張勇軍，何安瑞

（北京科技大學(xué)冶金工程研究院，北京 100083）

現(xiàn)代冶金軋機(jī)主傳動(dòng)對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備在過載能力、裝機(jī)容量、動(dòng)態(tài)響應(yīng)上提出了更高要求。國(guó)內(nèi)外電氣傳動(dòng)學(xué)術(shù)界和大型跨國(guó)電氣公司也十分重視和關(guān)注以大功率、高性能為特點(diǎn)的軋機(jī)傳動(dòng)控制領(lǐng)域。由于直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、單機(jī)最大容量以及后期維護(hù)等方面的缺陷，使長(zhǎng)期以來具有優(yōu)良轉(zhuǎn)矩控制精度的直流電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的壟斷地位有所改變，并限制了其進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固簡(jiǎn)單、能量轉(zhuǎn)換效率高、單機(jī)容量大、維護(hù)工作量小等顯著優(yōu)點(diǎn)，有效克服了直流電機(jī)固有的缺陷。隨著現(xiàn)代控制理論、電力電子及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是交流電機(jī)矢量控制（Vector Control）理論的發(fā)展已日漸成熟，交流變頻調(diào)速技術(shù)及其系統(tǒng)裝置也得到了迅速推廣。在近幾年新開工建設(shè)的大型軋鋼廠，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為主要的傳動(dòng)設(shè)備，這些采用新技術(shù)的交流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能，完全可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美［1］。

1 交交變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)

由直流調(diào)速技術(shù)演變而來的交交變頻調(diào)速系統(tǒng)，主回路的功率元件采用相位控制晶閘管。對(duì)六相變頻方式，交流電機(jī)定子主回路由三組反并聯(lián)可逆橋式變流器供電；對(duì)十二相變頻方式，定子主回路由六組并聯(lián)可逆整流橋供電。圖1為應(yīng)用最為廣泛的無環(huán)流交交變頻系統(tǒng)的六相主回路原理示意圖。

交交變頻系統(tǒng)輸出到電動(dòng)機(jī)的電壓由電網(wǎng)電壓的若干部分組成，由移相角來平衡輸出三相電壓的頻率和幅值，其最大特點(diǎn)是只能工作在電網(wǎng)基準(zhǔn)頻率以下，一般最高頻率小于1/2電網(wǎng)頻率，存在電網(wǎng)功率因數(shù)不高、調(diào)速范圍受到限制、受旁頻諧波影響等缺點(diǎn)。為此，在軋機(jī)大容量系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)需配備相應(yīng)的諧波濾波裝置和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。交交變頻系統(tǒng)也有其自身的優(yōu)勢(shì)，如傳動(dòng)效率較高、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也避免了交直交變頻的中間直流回路元件的空間占用及損耗，使電能僅通過晶閘管相控橋的直接一次變換為交流電機(jī)供電［2］。相比同等容量的采用全關(guān)斷器件的交直交變頻系統(tǒng)，其一次性投資成本上有一定優(yōu)勢(shì)。

此外，采用可控環(huán)流的交交變頻系統(tǒng)可有效減少無環(huán)流交交變頻系統(tǒng)輸出變頻有限、電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重，功率因數(shù)偏低帶來的影響，其控制原理基本與無環(huán)流交交變頻調(diào)速系統(tǒng)相類似，區(qū)別在于各相的正、反兩組晶閘管整流橋分別由變壓器不同的二次繞組供電，采用恒定無功控制(AQR)原理，通過檢測(cè)電源進(jìn)線的無功分量值來控制正、反兩組整流橋之間的環(huán)流，實(shí)現(xiàn)電源端的無功功率恒定。這種方式除減少無功補(bǔ)償規(guī)模，有效控制電網(wǎng)側(cè)無功分量的優(yōu)勢(shì)外，可控環(huán)流交交變頻系統(tǒng)還能大幅提高輸出電壓的頻率，最高可達(dá)電網(wǎng)頻率的80%，而且不存在用于晶閘管正反橋切換的死區(qū)時(shí)間（2～3 ms），輸出力矩更平穩(wěn)。除上述優(yōu)點(diǎn)外，可控環(huán)流交交變頻系統(tǒng)也存在一定的缺點(diǎn)，由于環(huán)流電流的存在，整流變壓器容量較之無環(huán)流系統(tǒng)需要提高約50%，傳動(dòng)系統(tǒng)效率明顯下降，系統(tǒng)接線繁雜，設(shè)備投資價(jià)格高于無環(huán)流變頻系統(tǒng)［3］。

