控制工程师论坛

0  引言

    常规热连轧生产线是冶金行业重要生产线之一，近年来，类似的生产线不断上马，仅2007年我国就新增了12条。众所周知，一般热轧大部分机械装置由交流调速电机所驱动，而调速方式又以变频调速方式为主。因此交流变频调速装置在热轧电气装置占有极其重要的地位。由于热连轧生产线要求快速性、稳定性、连续性及国内类似变频器产品的不成熟，国内绝大部分热轧生产线无论是低压的小容量的变频器还是大容量高电压高性能的主传动装置均引进国外公司的产品。目前热轧尤其以德国西门子、日本三菱电机、日本东芝公司（后两者在2003年部分业务合并后成立以钢铁造纸为主营业务的芝菱公司，即TMEIC公司）产品占有绝对市场份额。尽管上述厂家都有成熟和系列针对冶金行业的变频调速装置，但在实际工程中，由于成本、设计经验等多方面因素，热轧生产线所使用的变频器的谈判、设计、选型、应用等方面还有许多实际问题需要探讨、摸索和解决。

1  设备概况

    常规热连轧生产线一般由板坯库、加热炉、粗轧、精轧、卷取及运输连等六大区域构成，其工艺设备流程示意图见图1（图中未含板坯库和运输链区域）。主要电机驱动的且需要调速的机械设备有：全轧线板坯或带钢运输辊道、板坯库收料转盘、过跨台车、保温炉或坑盖、加热炉步进梁升降装置、装抽钢平移或升降装置、粗轧区大侧压主机SSP、SSP间隙调整装置、SSP同步装置、SSP夹送辊、粗轧机主机上下辊、低速和高速电动压下装置、立辊主机、立辊辊缝调整装置、飞剪主传动、精轧机主传动、交叉辊PC装置、电动活套、卷取上下夹送辊、助卷辊、卷筒、运输链、质检站地辊及轧机前后电动侧导板等设备。尽管随着工艺技术及机械液压技术等的发展，上述装置极少数由原来的电动驱动方式发展为液压驱动方式，如侧导板、精轧活套、粗轧立辊辊缝调节装置等。

图1  常规热连轧工艺设备配置示意图
Fig1 The equipment layout schematic diagram of normal hot rolling mill line 

    由于热轧主机除SSP外都是大容量低速运动的机械运动设备，如粗轧机上下辊电机功率从2500KW到9000KW,转速在20rpm到100rpm之间;精轧机电机5000KW到10000KW，转速在200rpm到550rpm范围内。再加上同步电机在功率因素、电机尺寸和转动惯量、工作效率、连接的变频器容量、控制精度、弱磁比等方面优于异步电动机，因此其驱动的电机均为同步电动机。而中等容量高速电机或小容量电机均采用交流鼠笼异步变频电机〔1〕。

    尽管上述设备数量多，电机的电压和容量从交流380V/2KW到3300V/10000KW不等，逆变器的容量从2KVA到16MVA不等。但是若按变频器制造商提供的产品系列一般分为三大类。即按电机和变频装置容量来分:主电机――主传动装置、重要主辅电机――中容量变频装置和辅助电机――小容量变频装置。表1为以日本三菱电机上世纪90年代中后期产品和东芝21世纪初期的热轧供货的变频装置进行说明。

表1 热轧轧线调速设备与变频装置型号对应一览表

2 变频器设计及选型

主传动变频装置

    随着高电压大功率的电力半导体器件GTO、IGCT、IEGT等的诞生和应用，以及交交变频装置的输出频率低（最高频率小于1/2电网频率）、电网功率因素低、旁频谐波影响、需要SVC及占地大等因素的影响。21世纪的热轧带钢生产线主传动变频装置正由三电平电压型交直交PWM矢量控制变频装置或直接转矩控制变频装置所取代。即使原来一直崇尚并坚持以可控硅为功率元件的交交变频矢量控制技术的德国西门子公司，现在也不得不在最近推出了以IGCT为功率元件的电压型交直交变频装置为热轧生产线主轧机供电。表2为近几年来运行在热轧领域多年的电压型交直交变频器产品和应用实例： 

