邹彦春，刘艳

（包钢钢联轨梁轧钢厂，内蒙古 包头 014010）

1 引言

包钢轨梁厂新建的百米长尺钢轨生产线主要由加热炉、BD1和BD2开坯机、UR，E，UF串列式轧机、打印机等设备组成。为了提高产品质量和控制精度，对2台开坯机和1组串列式轧机的主传动系统采用交-交变频调速系统。

2 主传动控制系统

轨梁厂百米长尺重轨轧机主传动交－交变频调速系统的主回路原理图如图1所示。

图1 交－交变频装置主回路Fig.1 Main circuit of AC-AC frequency converter equipment

轨梁厂百米长尺钢轨生产线采用的5台主传动同步电机容量分别为BD1开坯机5000 kW，BD2开坯机4000 kW，UR万能粗轧机3500 kW，E立辊轧边机1500 kW，UF万能精轧机2500 kW。

主传动调速系统根据每台电机功率的不同选择不同型号的晶闸管整流柜。TCP1型主柜为单体柜，TCP2 型主柜为双联柜，BD1，BD2，UR 主电机采用的是TCP2型双联柜，E，UF主电机采用的是TCP1型单体柜。每套主传动调速系统由3台主柜、1台励磁柜、1台辅助电源柜、1台S.D控制柜和1台刀闸开关柜组成。主传动交-交变频调速系统主要由3台电网自然换流、无环流可逆三相桥式变频器组成，对应电机定子U，V，W三相，分别装入U，V，W三相主柜中。

主柜内元件及其功能(以U相为例）如下：1）单相输出的交交变频器。它实质是1套三相桥式无环流反并联的可逆整流装置，内装12个晶闸管元件，每个晶闸管之间安装着热阻小的铜散热器。2）触发脉冲接口板。从S.D控制柜发出来的脉冲通过脉冲电缆传送到触发脉冲接口板。3）脉冲功放传送板PB1，PB2。触发脉冲接口板通过端子将脉冲传送到脉冲功放传送板PB1，PB2，再将脉冲放大传送到晶闸管门极上。4）并联在晶闸管两端的阻熔吸收装置。吸收晶闸管的换向过电压。5）定子交流侧过压吸收装置。吸收变压器操作及高压开关动作时的过电压。6）定子直流侧过压吸收装置。吸收电机启停及变频器升降过电压。7）串联在桥臂上的快熔装置。抑制过电流。8）集中显示器。每个主柜门上装有集中显示器，显示各功率单元的工作情况及主柜通风情况。9）晶闸管导通监视器。它安装在柜门上，主要监视每个桥臂由于快熔熔断、缺脉冲、误触发引起的缺臂故障，一旦发现桥臂故障，可以及时发出报警信号。10）零电流全关断检测器。它可以使整流装置的无环流切换死区减小到 ≤1.1 ms。11）电压变换器。检测实际电压，送到变频调速系统里参与控制。12）电流变换器。检测实际电流，送到变频调速系统里参与控制。13）定子接地装置。当电路中发生接地，或设备绝缘下降、三相绕组电流不平衡，对地产生了大的漏电流时，中性线上有电流，送到接地装置报警(只有U相主柜有)。

由于在轧钢系统中，要求主传动除了可实现频繁启制动、可逆运行外还要求具有一定的调速范围，有很强的过载能力而且要求大功率，低转速。根据这一要求我们选用了大功率交-交变频传动装置驱动，采用西门子公司SIMADYN-D全数字64位矢量控制系统。其原理框图如图2所示。

图2 SIMADYN-D电气控制原理框图Fig.2 Electrical control principle block dingram of SIMADYN-D

SIMADYN D是一种全数字化、硬件/软件模块化、能够根据用户要求硬件自由配置、用户软件自由编程的多处理器并行工作的模块化控制系统，它将控制电机的每一项具体功能都制成模板化，不同的处理器板有不同的控制功能，可以根据实际控制要求进行几个处理器板之间的在线连接，实现对电机的控制。用户软件采用STRUC G图形化软件编程，有数百个各种类型的通用及专用功能块可供选择，编辑用户软件功能包，实现许多复杂的控制功能。

2.1 SIMADYN-D控制系统的硬件配置

SIMADYN-D系统的硬件配置如图3所示，主要由框架、处理器板、通信缓冲板、输入输出板、通信板、程序存储子板、接口板、外围设备（PC或编程器PG等）等组成。不同的插件板之间的数据传输是通过系统总线实现的，处理器板和通信板可以同其他设备和自动化系统进行通信。外部信号可通过接口板输入，当需要快速响应时，可直接通过处理器板的输入输出口输入输出。

