張?zhí)旒t，趙 鵬 ，吉春山，柳艷峰

（1.金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院，甘肅 金昌 737100；2.北京北科麥思科公司，北京 102200）

1 引言

以生產(chǎn)稀有金屬而著稱的某集團(tuán)公司是國(guó)內(nèi)最大的鎳生產(chǎn)基地，其鎳產(chǎn)量占全國(guó)的80%以上。為了提高鎳的深加工能力，該公司上馬了國(guó)內(nèi)首條最大的鎳及鎳合金5000噸板帶材生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線主要由一條800mm熱軋板帶軋機(jī)、800mm四輥冷軋機(jī)組及650mm六輥冷軋機(jī)組組成，完全立足國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造。該生產(chǎn)線主要軋制純鎳板帶、膨脹合金帶鋼、軟磁合金帶鋼、電阻電熱合金帶鋼、耐腐蝕合金板材、高溫合金板材、耐熱鋼板帶等，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于航空、航天、電工和核能等領(lǐng)域。整個(gè)生產(chǎn)線的邏輯控制、順序控制、位置控制、運(yùn)行控制、速度控制、張力控制、材料跟蹤、事故停車、物料跟蹤、生產(chǎn)計(jì)劃及生產(chǎn)報(bào)表的生成，同時(shí)通過二級(jí)計(jì)算機(jī)工藝控制模型完成設(shè)定計(jì)算和對(duì)所有質(zhì)量指標(biāo)的控制，二級(jí)預(yù)留與生產(chǎn)控制計(jì)算機(jī)（三級(jí)）系統(tǒng)的接口。整個(gè)電氣控制系統(tǒng)達(dá)到了當(dāng)今世界先進(jìn)水平。其中800mm熱軋板帶材軋機(jī)主要包括一臺(tái)四輥可逆軋機(jī)和一臺(tái)立輥可逆軋機(jī)。作為熱軋板帶材軋機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備之一的主傳動(dòng)，四輥可逆軋機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的性能好壞將直接影響到整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率及板帶材的產(chǎn)品質(zhì)量。

2 熱軋板帶生產(chǎn)工藝流程

由熔煉鍛造分廠生產(chǎn)的原料坯運(yùn)至車間原料庫(kù)內(nèi)按鋼種分別堆存，生產(chǎn)時(shí)，坯料由吊車吊運(yùn)至上料輥道，由輥道向前輸送，經(jīng)固定擋板定位后，由入爐裝鋼機(jī)送入步進(jìn)式加熱爐內(nèi)加熱。板坯在加熱爐內(nèi)按照不同鋼種采用不同的加熱規(guī)程被加熱到約1100～1200℃。加熱好的鍛坯用取料機(jī)從加熱爐內(nèi)托出放到出爐輥道上。

鍛坯出爐后由輥道向前輸送，進(jìn)入高壓水除鱗裝置進(jìn)行除鱗，除鱗后的鍛坯經(jīng)輥道進(jìn)入立輥軋機(jī)進(jìn)行第一道的軋邊，使鍛坯邊部得到修整，然后經(jīng)輥道進(jìn)入四輥可逆軋機(jī)進(jìn)行粗軋軋制。軋制過程中，在軋件較厚（寬厚比＜6～8倍）即金屬具有橫向流動(dòng)能力時(shí)，可返回立輥軋機(jī)進(jìn)行軋邊，以進(jìn)一步控制軋件的寬展及邊部質(zhì)量。根據(jù)所軋制中間坯厚度的不同，對(duì)于部分高溫合金及耐熱鋼，由于軋制時(shí)的溫降導(dǎo)致合金冷作硬化和塑性變壞以及頭尾溫度差太大，繼續(xù)進(jìn)行軋制將不能順利進(jìn)行，尤其是對(duì)于8mm以下的薄規(guī)格，需要進(jìn)行補(bǔ)溫加熱。將軋件重新加熱至塑性良好的范圍內(nèi)，繼續(xù)軋制。補(bǔ)溫加熱采用輥底式加熱爐，保證加熱的均勻性和加熱效率，確保在較短的時(shí)間內(nèi)將降溫的扁材加熱到軋制溫度。輥底式加熱爐布置在四輥可逆軋機(jī)入口側(cè)。