表2 热连轧主传动变频装置主要国外产品参数和实际典型用户
Table 2 Typical foreign production parameter and typical application user of main driver in Hot Rolling Mill 

    若以日本东芝TM-70产品作为实例对热轧主传动装置进行说明，图2就是单回路（1 bank）的电压型交直交三电平变频器主回路原理示意图，从图2可知，该结构的整流器和逆变器为典型对称结构,主回路装置可以换。图2以TM-70的8000Frame为例说明：若电机为鼠笼异步电动机，则其输入电压为交流3550V,50Hz,输出为3400V,0-60Hz,装置容量为8MVA.，若电机为同步电动机，其输入电压为交流3550V,50Hz,输出为3200V,0-60Hz,装置容量为7.5MVA.若单回路供电容量不够，可以采用双回路进行供电方式，一般又有两种模式，其一为双变频装置对一台双绕组电机，见图3；其二可以将双变频装置输出通过输出电抗器再输出到单绕组电机。实践证明：TM-70装置具有高效率、高性能、对电网无公害，占地面积小等特点。

图2 单回路电压型交直交三电平主回路结构示意图
Fig 2 Main circuit configuration diagram of 3－level voltage source converter

图3 双回路变频装置对双绕组同步电动机实际单线原理示意图
Fig 3The single line diagram of double converters to twin-winding synchronous motor 

2.1.1变频装置容量的选择

    在工艺产品大纲和相关参数下，由机械商或设计院计算后，明确电机需要的轧制转矩、转速、过载倍数、轧制节奏等，当电机参数确定后，由电机供应商和变频器提供商及设计院共同选择变频器、整流变压器、高压开关、逆变器和电机之间的隔离开关等相关的参数。由于在谈判期间工艺可能存在不确定性和理论计算或仿真有许多因素未考虑，或计算公司复杂，相关系数取值不一，会造成计算不准甚至严重偏离，如热轧的轧机轧制力的计算值。结果首先电机的电磁功率会计算错误，接下来变频器和其它开关、变压器等均有可能选错。另外投标外商想降成本，不排除他们对电机或变频装置等容量的富裕度设计偏小的可能，特别是对装置或设备容量跨档的。假设某变频装置的单机容量为8MVA,过载倍数按1.5倍考虑，若此时其带的负载为交流同步电机，其额定功率是4800KW,过载倍数2.5倍60秒情况下，此时一套装置就无法满足要求，但很有可能，外商为了中标，常常会说服买方，强调其装置够用或强调改进电机工作效率等。根据实际使用经验，由于未来产能提高、节奏加快、新的品种拓展，特别是难轧品种比例提高、极限规格品种增多、工艺条件变化（如为了节能，板坯采取下限烧钢、低温出炉，此外如板坯温度均匀性较差、轧机负荷分配有一定偏差、或板坯在轧机前摆钢时间较长等），就有可能在生产中因轧制力矩不够，造成装置过流跳电。因此在选择轧线主传动装置时，建议在考虑全厂变频装置型规统一性和互换性的及减少装置规格品种的前提下，尽可能根据设计需要选择，若一旦发生上述类似选型现象，宁愿牺牲成本或统一性，也必须保证该装置有足够的富裕度。其实对应的电机也同样适合该法则。在某种场合下，宁愿做到“大马拉小车”，否则，将损失更大或需要提前改造。

2.1.2变频装置相关辅助设备的选择
（1）纯水冷却装置

    由于装置采用了大功率驱动元件及柜内元器件安装紧奏，除了强制风冷外，一般都采用纯水冷却系统，每一套纯水冷却装置由水箱、过滤器、离子交换器、导电离子检测装置、工业循环冷却水及相关管道、流量压力检测、阀门等组成。该冷却装置有柜式和非柜式的、有独立和非独立的之分。由于热轧主机数量较多，因此选择原则是就近集中和冷却能力接近或相同的原则进行配置。如某热轧厂主传动电压型交直交变频器共有13套，其纯水冷却装置只配有4套，即大侧压SSP与粗轧机R1上下辊装置共使用1套、粗轧机R2上下辊共使用1套、飞剪CS与精轧机F1到F3，精轧机F4到F7分别各使用1套。安装地点可以根据电气室的大小进行选择，无地方可以选择电缆夹层、有地方放在电气室内。

