英威騰IPE200變頻器在扁鋼生產線主軋機上的應用
摘 要：軋機主傳動要求電氣傳動具有很高的動態響應和相當高的過載能力，這一領域長期以來一直被直流傳動所壟斷。自20世紀70年nian代dai起qi，得de益yi於yu電dian力li電dian子zi技ji術shu和he微wei電dian子zi技ji術shu的de高gao度du發fa展zhan而er日ri新xin月yue異yi的de發fa展zhan，隨sui著zhe交jiao流liu傳chuan動dong控kong製zhi理li論lun的de產chan生sheng及ji其qi應ying用yong的de推tui廣guang，變bian頻pin調tiao速su技ji術shu在zai其qi應ying用yong領ling域yu得de到dao了le質zhi的de突tu破po。 本文主要介紹英威騰IPE200係列變頻器在主軋機上的應用。
關鍵詞：IPE200變頻器 軋機 電氣傳動 整流回饋
一、引言
國內某鋼廠集采選礦、鋼鐵冶煉、鋼(gang)材(cai)軋(zha)製(zhi)為(wei)一(yi)體(ti)，其(qi)中(zhong)軋(zha)鋼(gang)生(sheng)產(chan)線(xian)集(ji)成(cheng)了(le)當(dang)今(jin)世(shi)界(jie)先(xian)進(jin)的(de)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)和(he)技(ji)術(shu)，采(cai)用(yong)了(le)先(xian)進(jin)的(de)生(sheng)產(chan)管(guan)理(li)手(shou)段(duan)，其(qi)工(gong)藝(yi)裝(zhuang)備(bei)和(he)產(chan)品(pin)檔(dang)次(ci)均(jun)達(da)到(dao)國(guo)際(ji)一(yi)流(liu)水(shui)平(ping)。隨(sui)著(zhe)計(ji)算(suan)機(ji)信(xin)息(xi)技(ji)術(shu)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)，生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)對(dui)生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)和(he)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)的(de)要(yao)求(qiu)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)，此(ci)鋼(gang)廠(chang)進(jin)一(yi)步(bu)加(jia)大(da)技(ji)術(shu)改(gai)造(zao)力(li)度(du)，其(qi)扁(bian)鋼(gang)軋(zha)線(xian)項(xiang)目(mu)使(shi)用(yong)英(ying)威(wei)騰(teng)IPE200係列四象限矢量變頻器和S7-300組成整流回饋多傳動控製係統，在係統設計可靠性和工藝要求上達到國內先進水平。本文將對其進行簡單介紹，對英威騰IPE200整流回饋多傳動係統著重說明。
二、應用環境分析
軋zha機ji主zhu傳chuan動dong要yao求qiu電dian氣qi傳chuan動dong具ju有you很hen高gao的de動dong態tai響xiang應ying和he相xiang當dang高gao的de過guo載zai能neng力li，這zhe一yi領ling域yu長chang期qi以yi來lai一yi直zhi被bei直zhi流liu電dian機ji傳chuan動dong所suo壟long斷duan，但dan由you於yu直zhi流liu電dian機ji存cun在zai換huan向xiang問wen題ti，造zao成cheng換huan向xiang器qi、電刷等部件的維護工作量大增，而且直流電機在提高過載能力、降低轉動慣量以及簡化維護方麵都受到了很大限製。自20世紀70年代起，隨著交流傳動矢量控製理論的產生及其應用推廣，目前鋼鐵工業全交流化已經在冷板帶連軋機、中厚板軋機、線棒軋機、型鋼軋機、鋼管軋機包括主、輔傳動等領域已經實現，軋機采用交流變頻器越來越多。