20世紀(jì)80年代初，標(biāo)志著大容量交流調(diào)速系統(tǒng)登上了高性能調(diào)速系統(tǒng)臺(tái)階的交交變頻同步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，分別由日本富士電機(jī)公司和德國(guó)西門子公司研制成功，并成功應(yīng)用于軋鋼廠的大型初軋開坯機(jī)上。德國(guó)于20世紀(jì)80年代末，將交交變頻同步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)首次應(yīng)用于熱連軋的精軋機(jī)主傳動(dòng)，使大容量同步電機(jī)變頻調(diào)速終于達(dá)到并超過了直流調(diào)速的性能。迄今為止，全球已有近500套軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用了交交變頻調(diào)速，在我國(guó)鋼鐵企業(yè)中也有廣泛的應(yīng)用，在各大鋼鐵企業(yè)的軋鋼廠，交交變頻系統(tǒng)依然發(fā)揮著重要作用。

2 負(fù)載換流變頻調(diào)速系統(tǒng)

采用負(fù)載換流的同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)（LCI）是利用同步電機(jī)轉(zhuǎn)子過激磁的容性無功功率來提供晶閘管換流，由電源側(cè)整流器控制輸出電壓、電機(jī)側(cè)逆變器控制輸出電流。LCI系統(tǒng)主要由整流變壓器、電機(jī)側(cè)負(fù)載換流晶閘管逆變器、電源側(cè)自然換流晶閘管整流器、直流耦合電抗器等部分組成。負(fù)載換流變頻系統(tǒng)主回路示意圖見圖2。

LCI系統(tǒng)屬于電流型交直交變頻方式，易于實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，可滿足高輸出頻率的要求，但其電流輸出波形為梯形波，輸出電流諧波較大，因此大型LCI調(diào)速系統(tǒng)通常采用12相供電方式以減小諧波影響。而且由于該系統(tǒng)采用電流斷續(xù)換流方式，在小于10%額定轉(zhuǎn)速的低速范圍內(nèi)力矩脈動(dòng)明顯增大，通常LCI系統(tǒng)的調(diào)速范圍限制在1∶10以內(nèi)。受到輸出力矩脈動(dòng)和調(diào)速范圍的制約，通常LCI系統(tǒng)無法滿足工藝要求嚴(yán)格的板材冷、熱軋機(jī)的主傳動(dòng)控制，目前主要用于對(duì)過載能力要求不高，速度高但調(diào)速范圍不大的不可逆軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中。

3 三電平電壓型PWM變頻傳動(dòng)系統(tǒng)

交直交電壓型PWM變頻調(diào)速技術(shù)得益于高電壓、大電流的絕緣柵雙極晶體管IGBT、電子注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT、集成門極換向晶閘管IGCT等可關(guān)斷電力電子器件的持續(xù)發(fā)展，系統(tǒng)裝機(jī)功率得到迅速增大。采用自關(guān)斷電力半導(dǎo)體器件的電壓型交直交電氣傳動(dòng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、功率因數(shù)高、諧波污染小等一系列顯著優(yōu)點(diǎn)。為進(jìn)一步提高功率等級(jí)和改善諧波問題，軋制主傳動(dòng)系統(tǒng)中廣泛采用的是具有三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和SVPWM技術(shù)的中壓交直交變頻技術(shù)，其控制性能及系統(tǒng)裝機(jī)容量能夠更好地滿足高性能軋機(jī)傳動(dòng)的需求，目前已成為在帶鋼熱連軋機(jī)、中厚板軋機(jī)、單機(jī)架冷軋機(jī)、冷連軋機(jī)等高性能大功率軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的技術(shù)。

