ACS800多传动在可逆轧机电动压下系统中的应用

梅钢公司热轧厂 吴洁旻 汤元东

引言

可逆轧机的出现改变了传统的热连轧模式。梅钢热轧可逆轧机R2电动压下选用ABB公司ACS800多传动（Multi Drive）变频装置，ACS800变频器是目前流行的脉宽调制电压变频器，控制方式采用当今最先进的直接转矩控制（DTC）技术，能够精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。直接转矩控制（DTC）是三相交流异步电动机调速技术中一项具有创新理念、控制独特、手段简明的高效调速技术，是目前高动态性能控制的最佳方法之一。

1.控制工艺要求

可逆轧机R2为四辊水平轧机，为实现大行程、快速、频繁的辊缝调整，在压下机构中配有电动快速压下和液压压下，传动侧和操作侧的压下丝杆各由一台300kW的交流变频电机驱动，传动侧电机和操作侧电机没有刚性连接，采用电气同步控制技术。

轧钢时可逆轧机R2对每块钢坯进行多道次轧制（五或七道次）。每个道次轧制结束后，上位机下发下一道次的轧机辊缝设定值到基础自动化UC（多功能控制器），基础自动化UC（多功能控制器）计算出压下电机速度给定值，发送给电动压下传动系统，电动压下逆变器输出相应电压驱动压下电机带动压下丝杆旋转，从而完成辊缝调节。由于轧制节奏快，该控制过程要求传动系统具有快速的转矩响应、转速响应和良好的跟随性能。

2.设备选型

2.1 晶闸管整流单元（TSU）：ACN654/664-2120-5

SN=2120kVA，UN=400 V，ICONMAX=2449A（AC），ICONMAX=3000A（DC），IMAX=4860A（DC）。

2.2 IGBT逆变单元（INU）：

ACS800-104-1540-3（由3个逆变模块ACS800-104-0510-3并联组成）

ICONMAX=2156 A，IMAX=2951 A，UN=400 V，PN=1120 kW。

2.3 电机参数：UN=380V，IN=550A，PN=300KW，n1=1033rpm，f=35Hz，TN=2781Nm。

图1 ACS800多传动系统图

3.ACS800多传动系统

多传动是一种使用公共直流母排的工业传动形式。ABB ACS800 Multi Drive多传动由供电单元、传动单元、控制单元组成。ACS800 Multi Drive逆变器内置了du/dt滤波器。由于使用了IGBT逆变器技术，无论输出频率是多少，逆变器的输出包括了1.35倍主电源电网电压脉冲，这个脉冲具有极短的上升时间。Du/dt滤波器抑制了逆变器输出电压尖峰和电压的快速变化，保护了电机的绝缘。ACS800多传动系统结构见图1。

3.1 供电单元

供电单元通过公共直流母排给传动模块提供直流电源。供电单元在功能上分为3个部分：辅助控制柜（ACU）、进线柜（ICU）、整流装置。整流装置包括整流柜、回馈柜、直流电抗器、回馈柜自耦变压器。梅钢R2电动压下采用的晶闸管整流单元（TSU）由两个反并联连接的六脉波晶闸管桥组成。它具有向电网回馈能量的功能，在制动能量很大的应用场合具有可观的节能效益。

3.2 传动单元

传动单元包括带充电回路的熔断开关、逆变器、冷却风机、传动控制单元等。

ACS800多传动的逆变器采用模块化结构，并联模块设计具有冗余功能。每个并联模块都是完整的三相逆变器。如果一个并联模块发生故障，传动诊断指示该逆变器模块丢失，并隔离损坏的模块，整个逆变器还可以继续降容运行，减少故障停机时间。

逆变器将中间回路直流电压转换为可控的交流电压。ACS800逆变器由IGBT输出桥组、电容、电流互感器、NINT主电路接口板等组成。

逆变器采用的是IGBT功率半导体器件，其主电路包括6个带续流二极管的IGBT和直流电容，这6个带续流二极管的IGBT集成为一块功率板。先进的集成IGBT技术使传动单元具有极高的可靠性和紧凑性。在逆变器内部的电容器使中间直流电路的电压纹波变得平滑。逆变单元内配置了带电容充电装置的熔断开关。

梅钢热轧R2电动压下两台逆变器均由3个逆变模块（ACS800-104-0510-3）并联组成，每个逆变模块（ACS800-104-0510-3）内部有三块集成的IGBT功率板，分别为A、B、C三相的功率元件。

3.3 传动控制单元

每个逆变器带一个传动控制单元RDCU，包括电机控制和I/O板RMIO、可选I/0板、现场总线适配器RPBA-01、编码器接口模块RTAC-01、DDCS通讯模块RDCO。RDCU控制面板接口使用专用电缆可与CDP312R控制盘连接，利用该控制盘可以对逆变器进行调试、参数设定、故障复位和实际值显示、故障监控等功能。

4.直接转矩控制（DTC）技术

ACS800的核心技术是直接转矩控制（DTC）。直接转矩控制与矢量控制不同，它是把转矩直接作为被控量来控制。直接转矩控制可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。

4.1 直接转矩控制原理

直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band－Band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算以及为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静动态性能的交流调速控制方式[1]。