軋機傳動對電氣傳動係統的要求： 電(dian)氣(qi)傳(chuan)動(dong)係(xi)統(tong)做(zuo)為(wei)電(dian)能(neng)與(yu)機(ji)械(xie)能(neng)的(de)轉(zhuan)換(huan)環(huan)節(jie)，應(ying)滿(man)足(zu)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)的(de)要(yao)求(qiu)，同(tong)時(shi)又(you)要(yao)適(shi)應(ying)電(dian)網(wang)的(de)要(yao)求(qiu)，實(shi)現(xian)高(gao)效(xiao)率(lv)運(yun)行(xing)和(he)高(gao)水(shui)平(ping)生(sheng)產(chan)。選(xuan)擇(ze)軋(zha)機(ji)主(zhu)傳(chuan)動(dong)電(dian)機(ji)調(tiao)速(su)係(xi)統(tong)時(shi)考(kao)慮(lv)一(yi)下(xia)因(yin)素(su)：
1) 滿足工藝要求和傳動係統的性能指標
電機調速係統應滿足軋製材料的生產所要求的軋製功率、轉矩、轉速、調速範圍，根據軋製的最大負荷確定傳動係統的過載能力，同時要考慮電機是否可逆運轉、加減速時間、恒轉矩和恒功率運行的範圍等。而作為電氣傳動係統，還應考慮電機調速控製係統的性能指標、速度控製精度、轉矩或電流控製的動態響應、速度控製的動態響應等。
2) 適應電網要求
genjudianqichuandongxitongzhongdianjihedianlidianzijiaohuanqidenengliangjiaohuanxiaolv，dianlidianzijiaohuanqizhurudianwangdedianliuxiebohegonglvyinshushifoumanzugongdianxitongdeguidingheyaoqiu，kaolvshifouzengjiaxiebolvboyuwugongbuchangzhuangzhi。
扁鋼軋線項目組通過多次技術論證和實地考察，最終選擇了英威騰IPE200整流回饋多傳動方案。
2.1 軋線主電機技術參數
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型號 |
功率 |
轉速(rpm) |
額定電流 |
數量 |
設備名稱 |
備注 |
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YJP200M-8 |
200kW |
500-1000 |
361—501A |
5台 |
連軋主機 |
帶編碼器 |
|
YJP280X-8 |
280kW |
500-1000 |
502—708A |
2台 |
連軋主機 |
帶編碼器 |
|
YJP280X-8 |
280kW |
500-1000 |
502—708A |
1台 |
初軋主機 |
不帶編碼器 |
備注：
1) 其中一台是初軋軋機，帶慣性大飛輪。啟動力矩大，停止慣性大。
2) 通訊要求：DP通訊。
3) 閉環控製：德國倍加福軸套式編碼器，工作電壓DC24V，每周脈衝數1024，數量7個。
2.2 係統調節精度要求
1) 係統調節精度----------0.1%；
2) 靜態速降--------------0.1%（空載）；
3) 動態速降--------------2%（帶載）；
4) 恢複時間--------------200ms。
2.3 變壓器容量
2500kVA 輸出電壓400V
三、係統方案
根據項目特點和應用要求，軋機主傳動等采用英威騰IPE200係列四象限矢量變頻器。IPE200係列四象限矢量變頻器由配電櫃、PWM整流回饋櫃和逆變櫃三部分組成，其中配電櫃和PWM整流回饋櫃組成變頻器的PWM整流回饋部分，逆變櫃則包含了變頻器的逆變部分。用戶可以根據實際需要靈活選配PWM整流回饋部分（包含配電櫃和整流櫃）和逆變部分。
整流櫃由PWM整流單元組成，該整流單元采用三相交流電源輸入，實現了上電預充電功能並可以提供穩定的直流母線電壓。PWM整流單元采用IGBT做整流橋，用高速度、高運算能力的DSP產生PWM控製脈衝。一方麵可以調整輸入的功率因數，消除對電網的諧波汙染，讓變頻器真正成為“綠色產品”；另一方麵可以將電機製動產生的能量回饋到電網，達到節能的效果。
3.1 整流回饋選型
1) IPE200係列整流器選型及配置
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型 號 |
輸出功率 |
輸入AC |
輸出DC |
數量 |
備注 |
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IPE200-96-1200-4 |
1200kW |
2280A/400V |
1920A/680V |
2組 |
配電櫃+整流櫃 |
