穿孔机中压传动系统中不间断电源国产化升级改造应用

吴 飞，宫 涛，马 佳，常云键

（天津钢管制造有限公司，天津 300301）

天津钢管制造有限公司（简称天津钢管）Φ460 mm 连轧管机组穿孔机主传动系统使用SVGN 交直交中压大功率变频器中压传动，驱动2 台6 500 kW主电机。SVGN 的功率元件采用IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）集成门极换流晶闸管元件。IGCT 门极的控制电源由系统的UPS（Uninterruptable Power System，不间断电源）提供，UPS 供电质量决定IGCT 运行的稳定性。

1 穿孔主传动系统工作环境及使用目的

穿孔主传动系统是确保热轧无缝钢管从实心钢坯实现空心毛管轧制的重要传动系统。Φ460 mm连轧管机组穿孔主传动系统使用的2 套IGCT 原件为某公司生产的5SHY35L4510 型。此型号的IGCT工作环境要求门极供电压U 为48～80 V，频率f 为15～100 kHz 方波。Φ460 mm 连轧管机组在实际应用时，使用了ALIBT 型号的电源板和隔离变压器将进线230 V 电源变为288 V/58 kHz 方波电源，通过4 ∶1的隔离变压器最终输出72 V/58 kHz 方波电源电压，此电源为 IGCT 门极供电［1］。

使用UPS 元件在于保证电源输出波形正常，确保IGCT 门极触发稳定性。当存在IGCT 模块的上下半桥因门极供电不稳定造成关断延迟，就会出现桥臂直通现象，这样会对设备造成严重损失［2］。

2 SVGN 系统存在的问题

由于近年来新品开发力度和生产任务不断加大，对穿孔主传动系统传输效率和准确性提出了更高要求。多年的高负荷运行使得该SVGN 系统中的随机配套元件——UPS 元件在使用中曾经因主机故障进行过更换，更换后的设备多次出现IGCT 故障报警，下线检查发现电路管没有出现击穿现象。对UPS 供电波形和IGCT 的门极供电波形进行采集，分析后发现UPS 的输出电源波形不好，并不是标准的正弦波，而且门极方波电压毛刺较多，这就导致了IGCT 门极供电电压的不稳定。

不稳定的门极供电是造成IGCT 频繁出现门极故障的主要因素，另外在UPS 使用中还发现UPS在停电后启动时，如果同时给TM03、TM04 变压器送电会造成UPS 报警，自动切换到旁路状态，这就造成传动柜无法正常送电。对UPS 后备电池进行测试，发现在进线断电后UPS 也同时断电，没有起到后备供电作用。下线检查发现UPS 蓄电池大部分已经无法充电。造成UPS 输出电压出现畸形，从而导致IGCT 在工作中出现异常（图1）。

图1 故障电压波形

从故障波形可以看出，在中压传动中UPS 输出电源波形的好坏对系统的稳定性十分重要。UPS要能够提供安全、干净和稳定的正弦波电源给负载设备，电源不能受任何因素的干扰［3］。

3 实现穿孔主传动系统整体UPS 供电

从前由于Φ460 mm 连轧管机组穿孔整个中压控制系统采用信息配置AMS（Application Management System）应用管理系统集中控制，通过AMS输出控制信号，经XHFILPRO 型号的传动系统控制板来控制IGCT 的导通和关断。整个系统对IGCT门极供电的停送电顺序有严格要求，通过柜内的延时继电器对设备进行逐级送电，在停电时要求先中断IGCT 的触发信号，然后再断开门极控制电源，这样才能保证IGCT 正常运行。如果设备在正常使用时外部电源出现异常跳闸或其他原因造成设备停电，使IGCT 的控制顺序出现异常，势必会造成大范围 IGCT 元件门极故障［4］。

若整个设备的逻辑控制电源都是通过UPS 供电，这样既可以保证在电网出现异常波动或断电时，使设备能够按程序控制要求中断，防止事故扩大化；同时UPS 对供电电源能起到滤波、稳压的作用，保证供电电源的可靠稳定［5］。可靠稳定的供电电源对于IGCT 来说是十分重要的。

4 UPS 系统升级改造

4.1 UPS 标准件选型

通过走访同类企业，向国内外多家UPS 专业生产厂家进行技术交流，了解到当前大多企业采用的是某公司工业用中小功率FR-UK-PG 系列UPS。该款UPS 专为工业制造业使用环境设计，是真正的工频双变换在线式高性能正弦波UPS，采用先进的工业级功率器件、性能优越的SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）正弦脉宽调制逆变器及智能化多模式电池管理技术等先进技术。这些先进技术大多满足天津钢管生产要求，但对于热轧无缝钢管穿孔轧机现场高产量、多规格、强载荷的实际情况，该FR-UK-PG 系列UPS 原件输出电压为零线对地，无法满足供电要求，不适用现场生产［6-7］。