補(bǔ)溫后的軋件經(jīng)輥道送回至四輥可逆軋機(jī)進(jìn)行精軋軋制，四輥軋機(jī)設(shè)計(jì)最高軋制速度為4m/s。為保證產(chǎn)品尺寸的精度，軋機(jī)采用電動(dòng)壓下，液壓微調(diào)，由于軋件很薄，軋制時(shí)間長(zhǎng)且溫降很大，為保持溫度，在四輥可逆軋機(jī)的入、出口輥道設(shè)置保溫罩，可大大減輕輻射溫降。

當(dāng)生產(chǎn)成卷的帶鋼時(shí)，軋出的帶鋼通過輸出輥道經(jīng)夾送輥送入無(wú)芯卷取機(jī)進(jìn)行卷取，卷取后的鋼卷被鋼卷推出裝置推到鋼卷收集裝置上收集，收集好的鋼卷由車間吊車吊走。

當(dāng)生產(chǎn)板材時(shí)，軋出的鋼板通過七輥矯直機(jī)矯直，經(jīng)輸出輥道直接送到定尺剪處，按照用戶要求尺寸進(jìn)行定尺剪切，剪切成定尺的鋼板進(jìn)入輥盤式冷床進(jìn)行冷卻，冷卻后的鋼板經(jīng)推板機(jī)及下料機(jī)收集碼垛后，由車間吊車吊走入庫(kù)。800mm熱軋板帶軋機(jī)工藝布置圖如圖1所示。

圖1 800mm熱軋板帶軋機(jī)工藝布置圖

3 熱軋板帶軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)

3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

熱軋板帶軋機(jī)的主軋機(jī)為四輥可逆軋機(jī)，其電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)［1］為一套 TMdrive－70變頻器。系統(tǒng)主要由進(jìn)線高壓開關(guān)柜、整流變壓器、主傳動(dòng)控制柜、整流柜、逆變柜、主電機(jī)、速度解析器、水冷機(jī)組以及主傳動(dòng)系統(tǒng)輔助柜組成。具體的主傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 主傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

3.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)功率單元

由圖2可以看出［1］，主傳動(dòng)系統(tǒng)的整流柜和逆變柜的主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為二極管箝位式三電平PWM整流器和逆變器，整流器和逆變器均由3組在結(jié)構(gòu)上完全相同的橋臂（Stack）組成，每個(gè)橋臂由四個(gè)功率［2］開關(guān)器件和兩個(gè)輔助箝位二極管構(gòu)成，橋臂的結(jié)構(gòu)非常緊湊。構(gòu)成每個(gè)橋臂的最核心的功率開關(guān)器件為注入增強(qiáng)型絕緣柵晶體管IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）。

IEGT是一種高壓、大容量、全控型功率器件，是把IGBT器件和GTO器件二者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的注入增強(qiáng)柵晶體管，是一種新型的電力電子器件。其具有控制功率小、安全工作區(qū)寬、開關(guān)損耗小、輸出功率大、通態(tài)壓降低、集電極－發(fā)射極間載流子密度高等優(yōu)點(diǎn)。IEGT的基本電路結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖3所示，它對(duì)外引出共3個(gè)端子，分別稱為集電極C、發(fā)射極E和柵極G，其開通過程和關(guān)斷過程如下。

（1）開通過程

當(dāng)在IEGT的柵－射極之間及集－射極之間加上正向電壓時(shí)，由于IEGT橫向門極長(zhǎng)度較長(zhǎng)，N區(qū)的橫向電阻較大，限制了空穴，電子在P區(qū)的表面形成反向勢(shì)壘，因而導(dǎo)致注入的電子從發(fā)射極通過該勢(shì)壘向N區(qū)移動(dòng)，引起電子在該電場(chǎng)的作用下，大量從集電極向N區(qū)朝著P區(qū)移動(dòng)，而空穴則直接通過發(fā)射極向電場(chǎng)漂移，但仍有一部分空穴在靠近門極的區(qū)域積累起來(lái)。這部分積累起來(lái)的空穴使從N區(qū)發(fā)射極注入的電子越來(lái)越多，以后重復(fù)上述過程形成正反饋，最終使載流子全部存貯在N區(qū)，結(jié)果使IEGT導(dǎo)通。

