)節(jié)的閾值時，絕緣監(jiān)視器給出一個報警信號。由于2臺整流裝置是并聯(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絕緣監(jiān)控裝置來監(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軋機電樞電壓為750V，電樞電流為3 210A，所以采用2臺直流調(diào)速裝置12脈動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)交流進線側(cè)額定輸入電壓和額定輸入電流選擇三相進線開關(guān)。

3 6RA70裝置構(gòu)成12脈動系統(tǒng)的方法及原理

6RA70整流裝置構(gòu)成12脈動系統(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，需采用2臺4象限裝置，當(dāng)被需要控制不可逆系統(tǒng)時，需采用2臺單象限裝置。

在功率部分的電源側(cè)，由2個電壓值相同，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臺軋機，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，主從裝置各自實現(xiàn)恒流啟動，并實現(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)，所以可以實現(xiàn)運行過程中同步給定和穩(wěn)態(tài)后的同步調(diào)節(jié)。

4 主從裝置間的信號接線

首先，直接從電流調(diào)節(jié)回路（連接器0120）前提取主動裝置的電流給定值作為電流給定值傳輸給從動裝置，電流調(diào)節(jié)回路對于2臺整流裝置中的任何一個都有效。對于4象限工作的裝置，在電流換向時會產(chǎn)生自動反向級相互閉鎖，其作用是使2臺裝置的電流換向同時進行，傳輸轉(zhuǎn)矩方向信號。對于單象限工作的裝置，自動反向級無效，因此也不需要相互閉鎖。主從裝置可通過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6RA70裝置的RS485端子進行通訊，在通訊過程中，裝置間通過串行接口傳輸數(shù)據(jù)，高波特率傳輸實現(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脈動的思想，分析了無縫鋼管廠大功率ASSEL軋機的控制方案。實踐證明，此方案控制思想清晰，結(jié)構(gòu)簡潔，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.電機原理與拖動基礎(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：機械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.第2版.北京：機械工業(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