4.2 UPS 非标准件定制

考虑到热轧无缝钢管穿孔轧制使用的是上下两辊，在UPS 重新选型过程中，要求一旦穿孔机上下辊两台主机有一台UPS 出现故障无法开机时，使用另一台UPS 可以带起两台主机的负荷［8-9］。因此要对UPS 容量进行增容选型［10］。工作容量由10 kVA 增加至 20 kVA，将 FR-UK-PG 系列 IGCT 元件门极供电电压72 V，频率58 kHz 方波电压（其中阴极直接连通直流母线）进行非标准定制，以避免由于门极供电电源故障产生接地点引入直流母线。

为此，将UPS 输出电压改造为浮地系统，即输出两根线都是相线，每根线对地115 V。增加1台旁路隔离变压器并将输出隔离变压器的零线进行不接地处理，保证改造后的UPS 元件满足系统供电要求。另外，增加了UPS 干接点报警功能，增加UPS 主机的“电池低压、市电异常、UPS 故障、UPS 过载”等4 个继电器干接点。这4 个干接点信号输出到传动装置主机的AMS 框架内进行故障管理。当UPS 出现故障信号，穿孔机主机会立即跳闸以避免造成故障扩大化。

4.3 UPS 后备电池采用冗余设计

改造后的UPS 直流电压采用低电压高电流设计，直流电压为192 V；电池的串联节数为16 节。后备电池总数为32 节，这32 节电池采用冗余设计；即每组16 节电池串联，然后这两组串联电池组并联。这样一旦一组串联电池组中出现一节电池内阻升高或开路以后，另外一组后备电池仍然能够实现稳压吸振及电网突然断电以后的应急供电功能。电池在选型过程中采用长寿命电池，电池在恒定的环境温度下，电池寿命高达6 年。

4.4 增加MMBM-2 智能电池监控系统

MMBM-2 智能电池监控系统专为UPS 蓄电池的日常监测维护而设计，由电池监测采集单元和集中通信监控器组成，采用专业的数字化控制技术、RS485 数据传输和在线监测管理系统，可在线实时监测、记录UPS 蓄电池组中任何一节电池的端电压、充放电电流、电池表面温度等参数，独有的在线容量分析技术与智能告警功能可以帮助维护人员精确查找出电池组中的落后单体，有效降低电池检修和维护工作量，提高系统工作的可靠性和测试的安全性。

电池监控系统共有电池异常、通信异常、单体异常、温度异常4 个报警。当所监控单节电池电压低至10.2 V，关断监测单元电源，系统出现电池异常报警。当所监控单元与集中监控器通信异常，出现通信异常报警。当单节电池电压与单节电池平均电压相比，差值大于设置差压值，系统出现单体异常报警。当某节监测温度超过40 ℃或低于15 ℃时进行温度异常报警，所有电池单元温度监测低于37 ℃或高于18 ℃时恢复正常。

5 应用效果

这2 套UPS 投入运行后工作正常。UPS 主机额定输出电压231.1 V；旁路输出电压为222～229 V（随着电网电压波动）；主机的负载率在变频器空载时为20%，随着轧制负荷的不同IGCT 的门极功率会随之升高，因而UPS 的负载率会上升至25%左右；后备电池的电池电压在13.48～13.78 V，电池表面温度在30 ℃左右。通过多次用示波器观测UPS输出电压波形稳定，正弦度良好，如图2 所示。

6 结 语

图2 改造后输出电压波形

该项目改造历时一年，投用的新型UPS 元件已使用两年有余。Φ460 mm 连轧管机组穿孔中压主传动系统的IGCT 故障发生频次由改造前平均两三个月一起，降至如今再未发生过此类故障，效果显著。在日常巡检和检修维护方面也相当便捷，利用MMBM-2 智能电池监控系统可以实时监控电池的电压和温度。在设备刚刚投入使用的时候上辊UPS 出现电池温度异常报警，电池监控系统很清晰地显示了异常电池的编号、电压和温度情况，可以很快地对异常情况进行处理，节省了排查时间和处理时间。这套设备的投入使用不但保证了设备的正常运行，同时节约了大量备件费用。