任巍

（太原鋼鐵公司，山西 太原 030008）

1 改造實(shí)施

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件及現(xiàn)有系統(tǒng)的分析，我們決定改造只針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)，保留原上位HPC控制器及自動(dòng)化系統(tǒng)。這樣既能保持原有系統(tǒng)的工藝特性，又能夠解決自動(dòng)化系統(tǒng)硬件備件短缺的問題。傳動(dòng)系統(tǒng)改造選用國(guó)產(chǎn)大功率中壓三電平IGCT交-直-交變頻器產(chǎn)品，并由天津電氣傳動(dòng)研究院負(fù)責(zé)系統(tǒng)的成套，替換原阿爾斯通的變頻系統(tǒng)，保證新變頻系統(tǒng)與原自動(dòng)化系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信和無縫接入。改造內(nèi)容主要包括：保留原雙副邊整流變壓器、新增兩臺(tái)進(jìn)線電抗器、拆除原整流單元、原主機(jī)逆變單元及左右卷取機(jī)逆變單元；新增8MVA整流系統(tǒng)一套、主機(jī)及左右卷取機(jī)的三電平IGCT逆變系統(tǒng)三套，重新設(shè)計(jì)配套的水冷系統(tǒng)。

根據(jù)我廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，改造分兩個(gè)階段實(shí)施。第一階段，以試用形式提供1臺(tái)8MVA主軋機(jī)逆變器及相應(yīng)的切換設(shè)備，與原有主軋機(jī)逆變器切換，互為備用系統(tǒng)；逆變器出廠時(shí)安裝在可戶外安裝的集裝箱內(nèi)，初步確定集裝箱安裝在主電室與主電機(jī)之間的空地處，采用上進(jìn)下出的方式與系統(tǒng)的母線電源及主軋機(jī)相連。第二階段，在主軋機(jī)逆變器穩(wěn)定運(yùn)行4～6個(gè)月后，拆除原兩臺(tái)卷取機(jī)及主軋機(jī)的所有電控設(shè)備，安裝AFE整流單元及左右卷取機(jī)逆變器，并將室外已安裝試用的主軋機(jī)逆變器移至主電室內(nèi)，對(duì)整個(gè)軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行替代更換。

分成兩個(gè)階段主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）由于采用集裝箱集成的方式，且集裝箱整體安裝在主電室外，僅需少量投資及很短的施工周期即可完成第一階段的工作?，F(xiàn)場(chǎng)施工只需要完成主電室與集裝箱之間的水路、電源進(jìn)線的施工及集裝箱與主軋機(jī)電機(jī)之間的連線，少量的輔助電源、信號(hào)線的施工。（2）如果新系統(tǒng)出現(xiàn)短時(shí)無法恢復(fù)的故障，可以快速切換到原系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)生產(chǎn)造成的損失最小化。（3）可通過第一階段的試用進(jìn)一步優(yōu)化整套系統(tǒng)的改造方案，確保在實(shí)施全部設(shè)備更換時(shí)更可靠、更快速。

1.1 第一階段改造說明

原有主軋機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)仍舊保留，以確保生產(chǎn)，增加1臺(tái)8MVA主軋機(jī)逆變器，可以與原有逆變器系統(tǒng)切換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互為備用。

1.2 第二階段改造說明

主軋機(jī)逆變器穩(wěn)定運(yùn)行4～6個(gè)月后，對(duì)整個(gè)軋主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的全面升級(jí)。替換下來的老設(shè)備可以作為3號(hào)軋機(jī)的備件，實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化。

整套主傳動(dòng)設(shè)備（包含新增加的兩臺(tái)進(jìn)線電抗器）全部替換，如圖2所示，虛線部分為更換設(shè)備。

2 中壓系統(tǒng)改造創(chuàng)新

針對(duì)本項(xiàng)目，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求對(duì)中壓變頻系統(tǒng)進(jìn)了優(yōu)化調(diào)整，主要在以下幾方面進(jìn)行了重點(diǎn)研究，取得了科技創(chuàng)新。（1）直流電子開關(guān)保護(hù)技術(shù)；（2）攻關(guān)與舊系統(tǒng)HPC控制器的通訊協(xié)議；（3）有源前端特定諧波抑制技術(shù)應(yīng)用；（4）電勵(lì)磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制技術(shù)應(yīng)用；（5）國(guó)產(chǎn)中壓變頻設(shè)備在軋機(jī)領(lǐng)域的首次應(yīng)用，且與國(guó)外設(shè)備的混合使用。

2.1 直流電子開關(guān)保護(hù)技術(shù)

為了能夠?qū)?guó)產(chǎn)設(shè)備接入系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試和試驗(yàn)，同時(shí)保證原有控制系統(tǒng)安全，我們開發(fā)出了一種直流電子開關(guān)電路，在逆變?cè)O(shè)備異常時(shí)，通過電子開關(guān)快速將逆變?cè)O(shè)備切除，動(dòng)作時(shí)間≤12us，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)逆變?cè)O(shè)備出現(xiàn)重故障時(shí)對(duì)前端整流電源的保護(hù)，防止逆變側(cè)故障將事故擴(kuò)大到整流側(cè)，對(duì)原有控制系統(tǒng)造成損害。我們?cè)谡髌骱湍孀兤髦g串入一數(shù)值較大的電感（50uH）和IGCT，如果逆變器側(cè)發(fā)生直通短路，正、負(fù)半橋（或全橋）電壓突降為0，此時(shí)，整流電源輸出電流iDC的變化率為di/dt=2800V/50uH=56A/us。假設(shè)逆變器輸出功率為6MW，對(duì)應(yīng)直流電流1250A，考慮到電流脈動(dòng)和一定的裕量，設(shè)定短路故障直流電流初值為2000A。當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，包括光纖在內(nèi)的硬件電路信號(hào)延遲≤2us，F(xiàn)PGA中的信號(hào)濾波時(shí)間≤3us、IGCT關(guān)斷延遲≤7us，共計(jì)延遲時(shí)間不超過12us，對(duì)應(yīng)的最大電流值可能達(dá)到2000+ 56×12=2672A，距離IGCT可關(guān)斷最大電流4000A的門限還有充足裕量，完全可以確?？煽筷P(guān)斷。

