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（1.天津西門(mén)子電氣傳動(dòng)有限公司，天津 300384；2.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津 300180）

1 引言

天津市無(wú)縫鋼管廠熱軋生產(chǎn)線120機(jī)組設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)格φ114～219 mm無(wú)縫鋼管，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量7萬(wàn)t，目前實(shí)際年產(chǎn)量達(dá)13.8萬(wàn)t。生產(chǎn)線主軋機(jī)是德國(guó)德馬克公司的阿塞爾軋機(jī)，主軋機(jī)電機(jī)為2 500 kW異步電機(jī)。采用交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，1994年由天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所設(shè)計(jì)生產(chǎn)調(diào)試，并于1995年初投入生產(chǎn)，采用了早期的西門(mén)子SIMADYN D數(shù)字控制產(chǎn)品。該控制裝置從1995年投入運(yùn)行以來(lái)除正常檢修外已工作近12 a。從12 a來(lái)的運(yùn)行情況看，該數(shù)字控制系統(tǒng)工作正常，幾乎未發(fā)生過(guò)硬件及軟件故障，電動(dòng)機(jī)和主變壓器也工作正常。但經(jīng)十幾年的運(yùn)行，系統(tǒng)硬件已經(jīng)升級(jí)幾代，原系統(tǒng)備件很難購(gòu)買(mǎi)；同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)使用條件惡劣，晶閘管功率變流裝置的各種電纜、端子及低壓電器的絕緣能力已大大降低，晶閘管的耐壓指標(biāo)、dv/dt，di/dt指標(biāo)也會(huì)逐步降低，因此于2007年改造為最新的SIMADYN D控制的交-交變頻系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)主回路框圖如圖1所示。由定子整流變、晶閘管變流柜、過(guò)壓保護(hù)柜、快開(kāi)、交流接觸器、三相異步電機(jī)、全數(shù)字多處理器控制系統(tǒng)SIMADYN D等組成。變頻器輸出電壓、電流、頻率連續(xù)可調(diào)。異步電機(jī)額定功率2 500 kW；額定定子線電壓1 300 V；額定/最高轉(zhuǎn)速400/600 r/min；額定/最高頻率 13.33/20 Hz；電機(jī)極數(shù) 4；定子額定電流1 230 A；過(guò)載能力2倍。晶閘管變流柜為三相橋式無(wú)環(huán)流反并聯(lián)聯(lián)接的可逆的晶閘管整流裝置，每組變流柜形成單相交流輸出，三相輸出為Y型聯(lián)接方式。熱管散熱晶閘管變流裝置是天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所自行開(kāi)發(fā)的高效晶閘管變流器，用2只晶閘管元件和1套熱管風(fēng)冷散熱器構(gòu)成直接反并聯(lián)功率組件，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，可比采用普通散熱器和同樣晶閘管元件構(gòu)成的裝置提高輸出能力50%左右。本項(xiàng)目采用3.5×2.54 cm元件，交流有效值（≤20Hz）2 250/4 500 A，完全滿足電機(jī)2倍過(guò)載要求。由于電機(jī)最高運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為20 Hz，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的諧波，因此將電機(jī)中性點(diǎn)與變流柜的中性點(diǎn)聯(lián)接。過(guò)壓保護(hù)柜的壓敏電阻以橋式接法接至每組變流柜的橋臂上，能夠防止浪涌過(guò)電壓引起的晶閘管被擊穿損壞?？扉_(kāi)主要用于故障時(shí)分?jǐn)嚯妱?dòng)機(jī)主回路。離心開(kāi)關(guān)能在電機(jī)意外超速時(shí)直接聯(lián)鎖分?jǐn)喔邏洪_(kāi)關(guān)，保證電機(jī)安全。