為減少道岔故障對(duì)有軌電車運(yùn)營(yíng)帶來的影響，一般宜在 3 個(gè)方向設(shè)置單渡線供道岔發(fā)生故障后臨時(shí)折返。雙Y道岔在各種故障情況下臨時(shí)運(yùn)行情況如圖 4 所示。

用于軋機(jī)驅(qū)動(dòng)的三電平PWM變頻系統(tǒng)一般在電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)均采用相同的三電平結(jié)構(gòu)，前者負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功能，后者負(fù)責(zé)系統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)功率變換。逆變側(cè)的三電平PWM控制能夠大大降低輸出到電動(dòng)機(jī)的電壓dV／dt幅值，使輸出電壓更接近于正弦波，負(fù)載脈動(dòng)減小，傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)得到有效提高。電網(wǎng)側(cè)的三電平PWM整流控制可使系統(tǒng)能量雙向完全流動(dòng)，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)網(wǎng)側(cè)均可保持在單位功率因數(shù)，且電流諧波總量THD不高于4%，不需要配置諧波濾波裝置及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低諧波污染、高功率因數(shù)運(yùn)行。

圖3所示為采用IGBT元件的中點(diǎn)箝位式（Neutral Point Clamped，簡(jiǎn)稱NPC）結(jié)構(gòu)三電平PWM變頻系統(tǒng)主回路原理圖，同樣也可以采用IEGT、IGCT等其它元件，主要在相應(yīng)的保護(hù)回路及觸發(fā)系統(tǒng)有所區(qū)別。

3.1 IGBT三電平PWM變頻系統(tǒng)

IGBT元件屬于場(chǎng)控器件，具有雙極型晶體管的高電壓、大電流處理能力和功率MOSFET的快速開關(guān)性能（10～30kHz），可以很容易的與反并聯(lián)二極管集成，關(guān)斷均勻，易驅(qū)動(dòng)，無需緩沖電路，總體性能較好，適合應(yīng)用于高頻開關(guān)場(chǎng)合。之前受限于元件容量，應(yīng)用范圍主要集中在低壓中小容量的變頻系統(tǒng)中。近年來在容量上得到了很大的突破，德國(guó)已研制出1000A/6500V的IGBT器件，同時(shí)也出現(xiàn)了采用新型IGBT器件構(gòu)成三電平PWM變頻裝置的軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)，該變頻裝置在體積、噪音、靈活性上已有了一定的改進(jìn)。我國(guó)寶鋼1550mm冷連軋及邯鋼冷軋帶鋼生產(chǎn)線都是采用IGBT元件構(gòu)成的三電平變頻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)電機(jī)。目前，采用IGBT元件的交直交調(diào)速主傳動(dòng)系統(tǒng)已基本占領(lǐng)了中小功率軋機(jī)傳動(dòng)市場(chǎng)。

3.2 IGCT三電平PWM變頻系統(tǒng)

門極可關(guān)斷晶閘管IGCT是在GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）基礎(chǔ)上研制而出的一種大功率電力半導(dǎo)體器件，它結(jié)合了GTO和IGBT的優(yōu)點(diǎn)，如開通損耗低，可靠性強(qiáng)，電壓電流容量大，開關(guān)頻率高等。該器件將門極驅(qū)動(dòng)電路集成到門極換流晶閘管（GCT）旁，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減少了控制門極回路電感，使IGCT的開關(guān)損耗得到進(jìn)一步減少。在簡(jiǎn)化變頻裝置結(jié)構(gòu)方面，取消了緩沖吸收電路，提升了系統(tǒng)效率。IGCT控制回路相對(duì)簡(jiǎn)單，功率部分易于模塊化，無論從系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可維護(hù)性和可靠性上都有較大的提高。目前4000A/4500V的單管IGCT器件已經(jīng)投入產(chǎn)品化應(yīng)用，采用IGCT的大功率三電平PWM變頻裝置在大功率軋機(jī)主傳動(dòng)方面得到了廣泛的應(yīng)用。