图3 SIMADYN-D数字控制系统硬件配置图Fig.3 Hardware configuration diagram of SIMADYN-D digital control system

我们所采用的5套控制系统均选用24插槽的机箱，其核心是3块PM6微处理器模板，系统接收光电码盘反馈回的速度及位置信号，在PM6模板 (P1)内完成速度控制及工艺运算，在另一PM6模板(P2)内完成矢量变换控制运算，然后形成定子三相电流的设定值及转子激磁设定值，输入给EP22及PM6和ITDC模板(P3)，由EP22进行三相电流调节运算，由PM6和ITDC模板完成转子激磁电流调节运算。并输出晶闸管功率柜的触发脉冲，通过晶闸管功率柜控制同步电机。

系统中采用CS7通讯模板，一方面通过PROFIBUS联网与高压室、操作台及电机室的远程站（ET200）交换高压开关、操作信号及电机保护等信息。并接受上位机的监控。另一方面通过这一模板对各处理器进行编程。

模板说明如下。PM6：64位的CPU，8M字节内存，强制风冷，3个插槽，X50存储卡插槽，X01调试接口，X5可以接入8个开关量输入，其中4路可实现报警中断功能。IT41：直接插在CPU中，无背板总线，I/O端子扩展板，4个增量编码器输入，4个模拟量输入，4个模拟量输出，16个开关量输入，16个开关量输出。IT42：直接插在CPU中，无背板总线，I/O端子扩展板，4个积分模拟量输入，4个模拟量输入，4个模拟量输出，16个开关量输入，16个开关量输出。MM4：通讯存储模板，通过本地和通讯总线进行数据交换，可与CPU相互通讯。EP22：三相定子电流调节器。IS1：EP22附属板。ITDC：矢量控制混合I/O模板，也叫整流变换器处理模板，是PM6的扩展模板，用于内部通讯，有6个脉冲线性变换，2个模拟量输出，4个24 V的数字量输入和4个24 V输出，一个用于速度控制的增量编码器输入。EB11：开关量输入输出板，前面板上有2个40路电缆连接器X5，X6，每10针用于8位信息，一个外部用电P24和一个接地，连接器的4个单元中分成2个用于输入，2个用于输出，S1，S2用于输出延迟信号的显示或手动设置，S1分给 X5，S2分给 X6。CS7：通讯板，最多可容纳3个接口，可实现不同的通讯方式，SS52是PROFIBUS-DP/MPI，主要连接 ET200或 FM458 （或 PLC），SS4是 RS232 DUST/USS，主要连接PG和OP，SS5是PROFIBUSFMS/FDL，主要连接WCC，系统中采用CS7通讯模板，一方面通过PROFIBUS联网与高压站、电机旁的远程站（ET200）交换高压开关、操作信号及电机保护等信息及与一级PLC通讯，并接受上位机的监控；另一方面通过这一模板对各处理器进行编程。EA12：模拟量输出板，8个模拟量输出通道，输出的是模拟电压信号，在机架中可连接到总线上的每个模块中，通过扫描通道可测量速度值、电流值、电压值、磁通值、转矩值。

2.2 SIMADYN-D控制系统的软件配置

SIMADYN-D的控制系统采用STRUC G图形化可编辑软件包,该软件为UNIX的图形编辑软件、表格形式的编辑软件STRUC L以及在线测试软件IBSG,服务软件等。系统软件在处理器模板上运行,它包括操作系统、功能块、监视程序、数据传送和故障诊断等程序，即可完成许多复杂的控制功能。

本系统可以实现的功能有:速度控制、矢量控制、交交变频电流控制、励磁电流控制、逻辑控制、保护控制、故障诊断。

SIMADYN-D程序采用CFC编程，主要有以下功能包组成，如图4所示。

图4 SIMADYN-D程序控制逻辑图Fig.4 Logildiagram of SIMADYN-D program control

2.2.1 PN-D01_P1功能包

PN-D01_P1功能包主要实现以下功能。1）FP-NLOG速度调节的启动逻辑，产生驱动READY信号以及具体条件设定速度调节器使能状态，条件来源为：启动逻辑，三相电流调节器，矢量控制及速度主令，依据这些信号定义定子及其他辅助设备的条件，从而控制速度调节器的状态。2）FP-NREG包含速度调节：①速度给定值，速度给定及一些有关现场的信息，由操作台速度给定经PLC送到此FP；一个给定值的多路开关可以选择如下给定：速度主令给定、OP本地操作给定、爬行给定；②速度实际值，由光电码盘提供，同时由软件计算出转子位置角；③速度使能，由PLC根据自身逻辑生成速度使能信号；④速度调节，该FP还包含速度调节器。3）FP-IUEB电流给定值设定。计算电流给定值限幅值、电机转矩、功率及定子电流实际值。定子电流的时间监视能避免变频器的过负荷。