備注：1、進線櫃包含隔離開關、框架式自動空氣斷路器、電流互感器、指示儀表等。饋電櫃包含濾波電抗器、上電緩衝電路等。
2、由於係統的電流較大（按1920A*2計），整流/回饋裝置分為二組，每組二台櫃，每櫃內置3個200kW功率單元，每組1200kW，共計2400kW。四台櫃共12個200kW整流回饋功率單元並聯運行。
2) 整流回饋並聯
3) PWM整流回饋係統工作原理
PWM整流單元的主回路由主接觸器，預充電電路，LC濾波電路、輸入主電抗器、IGBT功gong率lv模mo塊kuai，電dian解jie電dian容rong等deng組zu成cheng。控kong製zhi上shang采cai用yong雙shuang閉bi環huan控kong製zhi結jie構gou，其qi外wai環huan為wei母mu線xian電dian壓ya環huan，內nei環huan為wei電dian流liu環huan，通tong過guo對dui電dian源yuan電dian壓ya的de相xiang位wei檢jian測ce和he坐zuo標biao變bian換huan以yi及jiPI調節器的調節作用實現對電網輸入電流的有功分量和無功分量的獨立控製，當控製無功電流分量為0值時，就可實現整流器功率因數接近於1和能量的雙向流動。
備注：上圖中AVR為自動電壓調整模塊；ACR為自動電流調整模塊；VD為矢量控製模塊；PWM為脈寬調製；PLL為鎖相環；L1、R1、C1為電源濾波器；L2為升壓電感；R0為上電緩衝電阻；MC為上電緩衝接觸器；Edc為母線電壓，其中帶“*”的為設定值，不帶的為檢測值，θ為網側電壓相位角。
PWM整流回饋單元通過自動電壓調節器（AVR）調節整流器輸出母線電壓，維持母線電壓為一個恒定的設定值；同時自動電壓調節器（AVR）的輸出作為自動電流調節器（ACR）的輸入，PWM整流器根據所檢測的三相電流來控製自動電流調節器（ACR）的輸出。PWM整流器檢測三相輸入電壓，並通過鎖相環（PLL）來計算電網的實時相位，保證PWM整流器輸出的電壓相位與電網實際相位同步，前麵所提到的自動電流調節器（ACR）的輸出通過空間電壓矢量調製方式轉換為控製IGBT的驅動信號，實現PWM整流器的控製。
PWM整zheng流liu回hui饋kui部bu分fen與yu逆ni變bian部bu分fen一yi起qi組zu成cheng四si象xiang限xian變bian頻pin器qi，四si象xiang限xian變bian頻pin器qi的de典dian型xing應ying用yong場chang合he是shi具ju有you位wei勢shi負fu載zai的de場chang合he，例li如ru提ti升sheng機ji，機ji車che牽qian引yin，油you田tian磕ke頭tou機ji，離li心xin機ji等deng，有you些xie大da功gong率lv的de應ying用yong中zhong，也ye需xu要yao四si象xiang限xian變bian頻pin以yi減jian小xiao對dui電dian網wang的de諧xie波bo汙wu染ran。采cai用yong帶dai有youPWM控kong製zhi整zheng流liu器qi的de變bian頻pin器qi具ju有you四si象xiang限xian運yun行xing的de功gong能neng，能neng滿man足zu各ge種zhong位wei勢shi負fu載zai的de調tiao速su要yao求qiu，可ke將jiang電dian機ji的de再zai生sheng能neng量liang轉zhuan化hua為wei電dian能neng送song回hui電dian網wang，達da到dao最zui大da限xian度du的de節jie能neng目mu的de。
整流回饋部分對交流電源過壓、缺相故障、IGBT模塊過熱、過流、過載、預(yu)充(chong)電(dian)之(zhi)前(qian)的(de)整(zheng)流(liu)單(dan)元(yuan)控(kong)製(zhi)電(dian)源(yuan)進(jin)行(xing)監(jian)控(kong)，出(chu)現(xian)任(ren)何(he)故(gu)障(zhang)時(shi)都(dou)會(hui)導(dao)致(zhi)整(zheng)流(liu)單(dan)元(yuan)封(feng)鎖(suo)驅(qu)動(dong)脈(mai)衝(chong)並(bing)發(fa)出(chu)一(yi)個(ge)故(gu)障(zhang)信(xin)號(hao)。通(tong)過(guo)交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)或(huo)控(kong)製(zhi)電(dian)源(yuan)的(de)重(zhong)新(xin)上(shang)電(dian)可(ke)複(fu)位(wei)故(gu)障(zhang)信(xin)號(hao)。
