韋云松
(廣西南南鋁加工有限公司,廣西 南寧53003)
廣西南南鋁加工有限公司于從德國西馬克公司引進(jìn)一臺(tái)2 800 mm六輥CVC不可逆鋁冷軋機(jī),該軋機(jī)是目前國內(nèi)最大寬幅的鋁冷軋機(jī),軋制力最大達(dá)到32 MN,速度最高為1 200 m/min,主電機(jī)最大功率為9 000 kW,傳動(dòng)系統(tǒng)要求具有單機(jī)功率容量大、具有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、很大的過載能力和高精度的轉(zhuǎn)矩速度控制。
本文以廣西南南鋁加工有限公司的西馬克六輥CVC單機(jī)架冷軋機(jī)為例來介紹ABB ACS6000中壓變頻器在冷軋機(jī)主傳動(dòng)中的應(yīng)用。主要介紹ABB ACS6000中壓變頻器在實(shí)際應(yīng)用中的幾個(gè)功能單元原理及其功能介紹。
2 800 mm單機(jī)架CVC六輥不可逆冷軋機(jī)在常溫狀態(tài)下,將合格的、材質(zhì)為鋁及鋁合金帶卷,經(jīng)多道次不可逆冷軋,生產(chǎn)出滿足厚度、品質(zhì)要求的合格冷軋鋁帶卷。該冷軋機(jī)由1臺(tái)開卷機(jī)、1臺(tái)軋機(jī)和1臺(tái)卷取機(jī)組成,如圖1。
圖1 冷軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖
整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)由一套ABB公司ACS6000中壓多傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在軋制過程中,卷取機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài),開卷機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài),制動(dòng)產(chǎn)生的能量,通過公共直流母線傳遞到卷取機(jī)上,而無需電網(wǎng)的負(fù)擔(dān),從而降低了對(duì)電網(wǎng)功率的需求,電網(wǎng)的額定容量與獨(dú)立的傳動(dòng)配置相比,降低了近50%。
該冷軋機(jī)裝配有ABB公司的2×7MVA整流變壓器,ABB公司的ACS6000中壓傳動(dòng)變頻器以及湘潭電機(jī)廠的交流同步電機(jī),開卷電機(jī)功率為2 270 kW,主電機(jī)為9 000 kW,卷取電機(jī)為3 102 kW,目前在國內(nèi)鋁冷軋機(jī)中,裝機(jī)功率最大。
在鋁加工行業(yè),軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)要求具有快速、平滑、精確地轉(zhuǎn)矩控制,在整個(gè)速度范圍內(nèi),具有瞬間高峰值的負(fù)載能力,而且要求具有靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)全扭矩可用。
ABB公司的ACS 6000變頻器是采用模塊化設(shè)計(jì),分有線性供電單元(LSU)、有源整流單元(ARU)、逆變單元(INU)、電容組單元(CBU)、控制單元(COU)、水冷單元(WCU)等等模塊,可以根據(jù)冷軋機(jī)的工藝要求和電機(jī)功率靈活組合配置,組成單電機(jī)傳動(dòng)、多電機(jī)傳動(dòng)、冗余傳動(dòng)和孿生傳動(dòng)共4種傳動(dòng)方式。而且ACS6000具有DTC(直接轉(zhuǎn)矩控制)功能,可以實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩和速度控制,轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間最小達(dá)到2 ms,整套傳動(dòng)裝置采用無熔斷器設(shè)計(jì)。
廣西南南鋁加工有限公司于2011年1月份引進(jìn)德國西馬克公司的2 800 mm六輥CVC單機(jī)架冷軋機(jī),傳動(dòng)采用了ACS6000交流傳動(dòng)系統(tǒng),配置有2臺(tái)2×7 MVA整流變壓器、2個(gè)2×11 MVA有源整流模塊、4個(gè)逆變模塊(開卷功率為5 MVA、卷取功率為7 MVA,主電機(jī)功率為2×9 MVA)、3個(gè)勵(lì)磁模塊、3個(gè)控制模塊、水冷模塊、3臺(tái)交流同步電機(jī)和測(cè)速編碼器等組成。3臺(tái)交流同步電機(jī)由湘潭電機(jī)股份有限公司設(shè)計(jì)制造,最大可承受115%連續(xù)過載和150%20 s過載。整體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 ACS6000系統(tǒng)圖
冷軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)采用2套2×11 MVA有源整流模塊并聯(lián),為了降低諧波干擾,2個(gè)整流單元的輸入電壓,分別采用三角形和星型的連接方式,主要功能是將整流變壓器的二次側(cè)電壓3.16 kV的正弦波電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷? 840V,控制單元自動(dòng)監(jiān)控直流母線上的電壓以及電流,當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài),電流從整流變壓器流向整流單元,當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài),電流從整流單元流回到電網(wǎng)中去,如圖3所示。
圖3 能量流動(dòng)圖
