变频技术在带钢卷板机上的应用

王 刚

（本钢板材股份有限公司，辽宁本溪 117000）

0 引言

本钢热轧带钢生产线是本钢的重要生产创效项目，对于提高经济效益有着关键作用。三热轧项目的电气部分有东芝三菱TMEIC 公司的全数字化变频传动装置。其中TMDrive-30/10 是中小容量的交流电机高精度、高效率可变速控制的全数字·矢量控制方式的正弦波PWM 逆变器装置。TMdrive-30 三电位的电压通过PWM 控制，实现了近似于正弦波的电压输出并有效地抑制了高谐波。转矩的波动得到了有效地控制。变频装置是将进线的交流电通过整流器变成三电平的直流电，再由逆变器变成可被电机使用的新交流电。TMdrive-30/10 变频系统逆变单元采用的功率器件是IGBT，整流器采用可控硅，部分采用IGBT。

1 可控硅和IGBT 结构和特性

可控硅由两个PN 节串接构成（图1），相当于两个三极管PNP 型和NPN 型反串联形式接在一起。其特性类似于真空闸流管，国际上通称为硅晶体闸流管，在性能上，可控硅有导通和关断两种状态。可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流降低，因此标称电流应降级使用。可控硅可用小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花和噪声；效率高，成本低等。可控硅相对于IGBT 而言，是晶闸管的早期产品，IGBT 是后期产品，可控硅容量比IGBT 大。

2 卷板机及其TMDrive-30/10 变频系统

图1 可控硅

卷板机主要由主卷筒、助卷辊、上下夹送辊、压下辊、活动支撑等组成，功能是将轧机轧出的较长带钢单向卷成钢卷，以方便运输和保证带钢质量。为保质量，带钢在卷曲过程中，主卷筒要配合轧机，与轧机出钢速度相匹配，但卷筒速度略大于轧机出钢速度，这样使主卷筒和轧机之间的带钢保持一定的张力来保证卷形。当轧机末架抛钢后，为了继续保证板形，主卷筒升速，直至带钢尾部进卷板机后才减速。但如果主卷筒电机输出转矩过大，那么流过电机的电流过大，使得电机可能出现过流或带钢被拉长，板形不好，影响产品质量，所以在卷板机使用变频系统是必不可少的。卷板区域主要使用的变频装置是TMDrive-30/10 变频系统。

2.1 TMDrive-30/10 变频系统特点

（1）高性能和多功能。采用了功率电子控制专用的微处理器，实现了快速响应功能高性能。可实现各种控制切换。装有高速光纤数据通信装置（TL-S20）。

（2）小型化，易维护。实现盘柜的小型化，采用正面维护构造。

2.2 控制原理

采用二极管钳位，PWM 三电平NPC 电路控制，运用矢量控制理论和直接转矩控制，解决了功率元件的均压问题，电机调速系统的性能和可靠性得到很大提高。

对于由3 个桥臂组成的三相逆变器，根据三相桥臂U、V、W 的不同开关组合，最终可得到三电平变频器的27 种开关模式。三电平PWM的控制指令是主控系统根据U/f 控制或者矢量控制等控制策略得到的空间电压矢量给定值Uri=r（θ），它以某一角速度在空间旋转，其幅值正比于输出电压幅值，其旋转角频率正比于输出电压频率。

2.3 卷板机各辊及相应的变频传动系统

3 号卷板机示意如图2 所示，卷板机各辊及相应的变频传动系统见表1。

图2 3 号卷板机示意

表1 卷板机各辊及相应的变频传动系统

3 变频系统在卷板机上的应用

卷板机大致分为以下4 种工作状态。

（1）停车状态。卷板机的主卷筒、成型辊、夹送辊都处在静止状态。

（2）待机状态。卷板机在未卷钢时所处的空转阶段。

（3）工作状态。咬钢状态，卷板机处于卷钢时刻。

（4）对中状态。卷板机刚卷完带钢后，钢卷并未从卷板机中取出，而且操作人员手动将钢卷尾部调整到合适位置，然后卸出。变频设备均在上电状态的情况如下。

（1）在第一种状态时，由于卷板机的主卷筒、助卷辊、夹送辊都处在静止状态，所以变频器没有对电机输出功率，无电压输出。逆变单元的功率元件IGBT 的门电路处于封锁状态，IGBT未工作。

（2）在第二种状态时，卷板机处于整体空转状态下，各个电机为低速“爬行”的运行方式。这种状态不要求变频装置对电机有高精度、大功率的输出，变频器只运行在低电压，低频率的工作模式下，相对于工作状态来说，能耗要小很多，有一定的节能作用。

（3）在第三种状态下，还要分为3 种状态来看：①轧机末架F7 刚要出钢，而卷板机正处于“爬行”状态时，F7 一出钢，卷曲变频装置输出的电压和频率逐步提高，卷板机立刻开始升速。当卷板机速度即各个辊的线速度达到F7 出钢速度后，卷板机停止升速，变频器电压和频率输出恒定。F7 开始出钢。②当卷板机刚一咬钢时，变频器的输出功率开始增加，为了保持带钢卷曲质量，在主卷筒和轧机之间要保证一定的张力，所以主卷筒的变频输出电流变大，电压和频率都有所提高，转速也略大一些。③当轧机末架F7 刚刚抛钢时，为了平衡主卷筒的大转矩不使其速度突然变化，逆变器会适当降低输出功率，减小电压和频率来调整卷筒速度。同时为了保证带钢卷形，主卷筒会和上下夹送辊之间建立一个张力平衡。为了张力的建立，夹送辊的逆变器将改变工作方式，上下夹送辊的逆变器将会在电机的带动下，产生制动力矩，产生与原来方向相反的电流，但转动方向并不改变，直至卷钢结束。

（4）在第四种状态时，操作人员要对带钢尾部进行“对中”，这就使主卷筒在助卷辊的帮助下，进行正转反转，逆变器要改变导通角来实现。

4 结论

卷板机各辊的速度、转矩等的变化，都与变频器的压频比的变化是分不开的。大型传动系统TMDrive-30 和辅助传动系统TMDrive-10 能够满足卷板机对电气传动系统的高速响应和高过载能力的需求。同时，变频器的使用提高了设备的使用效率和功率因数。