（2）關(guān)斷過程

當(dāng)IEGT的柵－射極加上反向電壓時(shí)，原在柵極P區(qū)表面形成的反向勢(shì)壘便消失了，因而從N區(qū)發(fā)射極注入的電子便停止。同樣從P區(qū)集電極注入的空穴也就停止運(yùn)動(dòng)，積存在N區(qū)的多余電子和空穴互相中和，多余的電子回到集電極重新與空穴中和，而多余的空穴回到發(fā)射極與電子中和，從而使開通時(shí)形成的反向勢(shì)壘消失，進(jìn)而使N區(qū)的載流子停止運(yùn)動(dòng)，IEGT也就快速關(guān)斷。

圖3 IEGT的基本電路結(jié)構(gòu)及符號(hào)

3.3 主傳動(dòng)系統(tǒng)的控制

（1）整流系統(tǒng)的控制

整流系統(tǒng)（Converter）的作用主要是將整流變壓器副邊輸出的3550VAC/50Hz的工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉愣ǖ闹绷麟姽┠孀兿到y(tǒng)使用，通過對(duì)整流電路的適當(dāng)控制，可以使輸入電流非常接近正弦波，且電流和電壓同相位，功率因數(shù)近似為1。

對(duì)整流系統(tǒng)而言，如何保證功率因數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)并保證輸出的直流電壓穩(wěn)定在給定值附近，是整流橋控制的重點(diǎn)。故整流系統(tǒng)有兩個(gè)控制目標(biāo)，一為功率因數(shù)、二為直流電壓恒定。一般來(lái)講，三相可控整流橋交流側(cè)電流變化快，而直流側(cè)電壓波動(dòng)慢。為應(yīng)對(duì)這一特點(diǎn)，將控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，內(nèi)環(huán)控制交流電流，外環(huán)控制直流電壓。

對(duì)電路進(jìn)行固定5脈沖模式的PWM控制，固定5脈沖模式電流控制圖如圖4所示，在整流橋的交流輸入端A、B、C可以得到正弦PWM電壓波形。固定脈沖模式PWM控制技術(shù)通過優(yōu)化電壓脈沖與坐標(biāo)軸ωt的交點(diǎn)坐標(biāo)，可以將5次、7次等高次諧波消除，并能控制基波電壓uAB、uBC的大小。由于整流變壓器具有較高的阻抗值（IZ%＝15%），使得輸入交流電流is的脈動(dòng)很小。如果忽略這種脈動(dòng)，is為頻率和電源頻率相同的正弦波。在交流電源電壓es一定的情況下，交流電流is的幅值和相位僅由基波電壓的幅值及其與交流電源電壓es的相位差來(lái)決定。通過控制基波電壓的幅值和相位，就可以使is和es同相位、反相位、is比es超前或滯后所需要的電角度。因此，通過控制is和es的相位，可以控制整流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量的正反兩個(gè)方向流動(dòng)，即既可以運(yùn)行在整流狀態(tài)，從交流側(cè)向直流側(cè)輸送能量；又可以運(yùn)行在逆變狀態(tài)，從直流側(cè)向交流側(cè)輸送能量。而且，這兩種方式都可以在單位功率因數(shù)下運(yùn)行。整流系統(tǒng)電壓、電流控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖4 固定5脈沖模式電流控制圖

