西門子sm150變頻器的性能特點及中厚板軋機主傳動系統(tǒng)的應用

1 、引言

中厚板軋機主傳動系統(tǒng)的調速方案有直流調速、交交變頻調速、交直交變頻調速等，每種調速方案均能滿足大功率可逆運行、過載能力強、控制精度高、響應速度快、力矩脈動小等軋鋼工藝要求。由于直流電機維護量大且較復雜，已很少在新項目中采用直流調速方案；交交變頻系統(tǒng)在運行時對電網產生的諧波干擾和無功沖擊，嚴重影響到供電電網的質量和效率，需設置相應的動態(tài)無功補償裝置，影響了該調速方案的性價比。隨著電力電子技術及計算機技術的迅猛發(fā)展，采用igct或igbt的交直交三電平變頻調速系統(tǒng)在大容量調速領域逐步發(fā)展成熟起來，它克服了交交變頻系統(tǒng)的缺點，很好地滿足了電網對傳動系統(tǒng)的要求，對電網無污染。

目前，西門子、abb等公司分別推出了各自具有代表性的交直交三電平變頻調速系統(tǒng)，本文以西門子公司的sinamics sm150系統(tǒng)為例介紹其在軋機主傳動系統(tǒng)中的應用。

2、 厚板軋機主傳動系統(tǒng)的選型

西門子公司推出的中壓變頻調速裝置sinamics sm150系列，使2.3kv-7.2kv的大功率中壓變頻調速裝置獲得高動態(tài)性能成為可能。它通過一個真正的標準程序，對0－9000rpm范圍內的傳動速度進行精確的控制。

由于采用成熟可靠的高壓igct器件，使sinamics sm150系列中壓變頻器結構簡單緊湊，而且可靠性極高。電壓源型矢量控制技術，高功率因數，三電平設計，擁有靈活強大的通訊功能，并可根據工藝要求提供多種選件。

sinamics sm150系列中壓變頻器整流和逆變的功率元件采用相同的設計，硬件結構完全一致，采用獨立的水冷單元進行系統(tǒng)冷卻，降低了系統(tǒng)運行的噪聲。

sm150是帶有源前端、可以四象限運行的高性能變頻器，用的是中點鉗位的三電平結構。sm150控制核心使用了simotion d445控制器。其最大單臺功率為10mva，3臺直接并聯(lián)起來可構成28mva的逆變器。sm150也可以構成一個公共直流母線帶幾個逆變器的系統(tǒng)。

sm150典型的功率元件圖如圖1所示。

某鋼鐵公司新建4300中厚板生產線一條，采用雙四輥軋機、可逆軋制工藝布置，粗軋機主電機為兩臺7500kw、3050v的同步電動機，雙繞組結構，空水冷卻方式，額定電流為2×740.8a，轉速為0-40-80rpm，額定勵磁電流為628.2a，最大勵磁電流為1269.2a；精軋機主電機為兩臺9000kw、3150v的同步電動機，三繞組結構，空水冷卻方式，額定電流為3×574a，轉速為0-55-120rpm，額定勵磁電流為514a，最大勵磁電流為1743a。主傳動系統(tǒng)采用sm150并聯(lián)結構，系統(tǒng)主回路拓撲圖如圖2、圖3所示。

3 、sm150 的系統(tǒng)構成

sm150中壓變頻裝置主要由硬件結構相同的整流、逆變功率單元以及水冷單元、勵磁單元、控制單元、檢測模塊、接口系統(tǒng)等組成。其全貌圖如圖4所示。

sm150的整流、逆變單元均由相模塊構成，每個相模塊主要由四塊igct組成，整流單元帶有有源前端；水冷單元主要由熱交換裝置、去離子裝置、泵系統(tǒng)等構成；勵磁單元采用simoreg dc-master 6ra70裝置；控制單元主要由simoTIon d d445組成，控制模塊d445包含和傳動其他部分通訊的以太網接口、dp接口、drive-cliq接口、軟件和傳動程序等，其控制及接口拓撲圖如圖5所示。

