1引言
日照钢铁有限公司建设的1580mm热轧带钢生产线，年生产规模为200万t，产品规格为1.2－16mm，生产钢种覆盖了碳素及优质碳素钢、低合金钢、合金钢、船用钢、桥梁钢、工程机械钢、耐候钢（铁路车辆、集装箱钢）、石油及天然气输送管线钢、花纹板、冷轧原料等。生产线机械设备由二重设计制作，轧机在技术装备上,积极采用新工艺、新技术、新设备，包括R2可逆轧机，热卷箱，飞剪，F1-F7精轧机和2台卷取机。1580mm热轧带钢生产线采用了先进的生产工艺和电气自动化技术。该生产线自动化控制系统采用西门子工业自动化产品SIMATIC TDC，主传动电机为6000kW的凸极同步电动机，控制系统采用了西门子中压电压源型矢量控制技术产品SIMADYN-D传动控制系统，调速性能优越，速度环静态精度为0.01％，调节时间为50ms，电流环调节时间为6.5ms。
2控制系统构成
日钢1580mm热轧带钢厂的主传动采用交-交变频传动系统，主要由3个交-交变频整流柜、1个励磁柜、1个SIMADYN-D控制柜、一个辅助柜、1个过电压吸收柜组成。主传动电机采用6000kW凸极同步电动机，由三相交-交变频器供电，全数字多处理器控制系统SIMADYN D控制，是典型的交-交变频矢量控制传动系统。主传动控制系统结构图如图1所示，定子回路由高压断路器、整流变压器、三相交-交变频器、交流同步电机等组成。转子(激磁)回路由励磁高压断路器、励磁整流器等组成。整流变压器采用不同形式的连接方式，即d/d0和d/y11，这使变压器二次侧绕组相位相差一定的电角度,这样做可以减少电网的谐波。每个变频柜是1套三相桥式无环流反并联连接的单相输出的交-交变频器，由3个单相交-交变频器柜组成一套输出Y连接方式的三相交-交变频器。控制系统由全数字多处理器SIMADYN D控制，它由4个处理器、电源、框架及外围接口等组成，并有速度控制、矢量控制、相电流控制、励磁电流控制、开关接通/断开连锁、故障控制等功能。
图1 主传动控制系统结构图
3交-交变频控制功能
交-交变频矢量控制系统主要包括矢量控制、速度控制、电流控制等环节，采用了双闭环结构形式，如图2所示。
图2 矢量变频调速原理图
3.1矢量控制
主传动同步电机控制系统采用气隙磁场定向矢量控制，通过矢量变换控制使同步机气隙磁通保持不变，这样就可以通过控制电机定子电流的转矩分量，很方便地控制电机的电磁转矩。交-交变频控制系统中的矢量控制采用软件模块化结构，矢量控制的主要控制环节由实际值检测、电压模型、电流模型、转子位置估算、直流调节器、磁通调节器、功率因数控制、给定值传送和交流给定值发生器9部分组成。
3.1.1电压模型UMO控制功能
电压模型UMO根据实际电流Is、实际电压Us计算出实际磁通PUM和磁通位置角WUM以及实际电势EMK。当速度小于5%时，由于定子电压很低，测量值相对误差较大，电压模型不准确，电流模型起主要作用。电压模型控制系统如图3所示。
图3 电压模型控制原理图
3.1.2电流模型IMO控制功能
电流模型IMO根据实际情况计算出总的给定值I1s和I2s，以及磁通PIM和磁通位置角WIM。当电机速度在4%~8%之间时，电压模型UMO和电流模型IMO同时起作用，磁通值及其位置角取两者的加权计算值。此外，电流模型还计算输出弱磁系数Fsf，用于弱磁控制。当电机速度在基速以下时，弱磁系数Fsf=1，保持磁通值不变，电机以恒转矩调速。当电机速度在基速以上时，弱磁系数Fsf开始变化，PIM随速度的上升而变小，电机以恒功率调速。电流模型控制系统如图4所示。
图4 电流模型控制原理图
3.2速度控制
交-交变频速度调节器采用典型的PI调节器，但P调节器和I调节器是分开独立工作的。传动的速度给定有以下几种情况：轧制速度，由TDC通过网络送到SIMADYN D，轧制速度包括过程计算机的设定、人工干预量、AGC的调节量、活套的调节量；点动速度由TDC通过网络送到SIMADYN D，数值为最高速度的10%；轧辊定位则由SIMADYN D本身给定并实行闭环控制；内控转车速度，通过操作面板OP2N给定;在调试、维护、处理故障时用。这些速度给定都要经过相应的斜率限制后，再送给速度PI调节器。速度实际值由同步电机转子轴上的脉冲编码器(2000p/r)测量，经计数变换后，一路直接送到矢量控制，用于震荡补偿控制(实际中未用)，另一路经滤波器送到速度调节器和矢量控制里。使用滤波器主要是考虑到传动轴、齿轮箱等不是完全刚性的，有一定的弹性扭曲，对速度来说它相当于一个低频干扰量。如果不滤波掉，会引起系统震荡。速度调节器的输出为转矩给定值，转矩给定值限幅为80%。定子电流转矩分量给定限幅值，与最大允许定子电流以及励磁分量电流有关。如果电机的定子电流转矩分量的实际值超过最大值，I调节器输入封锁，以防止进一步积分，从而保证输出不变。但在单台电机点动、轧辊定位、转动惯量测量和摩擦转矩测量等情况时，封锁公共I调节器，同时各自的P调节器切换到PI调节器。采用以上控制方案后，对应带钢速度所需的电机转速值由公共I调节器给出，而工艺要求动态响应和负荷平衡由P调节器实现。