3.3 IEGT三電平PWM變頻系統(tǒng)

電子注入式增強(qiáng)門極晶體管IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）是由東芝公司于1993年研發(fā)而出，與IGBT類似，IEGT屬于電壓型觸發(fā)器件，觸發(fā)功率低（功率小于1W），具有門極驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、通態(tài)壓降低等等諸多優(yōu)點(diǎn)。此外，IEGT也具有較快的開通/關(guān)斷速度，并在高開關(guān)頻率下仍能保持較低的開關(guān)損耗，元件本身擁有較寬的安全工作區(qū)，對(duì)吸收和緩沖回路要求不高，能夠承受較高的dV/dt和dI/dt，可在較大程度上提升系統(tǒng)的可靠性。我國(guó)眾多冷熱軋生產(chǎn)線的主傳動(dòng)電氣控制裝置目前都采用了由IEGT器件構(gòu)成的三電平PWM變頻系統(tǒng)。

4 交流變頻調(diào)速典型系統(tǒng)

大功率化和全交流化日益成為冶金企業(yè)大型軋機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝備的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外新建軋機(jī)主電機(jī)功率在3MW以上的幾乎全部采用大功率交流變頻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。這其中，交交變頻系統(tǒng)以其優(yōu)秀的性價(jià)比，占有了一定的市場(chǎng)。憑借綜合性能上的優(yōu)勢(shì)，以及無需無功補(bǔ)償設(shè)備投資和場(chǎng)地占用而帶來的好處，各個(gè)大型跨國(guó)公司開發(fā)研制的交直交中壓三電平變頻系統(tǒng)也越來越成為主流和優(yōu)選方案，尤其是隨著國(guó)產(chǎn)裝備的逐步成熟，大功率交直交中壓電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)將更加凸顯。

4.1 SL150交交變頻系統(tǒng)

由西門子公司推出的交交變頻調(diào)速系統(tǒng)SINAMICS SL150是上一代SIMADYN-D系統(tǒng)的升級(jí)替代產(chǎn)品［4］，其額定功率最高可達(dá)36 MW，適用于高轉(zhuǎn)矩同步或感應(yīng)電機(jī)控制，具有高能效和高可靠性等特點(diǎn)。

該系統(tǒng)由功率回路及控制裝置組成。功率回路由勵(lì)磁回路（對(duì)電勵(lì)磁同步電機(jī)）和定子回路兩部分組成，勵(lì)磁回路向主電機(jī)的轉(zhuǎn)子供電，定子回路向定子供電。根據(jù)矢量控制原理完成主電機(jī)精確的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制，進(jìn)而在軋機(jī)上實(shí)現(xiàn)工藝調(diào)速功能?？刂蒲b置由處理器、PSA模板、遠(yuǎn)程ET200、核心單元I/O模板、以及OP面板等設(shè)備組成。其中，處理器部分由Sinamics CU320模板、及Simotion D445（或D455）模板組成；PSA為功率匹配模塊，主要用于連接功率回路和控制裝置，二者之間采用DP通訊模式。CU320的功能是實(shí)現(xiàn)三相交流電控制、速度控制和矢量變換等；D445為核心通信管理單元。利用Profibus DP網(wǎng)絡(luò)在CU320、6RA70以及多個(gè)ET200遠(yuǎn)程I/O站之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，完成多種數(shù)據(jù)采集或動(dòng)作命令下發(fā)。此外，D445與工程師站 (PC)、OP177面板也可通過如以太網(wǎng)、串口、MPI等多種通信方式進(jìn)行通信，并支持SL150服務(wù)軟件在線訪問，便于協(xié)助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