檢測模塊主要包括速度檢測模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊、電壓傳感模塊等組成。

接口系統(tǒng)包括與進線變壓器、進線斷路器、勵磁系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、無負荷接觸器、遠程站、pda等系統(tǒng)間的接口，連接方式有硬線連接、以太網通訊、dp通訊、drive-cliq通訊等。其中dp通訊方式采用較為廣泛，以精軋機主傳動系統(tǒng)為例，dp通訊配置拓撲圖如圖6所示。

4 、sm150主要功能

sm150作為西門子公司新一代高性能交直交三電平矢量控制變頻裝置能夠很好地滿足中厚板軋機的各種工藝控制要求，實現(xiàn)方法簡單，設置靈活，其主要功能包括：

靈活的電機保護功能。允許電機過載115%長期運行，電機過載225%運行60秒，電機過載250%運行20秒，電機過載275%產生速斷，保護電機不受損害。

對于同步電動機的控制性能。有速度反饋時的最大輸出頻率為90hz，弱磁調速范圍為1:4，速度控制精度為±0.01%，力矩控制精度為±2%，動態(tài)響應時間為5ms。轉矩脈動小，效率高。

傳動控制功能。主要包括矢量控制、速度控制、同步電機勵磁控制、傳動順序控制、動態(tài)速降補償、雪橇板特性控制、負荷平衡控制、軸定位控制、變壓器運行監(jiān)視、基于數學模型的電機轉子溫度監(jiān)視、參數化的系統(tǒng)配置、系統(tǒng)診斷功能、波形監(jiān)視功能、輔助系統(tǒng)（進線斷路器、電機的空間加熱器、電機冷卻、電機潤滑、軸瓦溫度等）控制功能、與自動化系統(tǒng)的接口等。

另外，sm150的變換效率為0.99，具有可調的功率因數，功率因數可達到0.99。igct的開關頻率為200hz，功耗小。

5 、sm150 的系統(tǒng)調試

sm150系統(tǒng)的調試需要具備一定的專業(yè)知識并經過相關的技術培訓。sm150系統(tǒng)的調試需要一定的軟件環(huán)境，包括step7、simoTIon scout、simoTIon dcc（cfc for simoTIon）、wincc flexible、drive es等。

調試準備。主要包括軟件環(huán)境的搭建、sm150固件版本的確認、cf卡內容的檢查確認及備份、項目的創(chuàng)建、調試工具的準備、調試所需數據及資料的準備等。

初步檢查調試。初步調試的主要內容包括柜內開關、熔斷器、輔助電源的檢查；電纜的標識；控制回路送電后各單元的狀態(tài)檢查；系統(tǒng)網絡的搭建及連接測試；psa stamp；acx數據的上裝與下載；系統(tǒng)配置拓撲圖的檢查；單元設備固件的更新；軟件的保護；工程庫的安裝；運行時序的配置；整流單元通訊字的配置等。

功率柜的檢查。主要包括功率柜門的檢查及柜內控制部分的檢查測試；接地開關的檢查測試；絕緣測試（變壓器出線側及電動機繞組等的絕緣測試）等。

整流單元的調試。在測試模式下調試輔助風機、門觸發(fā)電壓、線路開關、短路開關、預充電系統(tǒng)等；高壓送電后相位角的測量、電氣角度偏移量的計算與補償等；系統(tǒng)的辨識，主要包括觸發(fā)脈沖的移相與增益、變壓器的短路容量、直流母線連接電容的辨識、能量回饋的辨識、直流母線電壓的辨識等；預控系統(tǒng)的調試；控制單元間通訊的調試等。

電機模塊的調試。主要包括電機參數的設定；測速編碼器參數的設定；轉子電氣位置的定位；傳動系統(tǒng)調速模式的設定；機械因子的設定；勵磁系統(tǒng)的調試；矢量控制的相關設置；各種限幅及保護值的設定；實際值得標定；本地操作的相關設置；弱磁范圍的調試；系統(tǒng)性能的優(yōu)化調試等。

與自動化系統(tǒng)的聯(lián)合調試。主要包括兩者間的通訊調試、接口表的測試、轉子定位、負荷平衡、雪橇板控制、pda、故障信息等。

6、 結束語

sm150中壓變頻裝置在厚板產線應用兩年來運行穩(wěn)定，動靜態(tài)性能良好，故障率低，維護量小且維護方便，能夠滿足厚板產線主傳動的生產工藝要求。（網絡）