直流调速技术在钢厂中的应用

崔耀辉

(中国三安建设有限公司，陕西 西安 710043)

1 生产工艺概况

生产流程:钢坯自加热炉加热达到生产温度后，由钢坯输送辊道运送至粗轧区开始线材的轧制，经过粗轧、中轧、预精轧、精轧机等一系列轧制过程后，通过吐丝机进入风冷线，最后在线圈成型区打捆成卷、称重出厂。

当生产线上出现事故时，系统可根据发生事故的区域制动相关的轧机，并启动1#，2#，3#飞剪碎断轧件，以避免事故继续扩大。

由于连轧工艺对轧机主传动有严格的要求，以确保合格产品的产出率，因此为了动态的满足“各机架间金属(轧件)秒流量相等”这一基本原则，要及时快速的不断调节相关轧机的电机转速来调整轧辊转速，并消除各种外来因素带来的干扰。这就要求轧机电机主传动的调速范围大;调速精度高、静态速降小;动态速降小、恢复时间短。而且轧机在咬钢时会导致电机转速的瞬时下降，这就要依靠传动系统的动态调节作用使转速及时恢复，否则相邻机架间金属秒流速会失去平衡，容易引起事故。

2 直流电气传动系统的构成

本条高速线材生产线共有26台轧机，其中粗轧、中轧、预精轧等机架均采用由直流电动机拖动，共16台，另有飞剪、碎断剪、吐丝机前夹送辊及吐丝机等6台设备也采用了直流电动机拖动。直流电机调速系统均采用ABB DCS800系列传动(以下简称 DCS800)，例如粗中轧机组采用的 DCS800－A01系列单桥式直流传动，吐丝机等采用的DCS800－A02系列双桥式直流传动。DCS800直流传动系统由整流变压器供电，直流电动机的电枢回路，采用三相全控桥式电路，励磁回路为独立的两相半控桥电路。

主传动电机的负载能力均设计为115%连续运行，在基速以下运行时，175%过载10 s;在最高速运行时，150%过载10 s，周期为 60 s。

2.1 电气主回路

2.1.1 整流变压器

晶闸管变流装置要求的交流供电电压与电网电压不一致，同时为了尽量减少电网与晶闸管整流装置的相互干扰，因此需要配备整流变压器，本条高速线材生产线为直流调速系统共配备了10台油浸式整流变压器。

2.1.2 直流调速装置

全线直流电机均由单独的全数字晶闸管整流装置(ABB公司的DCS800系列整流装置)供电，其主要由进线开关、进线电抗器、整流单元、励磁单元等组成。调速方式为速度、电流、转矩3闭环控制。每台传动配备一个单独的操作面板CDP312，安装在传动柜门上，便于就地操作。来文来自博研论坛 http://bbs.myboyan.com

1)进线电抗器:用于电枢(DCS800)和磁场(DCF800)的供电回路。

当晶闸管整流模块运行时，晶闸管换流期间，进线电压会产生瞬时短路。这种现象会造成主电路的电压缺口，因此对于连接到主电网上的整流器，需要配置进线电抗器。

在沙钢高线直流传动系统中，都是一台整流变压器为2台直流电动机调速系统供电的。

2)整流单元(电枢回路):

在DCS800系列产品中，整流单元变流器模块根据负载额定电流的大小，其产品分为以下几种:

D1－D4型20－1000A，D5型 900－2000A，D6型 1900－3000A，D7型 2050－5200A

在沙钢高速线材生产线中，粗中轧、吐丝机、SH1及 SH2飞剪电动机变流器选择的是 D5型结构，H15/16预精轧电动机变流器模块选择的是D6型结构，吐丝机前夹送辊、SH3及CSH4飞剪电动机变流器模块选择的是D1～4型结构。

3)励磁单元

沙钢高速线材生产线直流调速系统的励磁单元为DCF503B－0050/DCF504B－0050两相半控桥励磁变流器。

这两种励磁变流器都是基于相同的控制板SDCSFEX4。该板配置有自同步和电流控制功能。电流测量电路基于额定电机励磁电流自动换算。励磁变流器由电枢变流器的串行通讯来监控。

控制单元

控制单元包括以下几个主要部分:

微处理器 H8用于电流同步控制和故障处理。

t两个实际励磁电流测量通道。

基于标准CAN的通讯协议的H8控制器。

t半控桥的触发驱动回路

软件存储在 flash PROM存储器中。该软件包括:

用于励磁回路电流控制的PI调节器故障复位逻辑

同步和 PLL(锁相环)功能

电流测量通道的设置

电枢变流器通过DCS链的串行通讯设置和更新所有控制参数。通过DCS链的串行通讯，周期发送实际励磁电流给定，电流控制和状态位。同时励磁单元配置了负载分配电阻用于自动换算额定电机励磁电流。

功率部分

功率部分是带反并联续流二极管的两相半控桥。

外部励磁单元 DCF803/DCF804是两相半控桥。进线熔断器、进线电抗器以及变压器必须安装在模块的外部。

在D5电枢变流器内，已经安装好内部励磁单元FEX425。该励磁单元包含进线熔断器与电枢桥的两相连接。这种内部供电连接能被断开，然后连接到一个独立的交流励磁供电电源上。