3.2 逆變傳動選型
1) IPE200係列逆變櫃選型及配置
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型 號 |
輸出功率（kW） |
輸入電流DC（A） |
輸出電流AC（A） |
數量（套） |
櫃體尺寸 | |
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680VDC |
IPE200-56-0400-4 |
400 |
640 |
760 |
5 |
700*2300*600 |
2) 共直流母線
PWM整(zheng)流(liu)回(hui)饋(kui)部(bu)分(fen)將(jiang)三(san)相(xiang)交(jiao)流(liu)電(dian)整(zheng)流(liu)為(wei)直(zhi)流(liu)電(dian)向(xiang)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)電(dian)路(lu)供(gong)電(dian)，直(zhi)流(liu)電(dian)路(lu)向(xiang)驅(qu)動(dong)電(dian)機(ji)的(de)逆(ni)變(bian)器(qi)供(gong)電(dian)。直(zhi)流(liu)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)隻(zhi)連(lian)接(jie)一(yi)個(ge)逆(ni)變(bian)單(dan)元(yuan)，也(ye)可(ke)以(yi)連(lian)接(jie)多(duo)個(ge)逆(ni)變(bian)單(dan)元(yuan)，具(ju)體(ti)用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)靈(ling)活(huo)配(pei)置(zhi)。
四、現場設備係統調試
主控台通過操作台及上位機對整個軋線進行集中控製和監控，S7-300通過Profibus-DPxianchangzongxianyubianpinqijinxingdongtaishujudejiaohuan，wanchengzhenggezhaxiandesudujiliankongzhi。shangweijizaixianshishilejiebianpinqiyunxingzhuangtai，suoyoushujuzaipingmushangyimuleran。tiaoshihouxiaoguoxianshijizhongcaozuofeichangjianbian，xitongyunxingwendingkekaojichengdutigao，chanpinzhiliangheshengchanxiaolvyedadatigao。
4.1 軋線係統結構圖
以下為采用英威騰公司IPE200四象限產品的軋線係統結構圖。
4.2 上位機組態
4.3 設備調試
列舉K5軋輥的帶載運行圖，動態響應在500ms，滿足生產需求。
圖表說明：紅色---速度跌落 棕色---轉矩電流
現場設備圖片
五、結束語
英威騰IPE200交流傳動係統在扁鋼生產線軋機主傳動上的成功運用，是國產變頻器在軋鋼生產線上成功嚐試，大幅提高了生產線的運行效率；由於采用了PWM整流器，提高了變頻係統輸入的功率因數，降低惡劣係統對電網的諧波汙染，讓變頻器真正成為“綠色產品”；同時由於變頻可以四象限運行，因而可以將電機製動產生的能量回饋到電網，達到節能的效果。IPE200交流傳動係統以其先進性、可靠性和穩定性贏得了客戶的認同；也提高了企業產品的產量和質量，滿足了生產工藝要求，進而提高了產品效益。
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[6]《IPE200係列四象限矢量變頻器說明書》 深圳英威騰電氣股份有限公司
關於英威騰：
英威騰，成立於2002年，致力於成為全球領先、受人尊敬的電氣傳動、工業控製、新能源領域的產品與服務供應商，2010年在深交所A股上市，股票代碼：002334。英威騰是國家火炬計劃重點高新技術企業，目前擁有11家控股子公司，依托於電力電子、自動控製、電機控製、節能環保、物聯網、信息化等關鍵技術的掌握，主要產品涵括高、中、低壓變頻器、電梯智能整體機、伺服係統、PLC、HMI、電機和電主軸、SVG、UPS、光伏逆變器等。英威騰現有員工1600多人，大型生產基地4個，營銷網絡遍布國內及海外60多個國家和地區。
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