2.2.2 PN-D05_P2功能包

PN-D05_P2功能包主要实现以下功能：FPTVC主传动的闭环控制及矢量控制，为带有光电码盘的同步电机而设计的矢量控制。一个专用模块为EP22定子电流调节器设定参数。

2.2.3 PN-D14_P功能包

PN-D14_P功能包主要实现以下功能：1）FPEXCIT励磁电流调节，包含励磁电流调节器；2）FP-OP监控面板OP，作为系统的运行状态监控功能包，接收运行数据、故障信息，并提供本地开环状态的控制命令及参数设定；3）FP-COMM_4管理EP22的运行信息，从EP22电流调节器收集所有信息，并产生故障字作用于启停逻辑；4）FPCSUP通讯状态管理程序，管理SIMADYN-D系统内部及与其他设备之间的所有通讯连接，并产生相应故障字。

2.3 PLC与SIMADYN-D的通讯

PLC与SIMADYN-D之间的通讯采用Profibus通讯，在建立通讯之前首先要设置PLC和SIMADYN-D的地址，以BD1为例，在一级PLC的HW config中要设置SIMADYN-D的站点地址为77，并且分配模板的输入地址和输出地址。如图5所示。

图5 PLC中SIMADYN-D的站地址设置Fig.5 SIMADYN-D Station address set of PLC

在SIMADYN-D程序中，打开P1→@SEND1/3功能包→CSL2D2功能块→MAA管脚→设置地址77，如图6所示。

图6 SIMADYN-D中的地址设置Fig.6 Address set of SIMADYN-D

一级PLC通过Profibus将启停信号、快停、急停信号、复位信号以及速度给定信号送给SIMADYN-D，SIMADYN-D经过内部程序运算之后，将这些信号以及速度、电流、电压、转矩实际值和变频器状态等以状态字的形式一一反馈给一级PLC。

3 交-交变频系统的特点及结论

包钢轨梁厂百米长尺钢轨万能轧机主传动系统自从2006年投入运行以来，一直较稳定。该交-交变频系统具有以下特点。1）该系统运行后,稳态精度达到0.01%,静态纹波小于0.2%,动态速降1.4%，动态恢复时间500 ms，能够满足型钢产品的轧制精度要求；正反转最高速切换时间可以在4 s内完成切换，满足往复式轧机的要求。2）该系统功率单元全部国产化，运行稳定，标志着国产晶闸管日益成熟；而且系统冷却方式为风冷，维护简单，维护难度低。3）晶闸管的单硅耐压等级和电流容量都较高，保证了主回路相对简洁，串并联使用的晶闸管支数相对于新型功率元件IGBT等要少，维护难度低。4）大功率交-交变频系统的功率因数较低,且谐波含量较高,需配合无功补偿和滤波装置使用。我厂使用了静止性SVC系统,功率因数基本可以达到0.95左右,电网电压波动控制在2%以内。5）该系统对接地要求较高,否则易受干扰，主要表现在调试初期电流检测环节易受干扰，导致系统过电流，分析原因主要是由于系统接地电阻大，柜内信号线屏蔽措施不够造成，整改后得以解决；而且直流侧的电流检测元件输出信号为±10 mV，特别易受干扰，不如在交流侧选用高精度的电流互感器，其最终输出信号为0～10 V不易受到干扰更加稳定。6）该系统中还使用了国产的零电流全关断检测板，工作稳定,与国外产品可以相媲美。

总之，该交-交变频系统采用国产功率单元与西门子的控制系统配合使用的方案已经比较成熟,是一个可以降低系统一次性投入的高性价比的方案,说明国内已逐渐消化吸收了交-交变频系统的关键环节，值得在各领域大力推广应用。

［1］马小亮.大功率交-交变频交流调速及矢量控制[M].北京：机械工业出版社，1992.

［2］张燕宾.变频调速应用实践[M].北京：机械工业出版社，2002.

［3］李华德，白晶，李志民，等.交流调速控制系统[M].北京：电子工业出版社，2003.