（2）其它相关设备或装置配置

    由于买方对外商的设备和功能使用经验不多或了解不多，在技术谈判中处于下风，卖方也利用此点在技术合同附件中设置许多陷阱，而此时买方还以为该类装置是标准系列产品，因此在实际工程中常常存在短斤缺两、或以次充好，尤其在选配件上：放电装置或回路，柜内漏水检测传感器和报警装置，柜内照明装置，励磁主回路温度检测及报警装置，备用显示回路，简易维护盘，STACK组件拆卸和安装小车、STACK组件功率元器件更换专业工具及试验装置。另外也要关注柜顶冷却风机、中间回路滤波电解电容器、整流侧入口电抗器和浪涌吸收装置、控制电源等元器件，避免以次充好。

（3）通讯装置

    首先是传动装置本身与其上级基础自动化之间的通讯装置，要求其具有开放性或向用户公开其通讯协议，如Profibus-DP等。通讯介质一般均为光缆。
    其次各传动装置系统组成的局域网络，选择通用的TCP/IP以太网，以便实行远程维护和监控。
    另外整个轧线按区域配置3到4套传动系统和PLC系统合二为一或独立的数据采集处理系统，便于信息在线或触发跟踪。最快的采样时间不大于0.1ms。
    最后与传动维护工具（PC电脑，可以实现程序或参数下载上传、参数设定与修改、实时监控、故障波形或信息读出等功能）一般采用RS232或RS485或一般的以太网网线连接即可。

（4）传动装置保护功能要注意全和有效。

（5）传动装置的软件或特殊功能配置

    一般传动装置调试完成后，软件和参数基本不变，但是随着工艺的日益增长的要求，如产品材质规格的拓展，或实际系统在部分板坯轧制时出现机电共振、扭振等异常时，或机械系统有升级或老化、电气系统老化等情况发生时，就要求系统具有方便的软件再造功能或简单硬件追加修改。譬如内部联锁组合或追加，停送电或控制逻辑或时序的优化，电流环、速度环PID调节器的典型回路（比例、积分、微分）环节的自由组合、同一调节器在不同工况下变增益、变时间参数，多种可变限幅值控制，状态观测回路、滤波回路等回路追加的编程。此外在热连轧主轧机控制功能中，还有粗轧的上下辊负荷平衡功能、Droop功能、及抑制轧机扭振的SFC等特殊功能。除了上述功能外，系统最好具有强大的自诊断功能，而且预报准确、及时，并能方便用户在故障代码提示和作业指导书下，快速找到和解决问题。系统软件升级要方便快捷。

（6）与上下游设备关系

    与整流变、高压柜及隔离开关及电缆容量要合适、保护要匹配、联锁要周到。

2.2  中等容量的变频装置

    粗轧机前的立辊轧机E和精轧机前的飞剪CS及卷取卷筒装置，其电机的电磁功率在500KW到1200KW左右，由于其容量不大也不小，且控制精度都要求较高，因此实际工程中都采用不同于低容量和大容量的变频装置，即电压中等、容量也中等的变频装置，整流器为公用的可控硅SCR整流、通过公用母线，输出到以IGBT作为功率元件的三电平交直交PWM变频装置中，若逆变器容量大，一般采用多套同容量变频装置进行并联供电。控制原理图见图4，某厂实际配置见表3由于该类传动逆变器采用IGBT，无需水冷。其它选择原则基本同主传动装置。不过最近日本东芝公司即将推出类似于主传动对称结构的中等容量的整流逆变装置TM-50。

图4  中等容量TM-30T/30变频器的控制原理图
Fig 4 The control sketch diagram of middle capacity TM-30T/30 frequency converter 