圖5 整流系統(tǒng)電壓、電流控制系統(tǒng)框圖

（2）逆變系統(tǒng)的控制

逆變系統(tǒng)（Inverter）的作用是將整流系統(tǒng)提供的恒定的直流電源逆變?yōu)殡妷侯l率可變的交流電源。逆變系統(tǒng)的控制方式是采用一種帶電流（轉(zhuǎn)矩）內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)。其實(shí)質(zhì)是按照電機(jī)統(tǒng)一理論根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理，通過矢量坐標(biāo)變換將電機(jī)三相定子電流分解為轉(zhuǎn)矩電流控制分量Iq和勵(lì)磁電流控制分量Id。其控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)調(diào)節(jié)器ACR，外環(huán)為速度環(huán)調(diào)節(jié)器ASPR。轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)取自于安裝在電機(jī)軸上的速度解析器，速度解析器是一種精密角度、位置、速度檢出裝置，將電機(jī)的實(shí)際速度反饋到速度環(huán)調(diào)節(jié)器中，速度給定值與速度反饋值的偏差作為速度環(huán)調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)，速度環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出作為電流環(huán)調(diào)節(jié)器的給定，逆變器輸出電流反饋經(jīng)過轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向分解為轉(zhuǎn)矩電流分量和勵(lì)磁電流分量，作為電流環(huán)調(diào)節(jié)器的電流反饋。由于電流環(huán)調(diào)節(jié)器具有高增益的特性和逆變器的PWM控制模式，使電動(dòng)機(jī)的定子電流及速度具有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

（3）逆變系統(tǒng)的調(diào)試

逆變系統(tǒng)的調(diào)試主要包括逆變系統(tǒng)初始參數(shù)確認(rèn)、逆變系統(tǒng)電流環(huán)ACR調(diào)試、逆變系統(tǒng)速度環(huán)ASPR調(diào)試。

①逆變系統(tǒng)的電流環(huán)ACR響應(yīng)調(diào)試

主要通過調(diào)整如下參數(shù)：電流控制比例增益ACR＿P、電流控制響應(yīng)增益 ACR＿W1、電流控制防過調(diào)增益ACR＿A，來(lái)測(cè)試D軸電流響應(yīng)，因Q軸電流環(huán)與D軸電流環(huán)為同一電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器，故調(diào)試好D軸電流環(huán)參數(shù)便調(diào)試好了電流環(huán)調(diào)節(jié)器ACR。

②逆變系統(tǒng)速度環(huán)ASPR響應(yīng)調(diào)試

主要調(diào)整如下參數(shù)：速度濾波常數(shù)FLT＿SP、轉(zhuǎn)矩濾波常數(shù)FLT＿T＿R、速度控制比例增益ASPR＿P、速度控制響應(yīng)增益 ASPR＿W1、ASPR＿AT、速度控制防過調(diào)增益ASPR＿A、電機(jī)速度加速率CR＿RATE＿ACC、電機(jī)速度減速率 CR＿RATE＿DEC。

通過調(diào)整速度環(huán)ASPR相關(guān)參數(shù)，應(yīng)關(guān)注如下值的響應(yīng)：速度給定值SP＿R、速度反饋值SP＿F、電機(jī)Q軸電流給定值IQ＿R、電機(jī)定子電流反饋值I1＿F＿DSP、電機(jī)定子電壓給定值 E1＿R＿V、直流母線正極電壓值VDCP＿F等參數(shù)。

為消除電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備在加減速過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，還應(yīng)調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償值［2］DT－GD2，以及速度諧振濾波FLT＿SPSFCD時(shí)間常數(shù)。

以上參數(shù)經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，采集分析相關(guān)波形，最終得到速度環(huán)調(diào)節(jié)器如下測(cè)試結(jié)果，如圖6－8所示。

總之，在空載調(diào)試結(jié)束后與基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行通訊設(shè)定，然后進(jìn)行熱負(fù)荷試車的調(diào)試工作。熱負(fù)荷試車過程中主要調(diào)試傳動(dòng)系統(tǒng)在咬鋼后的恢復(fù)時(shí)間，加減速時(shí)間與軋鋼工藝要求匹配以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償及防軋機(jī)扭振功能SFC的投入等工作。主傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際軋鋼波形如圖9所示。

圖6 速度環(huán)階躍響應(yīng)測(cè)試波形

圖7 速度環(huán)穩(wěn)態(tài)精度響應(yīng)測(cè)試波形

4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）能量雙向傳送技術(shù)

主傳動(dòng)系統(tǒng)由PWM整流器和PWM逆變器一起構(gòu)成四象限交流調(diào)速［3－4］PWM 三電平變頻器，這種雙PWM變頻器不但輸出電壓、電流均為正弦波，輸入電流也為正弦波，且功率因數(shù)非常高，接近為1，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳送。