3.3电流控制
电流控制分为定子相电流控制和转子励磁电流控制。相电流控制基本功能为P调节器，每相各有一个电流调节器，通过相电流控制，使交-交变频器具有电流源特性。相电流控制部分，无须用户修改程序，在矢量控制里有一个专用功能块Send1与相电流控制部分进行通讯，用它可以设定各种参数和控制信号。转子励磁电流控制和以前的直流励磁控制原理基本一样。主要由电流给定斜坡发生器、逻辑切换、电流调节器、触发脉冲形成、电流实际值检测功能块等组成。其中Ise是定子坐标系下的转子电流给定值, 送给转子电流控制回路时，必须乘上一个转换系数g(由转换系数计算功能块MAES计算出)后方得到转子控制回路给定值Ire。
3.4故障处理
3.4.1电机定子三相电压不平衡
正常轧钢生产时，主传动跳电，操作盘OP2N显示F189和F193故障，即报“定子三相电压不平衡”故障，并且柜门上的“缺臂”指示灯亮，电机速度振荡。复位后运行，故障依旧。检查电机、电缆及晶闸管均正常，用示波器检查晶闸管正反组触发脉冲也正常。用PDA记录三相定子电压和电流曲线，发现R相电流总是在反组晶闸管导通时出现波动振荡，如图5所示。因此怀疑可能是反组晶闸管触发脉冲触发不好引起电压模型计算出现问题，将反组的脉冲盒全部拆下测量，发现反组2#晶闸管脉冲盒的电阻很大，加3VDC触发电压后，晶闸管时通时断，而正常情况下加2VDC电压时，晶闸管就能导通。更换反组2#晶闸管触发脉冲盒后，传动系统运行正常，其波形如图6所示。
图5 脉冲盒更换前电压电流波形
图6 脉冲盒更换后电压电流波形(空载)
图5、图6中，纵轴为各变量的最大值的百分数，电流实际值为最大定子电流的百分数（最大定子电流为5375A）；横轴为时间，单位：s。图中曲线1、2、3分别为电机RST三相定子电压，曲线4、5、6分别为电机RST三相定子电流。
3.4.2电机定子三相电流不平衡
正常轧钢生产时，主电机突然跳电，分析记录的电机速度、(转矩)电流，发现跳电前电机线电流有20％的波动现象，并且最后因过流跳电。重新合闸采集三相输出电流，发现T相电流异常，如图7所示。
图7 主电机三相电压电流波形
图7中，纵轴为各变量的最大值的百分数，电流实际值为最大定子电流的百分数（最大定子电流为5375A）；横轴为时间，单位：s。图中，曲线1、2、3分别为电机RST三相定子电压，曲线4、5、6分别为电机RST三相定子电流。
PDA记录定子绕组三相电流、三相电压进行监视，发现T相电流为19%,R相和S相电流均为30％,而三相电压正常，怀疑变频器T相回路或实际电流检测回路有问题，停机检查，发现T相实际电流检测板里的整流二极管V16的正反阻值均为无穷大。拆下来测量二极管损坏，重新更换后正常。经过处理，开机后检查三相电流平衡，运行正常。波形如图8所示。分析认为，T相电流实际值检测板中整流二极管V16损坏(见图9),导致系统不能正常检测B相的电流，使矢量模型计算错误；从图7可以看出T相电流比R、S相低10％,从而使定子三相电流不平衡。
图8 T相检测板二极管更换后电压电流波形
图8中，纵轴为各变量的最大值的百分数，电流实际值为最大定子电流的百分数（最大定子电流为5375A）；横轴为时间，单位：s。图中，曲线1、2、3分别为电机RST三相定子电压，曲线4、5、6分别为电机RST三相定子电流。
图9 T相电流实际值检测回路
4结束语
SIMADYN D是西门子中压电压源型矢量控制技术产品，具有控制精度高、响应速度快、可靠性高，能实现多种工艺控制等特点，广泛应用于低转速、大容量的场合，良好的体现出了西门子中压变频器在大功率电机的启动和调速方面的优越性。交-交变频器的调试、维护简单方便，控制系统稳定可靠，系统静态和动态技术指标完全能满足热轧生产工艺要求。
作者简介
朱传磊(1984－)男 助理工程师，任职于日照钢铁有限公司1580热轧带钢厂。
参考文献
[1]马小亮．大功率交交变频调速系统及矢量控制技术(第三版)[M]．北京：机械工业出版社，2003．
[2]李崇坚．交流同步电机调速系统[M]．北京：科学出版社，2006．
[3]天津电气传动研究所．电气传动自动化技术手册(第二版) [M]．北京：机械工业出版社，2000．
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