SL150控制系統(tǒng)軟件為Scout與Starter相結(jié)合的編程軟件，適用于Sinamics系列所有系統(tǒng)產(chǎn)品，整個(gè)項(xiàng)目工程也可利用Step7平臺(tái)實(shí)現(xiàn)集中管理，便于多傳動(dòng)系統(tǒng)之間以及傳動(dòng)與自動(dòng)化系統(tǒng)間的統(tǒng)一管理及維護(hù)。SL150采用了簡(jiǎn)易而構(gòu)思良好的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，具有功能較強(qiáng)的保護(hù)和異常診斷系統(tǒng)，可確保顯著縮短與維護(hù)相關(guān)的停產(chǎn)時(shí)間，是目前國(guó)內(nèi)較為常用的一類交交直接變換型中壓變頻產(chǎn)品。

4.2 ACS6000交直交中壓變頻系統(tǒng)

瑞士ABB公司的大功率中壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)ACS6000SD（控制同步電機(jī)）和ACS6000AD（控制異步交流電機(jī)）主要用于冶金、船舶、軋機(jī)、礦山提升機(jī)等領(lǐng)域，是一種采用精確DTC直接轉(zhuǎn)矩控制和脈寬調(diào)制技術(shù)的變頻系統(tǒng)。

ACS 6000允許用在同一個(gè)直流母線上連接多個(gè)整流單元和逆變單元，從而實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)多個(gè)機(jī)械設(shè)備。它使用的IGCT元件組成功率部分。系統(tǒng)主要由逆變單元(INU)、有源整流單元（ARU）、電壓限幅單元（VLU）、電容單元(CBU)、勵(lì)磁單元（EXU）、水冷單元 (WCU)、控制單元（COU）、終端單元（TEU）等組成。通過模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)所需的輸出功率，電機(jī)配置和工藝需求，所有模塊可以靈活的進(jìn)行配置［5］。該系統(tǒng)的功率單元主要為ARU整流單元和INU逆變單元，共有7MVA、9MVA、11MVA、13MVA等多種模塊可選，目前中間直流母線最多可接6個(gè)ARU和INU模塊。

ARU和INU中都采用了帶有S800-I/O站的主控制板AMC3，用于主傳動(dòng)ARU和INU模塊的內(nèi)部通訊、參數(shù)的設(shè)定、聯(lián)鎖等控制。AMC板的軟件主要分為應(yīng)用軟件和控制軟件兩部分。應(yīng)用軟件主要實(shí)現(xiàn)故障信息的顯示、直流母排的充放電控制、接地報(bào)警等信息的顯示。控制軟件主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流、電網(wǎng)電壓、直流電壓、短路保護(hù)、IGCT開關(guān)控制、頻率、速度、位置控制、通訊控制等功能。該傳動(dòng)系統(tǒng)基于DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制）理論，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間理論上比傳統(tǒng)的磁通向量控制或脈沖寬度調(diào)制的控制方式大大縮短，并能夠在較寬的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。此外，ACS6000變頻器增加了濾波器，可有效避免由于DTC Bang-Bang控制使輸出的電壓波形產(chǎn)生尖峰，進(jìn)而減少了dV/dt對(duì)電氣絕緣的影響。ACS6000系統(tǒng)進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)較早，也是目前國(guó)內(nèi)占有率較高的交直交中壓三電平變頻系統(tǒng)產(chǎn)品。

4.3 SM150交直交中壓變頻系統(tǒng)

SINAMICS SM150交直交變頻系統(tǒng)作為西門子公司推出的高端中壓變頻產(chǎn)品，同樣使用了IGCT作為功率器件，同樣適用于高壓大功率的軋機(jī)主傳動(dòng)工業(yè)應(yīng)用［6］。