圖8 傳動(dòng)系統(tǒng)加減速響應(yīng)測(cè)試波形

圖9 主傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際軋鋼波形

（2）雙PWM變頻調(diào)速技術(shù)

與其它形式的多電平變頻器相比，基于雙PWM的三電平變頻器的變頻調(diào)速［5］裝置，可以非常容易地在整流橋側(cè)實(shí)現(xiàn)PWM控制，大大減少整流側(cè)的電流諧波，可任意調(diào)整電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)（可以使cosφ＝1）以及實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，非常適合于在大功率高性能變頻調(diào)速場(chǎng)合應(yīng)用。

（3）注入增強(qiáng)型絕緣柵晶體管開通關(guān)斷技術(shù)

IEGT器件有關(guān)斷速度快、損耗低、安全工作區(qū)域較寬的優(yōu)點(diǎn)。另外，IEGT很高的開通/關(guān)斷速度和di/dt承受能力，以及極低的開關(guān)損耗使它可以工作于較高的頻率下。

IEGT器件內(nèi)部集成了一個(gè)快速的反并聯(lián)二極管，且元件本身很寬的安全工作區(qū)能夠承受較高的du/dt和di/dt，因此IEGT逆變器無(wú)需陽(yáng)極電抗，只需在正、負(fù)母線之間公用一個(gè)RCD關(guān)斷吸收電路。

（4）注入增強(qiáng)型絕緣柵晶體管的高可靠性

由于IEGT門極驅(qū)動(dòng)功率不到1W，所需門極驅(qū)動(dòng)模塊體積也很小，并且開關(guān)損耗只有GTO器件的1/3左右。在組成內(nèi)部回路時(shí)IEGT所用到的器件數(shù)量較少，大大提高了工作的可靠性。

（5）主傳動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)

①電流相關(guān)保護(hù)

當(dāng)輸出的電流超過設(shè)定值，過電流就會(huì)被檢出并瞬間切斷回路；電壓型逆變器裝置IEGT誤動(dòng)作時(shí)，可以瞬間切斷回路來(lái)保護(hù)IEGT；過負(fù)荷檢出設(shè)置；低頻過負(fù)荷檢出設(shè)置。

②電壓相關(guān)保護(hù)

當(dāng)裝置的直流電壓超過設(shè)定值120%時(shí)檢出；當(dāng)裝置的直流電壓低于設(shè)定值50%時(shí)檢出。

③電機(jī)速度保護(hù)

電機(jī)失速檢出；過頻檢出；速度異常檢出。

④主回路、控制回路相關(guān)保護(hù)

控制電源失電檢出；門極電源失電檢出；裝置過熱檢出；IEGT快熔故障檢測(cè)；輸出斷開檢出；CPU異常檢測(cè)等。

⑤電動(dòng)機(jī)相關(guān)保護(hù)

電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)；電動(dòng)機(jī)溫度異常保護(hù)。

⑥運(yùn)行操作相關(guān)保護(hù)

設(shè)置外部安全開關(guān)；外部互鎖IL設(shè)置；設(shè)置控制柜面板安全開關(guān)等。

⑦預(yù)充電相關(guān)保護(hù)

預(yù)充電接觸器異常保護(hù)；接地檢出相關(guān)保護(hù)；整流器接地檢出；設(shè)置整流器接地檢出定時(shí)器等。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際應(yīng)用表明，主傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使得該條生產(chǎn)線的作業(yè)率及產(chǎn)品的成材率和合格率均達(dá)到或超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，極大地提高了不同規(guī)格的鎳和鎳合金板帶產(chǎn)量，緩解國(guó)內(nèi)對(duì)該類產(chǎn)品的需求，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］吳成梁.大功率IEGT變頻器及其橋臂改造［J］.冶金自動(dòng)化，2009，（3）：23－25.

［2］王兆安.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償（第二版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：400.

［3］李崇堅(jiān).軋機(jī)傳動(dòng)交流調(diào)速機(jī)電振動(dòng)控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003：108.

［4］李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003：210.

［5］（美）Bimal K Bose.現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動(dòng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：423.