直接转矩控制（DTC）原理的核心是通过选择适当的定子电压空间矢量，使定子磁链的运动轨迹为圆形。定子磁链与定子电压之间的关系式为

式（1）中：ψu——定子磁通，Us——定子电压，Is——定子电流，Rs——定子电阻。

在额定转速高于10%时，式（1）定子磁链值有较高的精度。但是，当额定转速小于10%时，磁链值就会存在误差，其误差是由于定子电阻的误差造成的。这种情况下，ACS 800系列采用了FS—method（Flux Stabilizer）的控制策略。定子磁链通过定子电流和转速来计算。

式（2）和式（3）中：

ψu——定子磁通，L0——漏电感，L——主电感，Is——定子电流，

ψr——转子磁通，Rr——转子电阻，ω——角速度。

4.2 直接转矩控制算法

电机直接转矩控制（DTC）需要测量直流母线电压和电机的两相电流值。按定子磁通的空间矢量关系，对电机电压进行积分运算，而电机转矩则是定子磁通和转子电流的矢量积。通过电机辨识（ID）可以提高定子磁通的估测水平，而不需要进行轴转速的测量。定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别，通过电机辨识运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型计算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，产生优化的脉冲信号对逆变器的开关状态进行控制[2]。

表1 ACS800-104-1540-3 参数的配置和说明

图2 直接转矩控制原理图

图3 电动压下在辊缝调节时的波形

逆变器的电机控制是以定子磁通方式对电机转矩直接控制来实现的。逆变器没有单独的电压和频率控制的PWM调制器，功率器件IGBT的开/关选择由电机的电磁状态决定。ACS800逆变模块的高速数字信号处理器通过调控逆变器功率器件IGBT的“开关状态”，可使电机的状态每秒钟刷新40000次，达到迅速调节控制定子磁通和电机转矩的目的，对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。图2为交流电机直接转矩控制系统原理图，其转矩控制器的给定值依系统结构不同而不同，一般来源于速度控制器的输出，或者直接来自于外部给定信号源。直接转矩控制的控制变量为定子磁通和转矩，定子磁通和转矩分别采用闭环控制。与传统的电机控制方法相比，直接转矩控制的最大不同之处是转矩控制的时间可达到与功率器件相同的开关时间水平（25μS），达到很高的控制精度和速度响应。

5.基于直接转矩控制（DTC）技术的ACS800逆变器的特点及性能指标

（1）零速满转矩：在不需要码盘或测速电机的反馈时，电机在零速时，ACS800能够提供电机的额定转矩。

（2）起动转矩：ACS800能够提供可控且平稳的最大起动转矩。最大起动转矩能达到200%的电机额定转矩。

（3）转矩响应时间：在开环或闭环时，系统的动态转矩阶跃响应时间能达到1ms～5ms的精度。

（4）速度控制：动态转速误差开环时为0.4%、在闭环应用时为0.1%、静态精度为0.01%。

（5）起动特性：系统在0.48s内迅速起动，ACS800能在几毫秒内测出电机的状态。

（6）磁通制动：ACS800通过提高电机的磁场来提供足够的制动磁通迅速停车或从一个转速变换到另一个转速。

（7）ACS800具有持续监控的功能，即使在磁通制动时也不停止对电机状态的监视。

6.利用Drive Window软件对ACS800进行调试和监控

6.1 ACS800多传动调试软件Drive Window简介

Drive Window软件使用DDCS通讯协议（分布式传动通讯系统），通过连接RMIO板光纤通道CH3和PC机上的PCMCIA卡之间的光纤，可以对ACS800传动单元进行调试和监控。将多个ACS800传动单元连成环网，可以同时调试和监控多台ACS800逆变器，但必须设置每个传动单元的节点地址（参数70.15 CH3 NODE ADDR）。Drive Window软件功能有：

（1）控制操作（启动、停止、正反，给定等）

（2）监控（信号状态、参数波形记录）

（3）参数（读取、修改、比较等）

（4）数据记录器（控制、显示）

（5）故障记录器（显示故障、控制）

（6）备份/恢复功能（参数备份/完全备份）

（7）远程连接功能（通过网络在异地监控设备）

6.2 电机自动辨识

通过修改参数99.07 MOTOR ID RUN，初始化电机辨识运行。在运行期间，传动系统将识别电机的特征以实现最佳控制。标准电机辨识可以保证传动系统获得最高的控制精度。在进行标准电机辨识运行之前，电机联轴器必须脱开。

6.3 重要参数设置及波形图

ACS800逆变器重要参数设置见表1，图3为电动压下在辊缝调节时的波形。

图3中：[1]-传动侧速度给定值，[2]-传动侧速度实际值，[3]-传动侧电机电流， [6]-操作侧速度给定值，[4]-操作侧速度实际值，[5]-操作侧电机电流。

注：图3中，[4]、[5]、[6]在记录波形时均给予-1000的偏置，以便于传动侧和操作侧的波形上下错开显示。

结论

梅钢热轧R2电动压下自2006年6月上线至今，运行稳定，性能完全满足工艺要求。实践证明，ACS800多传动系统功能强大、控制精度高、响应速度快，具备良好的性能，维护调试方便，是理想的传动控制系统。

[1]李夙编.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,1994.

[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2000.