實(shí)施效果：經(jīng)測(cè)試，整個(gè)電路可以有效起到快速與舊系統(tǒng)直流母線分?jǐn)嗟谋Ｗo(hù)動(dòng)作。

2.2 有源前端特定諧波抑制技術(shù)應(yīng)用

有源整流器主要作用是從交流變直流，與電網(wǎng)直接相關(guān)，控制的目標(biāo)是中壓大功率有源整流。在低開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電壓電流諧波抑制、高功率因數(shù)和直流電壓高穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等，特別中壓大功率整流器電流諧波問題，一直是業(yè)內(nèi)技術(shù)難點(diǎn)。本項(xiàng)目開發(fā)的中壓三電平同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其網(wǎng)側(cè)整流器采用PWM整流器，為了解決諧波問題，項(xiàng)目開發(fā)“特定諧波抑制PWM”技術(shù)。其思路與SHEPWM類似，但開關(guān)角度的計(jì)算是通過求解“特征諧波含量小于某一門限值”對(duì)應(yīng)的不等式方程組來完成，所述門限值根據(jù)遵循的諧波標(biāo)準(zhǔn)確定。于是，開關(guān)角度的求解被轉(zhuǎn)化為最優(yōu)解這一數(shù)學(xué)問題，而最優(yōu)解的數(shù)值解法有許多較為成熟的算法可供參考。此種創(chuàng)造性的采用特定諧波抑制法(SHM-PWM)在三電平PWM整流器中的應(yīng)用，解決大功率變頻器在低開關(guān)頻率下的諧波問題，使電網(wǎng)側(cè)諧波含量低于國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，防止整流設(shè)備對(duì)電網(wǎng)污染。

實(shí)施效果：有效抑制有源整流器網(wǎng)側(cè)電流對(duì)電網(wǎng)諧波污染，適應(yīng)原整流變壓器的參數(shù)，使現(xiàn)場(chǎng)原有變壓器可以繼續(xù)使用，減少了改造費(fèi)用。

2.3 電勵(lì)磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制技術(shù)應(yīng)用

本次技術(shù)改造重點(diǎn)研究了電勵(lì)磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向技術(shù)在ALSTOM傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用,原理框圖參見圖6，采用以電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)定向的控制方法，通過速度傳感器采集電動(dòng)機(jī)實(shí)際速度和轉(zhuǎn)子位置，通過電壓、電流傳感器采集定子實(shí)際電壓和電流信號(hào)，經(jīng)主控制器軟件中電機(jī)的電壓模型和電流模型計(jì)算出磁通矢量，以該矢量的方向作為電流勵(lì)磁分量的方向，以該矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°的方向作為電流力矩分量的方向。通過采用磁通矢量定向控制，使定子電流可以按照勵(lì)磁和力矩分量分別控制，達(dá)到與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相同的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

實(shí)施效果：采用了以磁通定向的矢量控制，可滿足軋機(jī)基速以下恒轉(zhuǎn)矩、基速以上恒功率的調(diào)速要求，使速度調(diào)節(jié)器具備了弱磁自適應(yīng)控制功能。

2.4 國(guó)產(chǎn)中壓變頻設(shè)備在軋機(jī)領(lǐng)域的首次應(yīng)用

本次技術(shù)改造是整套國(guó)產(chǎn)中壓變頻設(shè)備首次在軋鋼領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)也是國(guó)產(chǎn)設(shè)備首次與國(guó)外設(shè)備并網(wǎng)運(yùn)行，改造完成后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性備受考驗(yàn)。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)施時(shí)先保留原有控制系統(tǒng)，第一階段項(xiàng)目項(xiàng)目改造完成后可實(shí)現(xiàn)新舊控制系統(tǒng)的快速可靠切換，經(jīng)過6個(gè)月的穩(wěn)定運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了整套控制系統(tǒng)的全部改造，整個(gè)項(xiàng)目于2020年5月成功完成。

3 與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)主要參數(shù)、效益、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力比較

本次技術(shù)改造開發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中壓三電平變頻器產(chǎn)品與國(guó)外品牌產(chǎn)品性能指標(biāo)比較見表1所示。

表1 三電平變頻器產(chǎn)品與國(guó)外品牌比較

綜合上表，與國(guó)外同類產(chǎn)品比較，本次改造中采用的中壓三電平變頻器產(chǎn)品性能較好，與西門子產(chǎn)品基本一致，可實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)外進(jìn)口同類高端品牌的替代。

4 結(jié)語

2#軋機(jī)改造后，跳閘故障消除，產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量大幅提高，經(jīng)濟(jì)效益明顯，為我廠未來傳動(dòng)及PLC改造摸索出一條成功的方法道路。