南南公司的單機(jī)架六輥CVC冷軋機(jī),開卷、主機(jī)和卷取均采用交流同步電機(jī)驅(qū)動(dòng),主電機(jī)功率達(dá)到9 000 kW,采用2個(gè)逆變單元并聯(lián),開卷和卷取各分別使用1個(gè)逆變單元。逆變模塊由3組IGCT功率管組成的標(biāo)準(zhǔn)相位模塊構(gòu)成,將直流母線上電壓轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流輸出電壓,分別驅(qū)動(dòng)開卷機(jī)、主機(jī)和卷取機(jī)共3臺(tái)交流同步電動(dòng)機(jī)。
圖4 ARU(INU)電氣結(jié)構(gòu)原理圖
冷軋機(jī)開卷電機(jī)、卷取電機(jī)和主電機(jī)的勵(lì)磁電源,分別由獨(dú)立的勵(lì)磁變壓器和勵(lì)磁整流單元提供。用于調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速基數(shù)以上的弱磁控制,給電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流,分別使電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),帶動(dòng)電機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)。
IGCT功率模塊在使用脈寬調(diào)制方式通斷工作過程中,產(chǎn)生很大的熱量,傳統(tǒng)的冷卻方式是采用散熱片加冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱,長(zhǎng)時(shí)間使用后,由于散熱積灰和風(fēng)機(jī)老化,冷卻效果大大降低,減少功率模塊的使用壽命。
ACS6000的IGCT功率模塊采用自循環(huán)的去離子水進(jìn)行冷卻,冷卻水直接與IGCT發(fā)熱體接觸,吸收晶閘管的熱量,并通過板式換熱器與車間循環(huán)冷卻水進(jìn)行散熱。水冷系統(tǒng)有2臺(tái)泵(一備一用,切換時(shí)間可自由設(shè)定,一般建議12 h切換1次)、一個(gè)熱交換器,配有水流量、壓力、液位、溫度和電導(dǎo)率等檢測(cè)。
ACS6000具有直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)功能,它提供了精確的轉(zhuǎn)矩和速度控制,使得變頻器在零轉(zhuǎn)速時(shí),可以提供最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,既便于控制,又有利于平滑運(yùn)行,充分地發(fā)揮了同步電機(jī)功率因數(shù)高、輸出轉(zhuǎn)矩大而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的特點(diǎn)。直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)控制理論,能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)的磁通矢量或脈寬調(diào)制控制方式快10倍;最小的轉(zhuǎn)矩紋波;精確的靜態(tài)速度和轉(zhuǎn)矩控制。
圖5和圖6分別顯示ACS6000交流傳動(dòng)系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的原理和典型的動(dòng)態(tài)速度響應(yīng)。
圖5 同步交流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方框圖
圖6 典型的動(dòng)態(tài)速度響應(yīng)
ACS6000交流傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件,為集成門控?fù)Q流晶閘管IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors),是ABB公司專門為中壓變頻器開發(fā)的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件,它把門極驅(qū)動(dòng)電路和門極換流晶閘管GCT合在一起,作為一個(gè)整體器件,減少變頻器的元件數(shù)量,從根本上降低了變頻器開關(guān)元器件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度,直接采用去離子進(jìn)行冷卻,提高了使用效率和可靠穩(wěn)定性。
ACS6000采用的IGCT技術(shù),是基于成熟的GTO技術(shù),并且IGCT已在中壓變頻領(lǐng)域內(nèi)成功地應(yīng)用了5年時(shí)間。由于采用無熔斷器設(shè)計(jì),避免使用不可靠的熔斷器,因而提高了整體可靠性。西馬克冷軋機(jī)配置ABB的ACS6000交流傳動(dòng)系統(tǒng),不僅提高了設(shè)備的先進(jìn)性、可靠性和穩(wěn)定性,而且應(yīng)用了三電平交一直一交變頻傳動(dòng)技術(shù),控制主傳動(dòng)同步電機(jī),大大降低諧波影響改善電網(wǎng)品質(zhì),功率因數(shù)幾乎等于1,提高了冷軋機(jī)的運(yùn)行效率;同時(shí)也提高軋制產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì),滿足了鋁硬合金生產(chǎn)工藝要求,提高了效益。
[1]廣西南南鋁加工有限公司.冷軋機(jī)技術(shù)文件[Z].南寧:廣西南南鋁加工有限公司,2011.
[2]ACS6000技術(shù)樣本(同步電機(jī)和異步電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制)[Z].北京:北京ABB電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司,2003.
[3]Operating Instructions ACS 6000 with Active Rectifier Unit(ARU)[K].Switzerland:ABBSwitzerland Ltd,2006.