該系統(tǒng)硬件部分主要由功率柜、控制柜、勵(lì)磁柜及擴(kuò)展柜等設(shè)備組成。控制部分與SINAMICS SL150類似，控制模塊D445包含與傳動(dòng)其他部分通訊的以太網(wǎng)接口、軟件和傳動(dòng)程序等；勵(lì)磁部分主要用于電勵(lì)磁同步電機(jī)的外部勵(lì)磁，采用的是西門子6RA70直流調(diào)速裝置作為勵(lì)磁控制單元，勵(lì)磁電流的大小是由D445控制。擴(kuò)展柜內(nèi)的CX32模塊是專用于SIMOTION D445的控制器擴(kuò)展，它與SIMOTION D445之間通過DRIVE-CLiQ方式連接。

SM150交直交變頻系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)整流AFE部分也采用PWM脈沖整流技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行及能量的雙向流動(dòng)，使網(wǎng)側(cè)電流波形接近正弦波。電機(jī)側(cè)的逆變部分采用的是基于磁場(chǎng)定向的矢量控制技術(shù)，與直流電機(jī)控制方式類似，解耦定子電流中的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，使得采用矢量控制的交直交變頻系統(tǒng)在低速時(shí)也能獲得較好的動(dòng)靜態(tài)性能。對(duì)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也能夠采用公共直流母線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用于電動(dòng)和發(fā)電驅(qū)動(dòng)的不同電機(jī)間的直接能量交換。

SINAMICS SM150采用電壓源型矢量控制技術(shù)和高功率因數(shù)、三電平及模塊化設(shè)計(jì)，使得其具有比較優(yōu)良的網(wǎng)側(cè)諧波控制能力和較好的動(dòng)態(tài)控制性能，也可根據(jù)工藝要求提供多種選件用于控制同步電機(jī)和異步電機(jī)，該系統(tǒng)已經(jīng)用于國(guó)內(nèi)多條軋制生產(chǎn)線中。

4.4 TMdrivre-70交直交中壓變頻系統(tǒng)

TMdirve-70是由日本TMEIC公司推出的采用IEGT作為功率器件的中壓交直交型變頻產(chǎn)品，TMdrive-70電路結(jié)構(gòu)為同樣為雙三電平PWM變換電路，電能可在網(wǎng)測(cè)和電機(jī)側(cè)雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，可以直接用于驅(qū)動(dòng)軋機(jī)主傳動(dòng)使用的異步電機(jī)或同步電機(jī)［7］。

TMdirve-70變頻裝置主要包括逆變器、整流器，其中逆變器的三電平PWM控制模式可輸出最高為3.4 kV的正弦電壓。整流器采用固定脈沖模式控制使得功率因數(shù)接近1，輸出電壓近似于正弦波，減少了高次諧波及轉(zhuǎn)矩紋波，減少了對(duì)電網(wǎng)的污染。固定脈沖模式可自動(dòng)平衡交流輸入功率。當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，產(chǎn)生超前功率，提高輸入電壓；當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，產(chǎn)生滯后功率，降低輸入電壓。

該系統(tǒng)的控制器采用了由東芝公司開發(fā)的功率電子專用的高性能微處理器PP7，主控制模塊完成所有內(nèi)外部數(shù)據(jù)如電流檢測(cè)、速度反饋、速度參數(shù)計(jì)算、外部輸入輸出信號(hào)等的處理，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。為獲得高動(dòng)態(tài)性能，TMdirve-70系統(tǒng)也采用了與西門子公司類似的矢量控制技術(shù)，將交流電機(jī)通過坐標(biāo)系變換等效成直流電機(jī)，再模仿直流電機(jī)的控制方法進(jìn)行控制。TMdrive-70高壓大功率變頻控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大、控制精度高、響應(yīng)速度快、運(yùn)行安全可靠，具備良好的動(dòng)態(tài)性能，在國(guó)內(nèi)多條大、中軋制生產(chǎn)線中也有了良好的應(yīng)用。