    从图4可知，整流器部分为两组并联的普通可控硅整流，通过LC直流滤波电路将±900V直流电压送到两套逆变器装置去。逆变器为三电平电压型交直交变频器，功率元件为IGBT。由于立辊轧机工作侧和传动侧独立驱动，靠机械中间轴相连，距离近，两套逆变器常常共用一套公用整流器，而卷取机或飞剪电机常常由1台电机独立驱动，考虑到当整流器发生故障时间，损失降到最小，卷取机的逆变器安装位置近，但常常设置2套独立整流器，即1台卷取机使用1套整流器。尽管一次投资成本增加，但是将来全厂停产风险最少。其电机和整流器、逆变器参数见表3。

表3 某热轧生产线中等容量的变频器配置及主要参数
Table 3 The main parameters and allocation of middle capacity frequency converter 

2.3  低压小容量的变频装置

    对于热轧轧线其它调速负载，因其电机电压低、功率小，但数量多，一般都采用公用整流器进行整流、然后通过直流母排将直流电压送到的许多逆变器柜内，再通过以IGBT为主回路功率元件的逆变器给电机供电，其控制技术采用二电平PWM矢量控制技术。为了方便电机检修或绝缘检测，一般在逆变器与电机之间增设空气开关或逆变器内增设输出接触器，低压小容量的变频装置原理示意图见图5。

图5  一个公用整流器带多个逆变器供电实例图
Fig 5 A actual example of one common converter with many inverter 

    从图5可知，T1212单元表示用可控硅作为功率元件的公用整流器，其容量为1440KW，输入交流电压为630V，频率为50Hz ,整流器的输出为直流低压600V,额定电流为2400A,装置过载倍数为150％，60秒。其输出直流电压通过600V直流母排送到各逆变器，根据逆变器功率大小，小于125KVA的不设直流进线开关，大于125KVA设置直流进线开关，在INV装置的输出都设有出线断路器，方便检修。图5只画出该公用整流器带的部分逆变器负载，上述负载既有独立逆变器给单台电机供电方式，也有给成组辊道供电方式。实际工程中，该整流器下带3种类型的逆变器（125型、200型和300型），共计逆变器12套，电机2种（22KW、37KW）共计103辊道电机和2台转盘驱动电机。

2.3.1 整流器的配置

    配置的原则是单机容量不宜太大（否则增加投资和占地）、也不能太少（不便于检修和停送电等），要考虑以下几个因素：电气室和变频器设置在用户的中心或附近，以降低电缆长度和电压降；整流器自身容量；故障范围影响最少；工艺设备的区域和检修停电的方便性。案例1为某热轧厂把板坯库和加热炉与粗轧SSP和R1轧机附近的辅助设备共用1套公用整流器，常出现SSP和R1附件辅机在检修，而板坯库和加热炉区域辅机检修后必须提前4小时以上收料和装钢，造成一半负荷要停电检修、另一半负荷需要运行工作的矛盾。案例2未考虑整流器一旦故障，造成全线停产。某热轧线卷取区配有两套独立运转的卷取设备，若两套辅机设备共用一套公用整流置，曾发生该装置出现6小时以上故障，结果造成全线也停产6个小时，因此有必要对其负载进行分离，保证在一套公用整流器故障后另一套供电的卷取机还能继续卷钢。若负载远离负荷中心，宁愿在负载附近增设小型整流器电源，如板坯库和运输链此类的辊道或辅助负载，以保证电机供电电压，同时可以大大降低到电机电缆长度和截面积。某热轧生产线共设置了10套公用整流器装置（板坯库加热炉3套，粗轧2套，精轧1套，卷取和运输链4套），三种类型，装置的参数额定容量－直流电压－额定电压分别为720KW-600V-1200A和1440KW-600V-2400A及2880KW-600V-4800A。