圖1 系統(tǒng)單線圖Fig.1 System single line diagram

全數(shù)字多處理器控制系統(tǒng)SIMADYN D的硬件框架如圖2所示。PM6+IT41是第1個(gè)處理單元，主要用于速度環(huán)控制、運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯、給定加速度控制、扭振濾波、負(fù)荷觀測(cè)器等。速度反饋是通過(guò)IT41輸入到處理器內(nèi)的。PM6+IT42+IT42是第2個(gè)處理單元，主要用于矢量控制、磁通控制。電流/電壓實(shí)際值是通過(guò)2塊擴(kuò)展模板IT42的高分辨率模擬量輸入接口接入處理器內(nèi)的。第3個(gè)處理單元PM6主要用于系統(tǒng)的合分閘邏輯、電機(jī)保護(hù)、ET200從站通訊的控制。EP22+IS1為三相交流電流專(zhuān)用控制器，主要完成三相交流電流控制，包括交流電流調(diào)節(jié)、電壓前饋調(diào)節(jié)、斷續(xù)補(bǔ)償、換向邏輯控制、觸發(fā)脈沖控制等。MM4是用于處理器之間數(shù)據(jù)交換的緩存模板。EB11開(kāi)關(guān)量輸入輸出模板可以用于SIMADYN D內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入，也可以輸出系統(tǒng)內(nèi)的二進(jìn)制變量。EA12模擬量輸出模板，可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)任意變量。CS7通訊模板配有SS52+SS4+SS4通訊子模板。SS52通過(guò)PROFIBUS聯(lián)網(wǎng)與高壓室、電機(jī)室的遠(yuǎn)程站（ET200）交換高壓開(kāi)關(guān)及電機(jī)保護(hù)等信息。SIMADYN D通過(guò)其中一個(gè)SS4模板與OP2N進(jìn)行通訊，OP2N主要完成運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視、故障報(bào)警、溫度顯示、開(kāi)環(huán)調(diào)試運(yùn)行等功能。另一個(gè)SS4用于通過(guò)STRUC G調(diào)試軟件達(dá)到編程器與控制器數(shù)據(jù)交換。可以通過(guò)不同子模塊所具有的通訊協(xié)議與各外圍設(shè)備聯(lián)系。在輔助控制柜中安裝1套遠(yuǎn)程I/O站，分別完成系統(tǒng)內(nèi)、外控操作、高壓開(kāi)關(guān)操作聯(lián)鎖、快開(kāi)及主接觸器聯(lián)鎖、報(bào)警及故障顯示，采集速度給定及輸出速度、定子電流等。在主操作臺(tái)設(shè)置1套遠(yuǎn)程I/O箱，完成采集操作臺(tái)的操作信號(hào)和輸出系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。SIMADYN D系統(tǒng)中還有許多接口模塊用于外部接口模板，分別為SU10，SU11，SB70，SB61，SB10，SA20.1，SA61。SA20.1和SA61合稱(chēng)為SA60.1，在控制系統(tǒng)中稱(chēng)為同步模塊，起到同步在EP22中門(mén)極觸發(fā)電壓的作用，其正常運(yùn)行直接影響到晶閘管觸發(fā)換相等動(dòng)作。

圖2 SIMADYN D硬件框架圖Fig.2 SIMADYN D hardware chart

3 異步電機(jī)矢量控制原理簡(jiǎn)單介紹

3.1 控制原理簡(jiǎn)介

由異步電機(jī)矢量圖（見(jiàn)圖3）可知，定子電流矢量is和轉(zhuǎn)子電流矢量ir合成得磁化電流矢量iu′，iu′產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr′，異步電動(dòng)機(jī)d和q軸磁路對(duì)稱(chēng)，iu′和Ψr′同向，并比ir′超前90°。定子電動(dòng)勢(shì)矢量es′比Ψr′和iu′超前90°。

圖3 異步電動(dòng)機(jī)矢量圖Fig.3 Induction motors vector graphics

在異步電機(jī)矢量控制中，以磁通定向，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈解耦。轉(zhuǎn)矩大小在磁通不變的情況下與定子電流的轉(zhuǎn)矩分量成正比。磁通大小與定子電流的磁化分量成正比。定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定來(lái)自速度調(diào)節(jié)器的輸出，磁化分量給定來(lái)自于磁通調(diào)節(jié)器的輸出。這樣達(dá)到通過(guò)異步電機(jī)磁通定向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁通的矢量控制。

3.2 異步電機(jī)矢量控制模塊

異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的主要控制模塊包括（見(jiàn)圖4）：傳動(dòng)參數(shù)（DP）、電壓模型（UMO）、電流模型（IMO）、直流調(diào)節(jié)器（GGR）、磁通調(diào)節(jié)器（UMX）、開(kāi)環(huán)控制交流給定值發(fā)生器（DSGS）、閉環(huán)控制給定值傳送（SUGS）、實(shí)際值檢測(cè)處理（AFCOF8）、磁通給定計(jì)算模塊（PSK）、激磁電流給定（IMU）、電壓預(yù)控（VOR）和位置角變換（WFA）等。