吸收回路是为了和电枢桥并联运行并共享电枢进线电抗器而设计的。

由于励磁单元由两相相电源供电，所以必须使用端子U和W。对于两相供电，推荐使用能适应电压变化的自耦变压器。

2.1.3 直流调速装置的启动、停止和急停控制

在DCS800直流调速装置中，启动、停止和急停继电器逻辑可分为三部分:

1)ON/OFF和START/STOP命令的产生

K20和K21(自锁继电器)所代表的命令能由PLC产生，并能通过继电器，使用电气隔离或直接通过24V信号，传输到变流器的控制段子上。也可不及硬连接信号而通过串口通讯传输，在一个混合方案里甚至可以通过选择多种可能性，利用一个或多个信号来实现。

2)控制和监控命令的产生

控制电枢回路的主接触器 K1，是由位于 SDCS－PIN－4板或SDCS－POW－4上的干节点(DO8)控制的。

3)OFF2，OFF3停止功能

除了 ON/OFF和 START/STOP(启动/停止)命令外，根据Profibus标准，传动还需要配置两个附加的停止功能OFF2和OFF3。OFF3是一个可升级的停止功能(积分停止，最大转矩停车，动态制动等)来完成停止。该功能应该是连接到一个没有任何延时的急停(E－STOP)按钮上的。一旦选择积分停车，K15定时继电器时间设置必须长于急停积分时间(EStopRamp)。对于自由停车，变流器将立即断开主接触器。

同时OFF2开关则尽可能快速切断直流电源，并准备打开主接触器或将主电源与变流器断开。对于通常的直流电机负载，切断直流电流的时间将小雨20 ms。该功能应该与所有信号和断开主接触器的安全功能相连接。且在变流器再生回馈工作期间，不应该断开主接触器。此时正确的动作顺序为1、断开回馈电流;2、断开主接触器。

当发生事故时，一旦按下急停按钮，信号将立即通过数字输入DI5传输给变流器。一旦选择积分停车或最大转矩停车，则变流器将降低电机转速，然后分断主接触器。

如果变流器再K15定时器设定的时间内，没有完成该功能，则变流器必须通过K16发出命令切断电流。在K16定时器的设定释放后，主接触器将断开。

3 直流调速系统调试的主控项目

3.1 金属秒流量控制

在多机架连轧机的控制过程中，各机架的速度分配至关重要。如果速度分配不准确，不但影响产品质量，同时还会造成堆钢这样的生产事故，轻者产品报废，重者损毁设备甚至危及员工的生命，造成重大损失。为了避免堆钢等事故的发生，必须合理分配各机架速度。通过金属秒流量控制算法，在各机架孔型确定之后，根据所用轧辊直径计算工作直径，并根据金属秒流量控制计算公式。

计算各机架的轧辊速度，再考虑减速比折算到电机控制器控制转速，并根据工艺生产规格建立数据库，上传至监控系统中。这样就可以根据规格变化及时下发至PLC系统，这样即可解决控制精度的问题了。

3.2 动态速降和负载分配控制

根据金属秒流量理论，PLC根据事先设置好的工艺参数，将控制目标下发到各机架电机调速系统中，由其对电机转速进行控制，理论上就能达到控制的要求。但是，直流系统的控制精度和信号扰动都影响着控制的质量。特别是当钢坯进入轧辊的瞬间，电动机由空载状态直接进入负荷状态时，会产生一定的动态速降，若不对其加以补偿，则会造成堆钢等故障。为了保证控制的质量，通过DCS800系统内置的编程功能，可以实现在检测到负载突增的情况时，由DCS800系统给电机叠加短时速度补偿，从而保证动态速降不会给系统带来影响。同时由于辊型、设备磨损、钢坯形状等因素的影响，往往理论计算中得到的电机速度分配系数并不准确。这就需要通过实时在线检测连续轧制过程中各电动机的负载电流，对各机架电动机的速度级联关系进行调整，从而提高系统的控制精度。而且调整后的级联系数可由上位机系统采集并更新数据库中的原有数据，并反推出相关级联关系，这就保证了新规格数据执行时的精确性。而且通过反馈数据和理论计算数据的比较，差异较大的机架会发出报警，这就为设备的保养和维护提供了有效的预警信息。

4 结语

自中国三安公司承接沙钢集团大盘卷项目以来，在经历大盘卷改造项目、沙钢沙景棒线改造项目、年产60万 t高线项目后，事实证明 ABB公司的 DCS800直流调速系统，依靠其保护功能完备、故障诊断功能全面、较易快速排除故障等特点，得到了沙钢业主方的认可与赞扬。在做好设备的定期维护的同时，做好现场检测元件、信号元件、电机等设备的按时点巡检、保养及维护，凭借 ABB系统的稳定、可靠运行，必将保证生产顺利进行，为沙钢带来更大的利益。

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