2.3.2 逆变器的配置或选型

    热轧辅机逆变器选择原则：（1）装置容量有一定的富裕度；（2）重要负载宜独立供电，普通辊道可以成组供电，该成组辊道的各电机处于同一工艺速度段，具有相同的转速和线速度，该组各电机参数尽可能接近或相同；（3）全厂尽可能减少逆变器的种类，以减少备件的数量；（4）小容量逆变器INV尽可能采用类似马达控制中心抽屉式结构。
    日本的逆变器装置常有多级抽屉式、三相合一独立成柜式、三相独立成柜式等，而德国西门子公司常常采用固定式。日本东芝辅机逆变器其按容量来分，多达17种：2、4、8、15、25、45、75、125、200、300、400、500、700、900、1000、1400、1800等，全部涵盖热轧所有辅机负荷，品种齐全。日本三菱电机上世纪90年代初推出Melvc-1200系列和德国西门子公司6SE70通用变频器系列两者均有许多容量各异的品种。某热轧生产线实际共使用了东芝公司TM-10系列全部17种产品中的15规格的逆变器，共计209套。其中容量最大的逆变器1800型，其输出容量为979KVA,输出交流电压为440V，电流为1285A,装置100％负载连续，225％过载60秒，250％过载15秒。而逆变器最小装置2型，其输出容量为2KVA,输出交流电压为440V，电流为2.6A,装置100％负载连续，150％过载60秒。

    装置容量计算原则上独立驱动逆变器INV单元的容量乘上逆变器得过载倍数（日本东芝和三菱电机的逆变器按1.5倍计算，德国西门子6SE70系列为1.36倍过载倍数）的积，不得低于电机输出电磁功率乘以其最大允许工作的过载倍数。对于部分特殊的负载，如轧制高温硅钢的热轧生产线，对出炉辊道到粗轧机前的辊道，粗轧机入出口机架辊、精轧末机架出口机架辊、SSP有辊道升降装置的辊道、质检站地辊等特殊负载，要充分留有容量余量，否则会造成该类逆变器频繁跳电。因为除了考虑其起动过程中部分电机打滑外，还要考虑辊道的磨损不均匀、标高、板坯变形、硅钢的头尾塌腰及粗轧机翘扣头控制差，板坯爬坡等特征，有时一组13个辊道，只有2到3根辊道接触板坯。因此逆变器容量计算要留有余量，其需用系数不能考虑太小。一般地，对于热轧成组辊道逆变器输出的最大电流应满足下式：
    I_INVmax≤u_INV＊I_INVN  〔2〕
    其中I_INVmax为启动打滑时逆变器的最大输出电流，u为逆变器允许的输出电流过载倍数；I_INVN 为逆变器输出电流的额定值，而I_INVmax又可以用下式计算：
    I_INVmax＝n₁＊I_M1+n₂＊I_M2
    其中该逆变器下n₁台电机处于空载启动状态，此时该状态下的每台电机电流为I_M1,而有n₂台电机处于带载起动同时又有打滑情况，此时该n₂台电机的单机电机电流为IM2。
    除了考虑逆变器INV的容量计算外，对于逆变器其它元件配置也必须重点关注，若直流母排取电后进入逆变器前是否增设直流断路开关，INV装置输出后是否设置接触器或交流断路器、输出电抗器、装置内是否设置温度保护装置、自带风扇以及装置内的其它如电容器、电源装置等元器件的选取等。另外对于电机需要强制冷却风机供电，还必须考虑附加风机电源和联锁条件。在这一类小容量变频装置中，有的采用速度反馈的矢量控制技术，有的采用无速度反馈的矢量控制技术，必须根据控制对象的精度进行区分，防止选型不当，无法满足控制的需要。

3 结束语

    热连轧生产线中各类变频器是该线重要的电气设备之一，除了正常生产中，设备维护得当外，在产品选型和设计等过程中要认真计算和验算，不能完全相信机械商提供的数据，对于上述提到的负载更要认真验算，防止选小。对于影响成本的条款或系数要在合同签订前明确，否则会后患无穷。当然在实际生产中，要精心护理好变频器。如严格控制好变频器的使用环境，严格控制温度和湿度及粉尘，定期清灰（清洗过虑网和柜内清灰）和紧固，定期检查电解电容器外观是否变形或漏液，检查柜内风机运行状态、对电源和脉冲检查做精密测试或部分元器件进行性能检测，以倾向性作为劣化管理。目前热轧单元只有整流单元还可以国产化，其它还得引进，因此要适当备用部分组件或关键性的元器件。