圖4 SIMADYN D功能塊矢量控制框圖Fig.4 SIMADYN D vector control function block diagram

交-交變頻系統(tǒng)的主要參數(shù)通過(guò)DP功能塊送到各個(gè)功能塊中，通過(guò)磁通給定計(jì)算模塊（PSK）得出磁通給定（在基速以下為100%，基速以上磁通給定通過(guò)相對(duì)電動(dòng)勢(shì)除以磁通給定頻率得出）分別送到電流模型和激磁電流給定功能塊中。電流模型通過(guò)給定的磁通和定子電流的力矩分量算出負(fù)載角，再加上編碼器測(cè)出的位置角就可得到電流模型磁通位置角和磁通值Ψmi。激磁電流給定功能塊通過(guò)給定的磁通和電機(jī)的磁化曲線算出所需要的激磁電流。電壓模型輸入電壓實(shí)際值、電流實(shí)際值和電流模型計(jì)算的Ψmi，算出磁通實(shí)際值Ψmu和磁通位置角。2個(gè)模型計(jì)算的磁通及其位置角作用于不同的速度工作區(qū)，其切換由WFA功能塊完成。在WFA模塊中設(shè)NA1，NA22個(gè)速度門(mén)檻，當(dāng)實(shí)際速度N＜NA1時(shí)選擇電流模型的磁通及其位置角；當(dāng)實(shí)際速度N＞NA2時(shí)選擇電壓模型的磁通及其位置角；當(dāng)NA1＜N＜NA2時(shí)，WFA功能塊使電流模型與電壓模型所計(jì)算的磁通及其位置角合成并平穩(wěn)過(guò)渡。電壓前饋（VOR）能夠使交流電流調(diào)節(jié)器僅起到調(diào)節(jié)電流動(dòng)態(tài)誤差的作用，使系統(tǒng)響應(yīng)更快。它通過(guò)激磁電流給定（IMU）功能塊輸出的激磁電流給定和速度調(diào)節(jié)器輸出的力矩電流給定、以及轉(zhuǎn)子角頻率計(jì)算出定子電壓給定。直流電流調(diào)節(jié)器（GGR）通過(guò)定子電流2個(gè)分量給定值與實(shí)際值差值的積分得出附加的定子電壓。SES功能塊將VOR與GGR算出的電壓給定求和，再經(jīng)過(guò)VD轉(zhuǎn)換輸出前饋電壓。磁通調(diào)節(jié)器保證在基速以下磁通閉環(huán)，在基速以上電壓或EMF閉環(huán)。

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中解決的問(wèn)題

1）電動(dòng)機(jī)在升、降速過(guò)程中，當(dāng)實(shí)際速度從5%＜N＜8%過(guò)渡區(qū)到N＞8%或N＜5%區(qū)域的瞬間，磁通幅值有較大波動(dòng)。觀察分析這是由于在過(guò)渡區(qū)內(nèi)電流模型Ψmi與電壓模型Ψmu差值偏大所致，在兩模型磁通給定通過(guò)WFA功能塊切換時(shí)引起磁通波動(dòng)大。由知，若不變，經(jīng)過(guò)3～4Tr時(shí)間后，Ψr達(dá)到穩(wěn)態(tài)值磁通值與Lm成正比。通過(guò)修正電機(jī)d軸飽和主電抗值，使電流模型在過(guò)渡區(qū)內(nèi)的Ψmi盡量接近電壓模型的Ψmu，使電機(jī)在升降速過(guò)程中磁通平穩(wěn)的經(jīng)過(guò)過(guò)渡區(qū)。

2）電機(jī)弱磁區(qū)內(nèi)制動(dòng)時(shí)，激磁電流波動(dòng)大。觀察分析這是由于系統(tǒng)在弱磁區(qū)內(nèi)電壓閉環(huán)控制，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)時(shí)，為加快逆變過(guò)程，軟件中將電機(jī)電壓給定數(shù)值從額定電壓的數(shù)值切到額定電勢(shì)值，如果實(shí)際電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值高于額定電動(dòng)勢(shì)就會(huì)引起電壓環(huán)較大的波動(dòng)，使激磁電流波動(dòng)大。因此將額定電勢(shì)值進(jìn)行修正后，基本消除了弱磁區(qū)制動(dòng)時(shí)激磁電流的過(guò)大波動(dòng)。

3）在試生產(chǎn)中，高壓開(kāi)關(guān)莫名跳閘，查故障沒(méi)有任何記錄。發(fā)現(xiàn)芯棒電機(jī)工作時(shí)有可能跳高壓，檢查發(fā)現(xiàn)是接地干擾，通過(guò)增加裝在操作臺(tái)的遠(yuǎn)程I/O站的接地導(dǎo)線截面，減小了接地電阻，此后再未發(fā)生此類(lèi)跳高壓的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

無(wú)縫鋼管廠熱軋生產(chǎn)線120機(jī)組阿塞爾軋機(jī)SIMADYN D交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)在已投入使用。其電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)約10 ms，速度響應(yīng)＜100 ms，速度抗擾動(dòng)試驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)4 ms，達(dá)到軋機(jī)負(fù)載需要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)完全滿足生產(chǎn)工藝要求。

［1］馬小亮.大功率交-交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］西門(mén)子.SIMADYN D參考手冊(cè)［Z］.2004.

［3］陳伯時(shí)，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1998.