ACS6000交流传动系统在铝冷轧机主传动中的应用

韦云松

（广西南南铝加工有限公司，广西 南宁53003）

广西南南铝加工有限公司于从德国西马克公司引进一台2 800 mm六辊CVC不可逆铝冷轧机，该轧机是目前国内最大宽幅的铝冷轧机，轧制力最大达到32 MN，速度最高为1 200 m/min，主电机最大功率为9 000 kW，传动系统要求具有单机功率容量大、具有很高的动态响应速度、很大的过载能力和高精度的转矩速度控制。

本文以广西南南铝加工有限公司的西马克六辊CVC单机架冷轧机为例来介绍ABB ACS6000中压变频器在冷轧机主传动中的应用。主要介绍ABB ACS6000中压变频器在实际应用中的几个功能单元原理及其功能介绍。

1 2 800 mm单机架冷轧机介绍

2 800 mm单机架CVC六辊不可逆冷轧机在常温状态下，将合格的、材质为铝及铝合金带卷，经多道次不可逆冷轧，生产出满足厚度、品质要求的合格冷轧铝带卷。该冷轧机由1台开卷机、1台轧机和1台卷取机组成，如图1。

图1 冷轧机传动系统图

整个传动系统由一套ABB公司ACS6000中压多传动系统实现。在轧制过程中，卷取机处于电动状态，开卷机处于制动状态，制动产生的能量，通过公共直流母线传递到卷取机上，而无需电网的负担，从而降低了对电网功率的需求，电网的额定容量与独立的传动配置相比，降低了近50%。

该冷轧机装配有ABB公司的2×7MVA整流变压器，ABB公司的ACS6000中压传动变频器以及湘潭电机厂的交流同步电机，开卷电机功率为2 270 kW，主电机为9 000 kW，卷取电机为3 102 kW，目前在国内铝冷轧机中，装机功率最大。

2 ACS6000中压变频器介绍

在铝加工行业，轧机传动系统要求具有快速、平滑、精确地转矩控制，在整个速度范围内，具有瞬间高峰值的负载能力，而且要求具有静止状态时全扭矩可用。

ABB公司的ACS 6000变频器是采用模块化设计，分有线性供电单元（LSU）、有源整流单元（ARU）、逆变单元（INU）、电容组单元（CBU）、控制单元（COU）、水冷单元（WCU）等等模块，可以根据冷轧机的工艺要求和电机功率灵活组合配置，组成单电机传动、多电机传动、冗余传动和孪生传动共4种传动方式。而且ACS6000具有DTC（直接转矩控制）功能，可以实现高精度的转矩和速度控制，转矩响应时间最小达到2 ms，整套传动装置采用无熔断器设计。

2.1 南南冷轧机主传动系统配置

广西南南铝加工有限公司于2011年1月份引进德国西马克公司的2 800 mm六辊CVC单机架冷轧机，传动采用了ACS6000交流传动系统，配置有2台2×7 MVA整流变压器、2个2×11 MVA有源整流模块、4个逆变模块(开卷功率为5 MVA、卷取功率为7 MVA，主电机功率为2×9 MVA)、3个励磁模块、3个控制模块、水冷模块、3台交流同步电机和测速编码器等组成。3台交流同步电机由湘潭电机股份有限公司设计制造，最大可承受115%连续过载和150%20 s过载。整体组成结构如图2所示。

图2 ACS6000系统图

2.2 有源整流模块(ARU)

冷轧机主传动系统采用2套2×11 MVA有源整流模块并联，为了降低谐波干扰，2个整流单元的输入电压，分别采用三角形和星型的连接方式，主要功能是将整流变压器的二次侧电压3.16 kV的正弦波电压转变为直流电压4 840V，控制单元自动监控直流母线上的电压以及电流，当电机处于电动状态，电流从整流变压器流向整流单元，当电机处于制动状态，电流从整流单元流回到电网中去，如图3所示。

图3 能量流动图

2.3 逆变单元(INU)

南南公司的单机架六辊CVC冷轧机，开卷、主机和卷取均采用交流同步电机驱动，主电机功率达到9 000 kW，采用2个逆变单元并联，开卷和卷取各分别使用1个逆变单元。逆变模块由3组IGCT功率管组成的标准相位模块构成，将直流母线上电压转变为频率可调的交流输出电压，分别驱动开卷机、主机和卷取机共3台交流同步电动机。

图4 ARU(INU)电气结构原理图

2.4 励磁单元(EXU)

冷轧机开卷电机、卷取电机和主电机的励磁电源，分别由独立的励磁变压器和励磁整流单元提供。用于调整电机转速基数以上的弱磁控制，给电机转子提供励磁电流，分别使电机转子和定子产生旋转磁场，带动电机轴同步旋转。

2.5 水冷单元(WCU)

IGCT功率模块在使用脉宽调制方式通断工作过程中，产生很大的热量，传统的冷却方式是采用散热片加冷却风机进行散热，长时间使用后，由于散热积灰和风机老化，冷却效果大大降低，减少功率模块的使用寿命。

ACS6000的IGCT功率模块采用自循环的去离子水进行冷却，冷却水直接与IGCT发热体接触，吸收晶闸管的热量，并通过板式换热器与车间循环冷却水进行散热。水冷系统有2台泵(一备一用，切换时间可自由设定，一般建议12 h切换1次)、一个热交换器，配有水流量、压力、液位、温度和电导率等检测。

3 直接转矩控制(DTC)

ACS6000具有直接转矩控制（DTC）功能，它提供了精确的转矩和速度控制，使得变频器在零转速时，可以提供最大的启动转矩，既便于控制，又有利于平滑运行，充分地发挥了同步电机功率因数高、输出转矩大而转动惯量小的特点。直接转矩控制（DTC）控制理论，能够实现转矩响应时间比传统的磁通矢量或脉宽调制控制方式快10倍；最小的转矩纹波；精确的静态速度和转矩控制。

图5和图6分别显示ACS6000交流传动系统直接转矩控制的原理和典型的动态速度响应。

图5 同步交流电机直接转矩控制(DTC)方框图

图6 典型的动态速度响应

ACS6000交流传动系统的关键器件，为集成门控换流晶闸管IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors），是ABB公司专门为中压变频器开发的功率半导体开关器件，它把门极驱动电路和门极换流晶闸管GCT合在一起，作为一个整体器件，减少变频器的元件数量，从根本上降低了变频器开关元器件设计的复杂程度，直接采用去离子进行冷却，提高了使用效率和可靠稳定性。

4 结束语

ACS6000采用的IGCT技术，是基于成熟的GTO技术，并且IGCT已在中压变频领域内成功地应用了5年时间。由于采用无熔断器设计，避免使用不可靠的熔断器，因而提高了整体可靠性。西马克冷轧机配置ABB的ACS6000交流传动系统，不仅提高了设备的先进性、可靠性和稳定性，而且应用了三电平交一直一交变频传动技术，控制主传动同步电机，大大降低谐波影响改善电网品质，功率因数几乎等于1，提高了冷轧机的运行效率；同时也提高轧制产品的产量和品质，满足了铝硬合金生产工艺要求，提高了效益。

[1]广西南南铝加工有限公司.冷轧机技术文件[Z].南宁：广西南南铝加工有限公司，2011.

[2]ACS6000技术样本（同步电机和异步电机的速度和转矩控制）[Z].北京:北京ABB电气传动系统有限公司,2003.

[3]Operating Instructions ACS 6000 with Active Rectifier Unit(ARU)[K].Switzerland:ABBSwitzerland Ltd,2006.