4.5 TGS6000交直交中壓變頻系統(tǒng)

依托長(zhǎng)期以來在高速鐵路交流電機(jī)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的技術(shù)積累，南車株洲電力機(jī)車研究所聯(lián)合北京科技大學(xué)高效軋制國(guó)家工程研究中心，在國(guó)家科技部課題支持下對(duì)交直交冶金軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量研究，開發(fā)出首套在冶金生產(chǎn)線上獲得成功應(yīng)用的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TGS6000交直交主傳動(dòng)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用三電平二極管中點(diǎn)鉗位電壓型主電路結(jié)構(gòu)，功率部件由IGCT器件采用模塊化設(shè)計(jì)，具有單機(jī)或公共直流母線多種靈活配置結(jié)構(gòu)，功率范圍覆蓋5MW～27MW。網(wǎng)側(cè)為四象限PWM脈沖整流，可實(shí)現(xiàn)全功率能量回饋并且可根據(jù)需要進(jìn)行無功補(bǔ)償，功率因數(shù)控制在±1。電機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)電路結(jié)構(gòu)相同，可驅(qū)動(dòng)大功率異步電機(jī)、電勵(lì)磁同步電機(jī)、永磁同步電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)采用自主TEC3000多DSP結(jié)構(gòu)傳動(dòng)控制平臺(tái)，高速專用總線貫穿整個(gè)控制單元，通過高性能處理器為主構(gòu)建系統(tǒng)管理器進(jìn)行管理和調(diào)度，周期短、信息化程度高。通過軟件編程設(shè)置保護(hù)門閥值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多級(jí)保護(hù)，達(dá)到控制器對(duì)變頻故障的納秒級(jí)快速響應(yīng)?？刂茊卧獡碛蠵rofibus總線接口，與上位機(jī)PLC可以形成控制與通訊系統(tǒng)。TSG6000系統(tǒng)擁有自主研發(fā)的PC機(jī)組態(tài)調(diào)試工具軟件CSR_Drive，具有全中文的清晰圖形化操作界面，使得對(duì)于傳動(dòng)單元的應(yīng)用變得十分簡(jiǎn)便，其中的用戶二次組態(tài)開發(fā)功能可滿足系統(tǒng)在不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求［8］。

整體系統(tǒng)的研制開發(fā)是以中壓交直交系統(tǒng)國(guó)際領(lǐng)先前沿技術(shù)為標(biāo)桿，整機(jī)性能的定位完全滿足高性能冶金軋機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。該系統(tǒng)已在寬厚板粗軋機(jī)上下輥主傳動(dòng)交流同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)中投入使用，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足軋制工藝要求，成功實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)首套完全自主研制的大功率高性能中壓交直交軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，為打破國(guó)外對(duì)我國(guó)高性能大功率交直交軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的壟斷、提升我國(guó)冶金核心制造裝備自主配套能力邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

5 結(jié)論

（1）直流調(diào)速系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)已被高性能交流調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到或者超越，冶金軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)是高性能交流變頻調(diào)速技術(shù)的典型應(yīng)用，在新建生產(chǎn)線或技術(shù)升級(jí)中依然將發(fā)揮重要作用。

（2）交交變頻系統(tǒng)功率器件成熟，在低速大扭矩場(chǎng)合能夠滿足軋機(jī)主傳動(dòng)需要，但網(wǎng)側(cè)諧波較大、輸出頻率低等缺點(diǎn)使得應(yīng)用范圍受到一定限制；LCI系統(tǒng)調(diào)速范圍有限，無法勝任所有軋機(jī)的工藝要求。

（3）采用 IGBT、IGCT、IEGT 等功率器件的集成化變頻裝置，已經(jīng)在冶金軋機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，這也是目前交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流方向。采用可關(guān)斷功率器件的雙三電平PWM交直交變頻系統(tǒng)在網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)同時(shí)獲得了優(yōu)良的控制性能

（4）高性能交流電機(jī)控制系統(tǒng)一直為國(guó)外技術(shù)所壟斷，立足于國(guó)產(chǎn)功率器件和控制平臺(tái)，開發(fā)并推廣具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軋機(jī)主傳動(dòng)交流變頻系統(tǒng)是提高我國(guó)冶金行業(yè)核心制造裝備的自主配套能力和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。

［1］ 李華德，白晶，李志民，等.交流調(diào)速控制系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

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