常規熱連軋變頻器設計選型及應用

常規熱連軋變頻器設計選型及應用

摘要:本文作者根據實際工作經驗對常規熱連軋生產線大中小容量的變頻器的配置進行了說明,同時對國外引進的變頻器在談判、設計、選型、實際應用中注意事項進行了闡述,為后續同類似的熱連軋變頻器的設計提供了建議。

關鍵詞:  熱連軋生產線 變頻器 設計 選型 應用

The design and selection and application of frequency converter in hot mill line

Ou  Xianggui ,Zhong shuwen

(Hot Rolling Plant, Baosteel Branch, Shanghai 200941, China)

Abstract: It is introduced in the article that allocation of large and middle and small capacity of frequency converter in normal hot rolling mill line according to author’s actual engineering  experience .A few points for attention is explained in process of technical negotiation 、 basic and detail design liaison、selection and application .Suggestions are supported for a future similar hot rolling mill line.

Keywords: Hot Rolling mill line;Frequency converter ; Design; Application

 

0  引言

常規熱連軋生產線是冶金行業重要生產線之一,近年來,類似的生產線不斷上馬,僅2007年我國就新增了12條。眾所周知,一般熱軋大部分機械裝置由交流調速電機所驅動,而調速方式又以變頻調速方式為主。因此交流變頻調速裝置在熱軋電氣裝置占有極其重要的地位。由于熱連軋生產線要求快速性、穩定性、連續性及國內類似變頻器產品的不成熟,國內絕大部分熱軋生產線無論是低壓的小容量的變頻器還是大容量高電壓高性能的主傳動裝置均引進國外公司的產品。目前熱軋尤其以德國西門子、日本三菱電機、日本東芝公司(后兩者在2003年部分業務合并后成立以鋼鐵造紙為主營業務的芝菱公司,即TMEIC公司)產品占有絕對市場份額。盡管上述廠家都有成熟和系列針對冶金行業的變頻調速裝置,但在實際工程中,由于成本、設計經驗等多方面因素,熱軋生產線所使用的變頻器的談判、設計、選型、應用等方面還有許多實際問題需要探討、摸索和解決。

1  設備概況

常規熱連軋生產線一般由板坯庫、加熱爐、粗軋、精軋、卷取及運輸連等六大區域構成,其工藝設備流程示意圖見圖1(圖中未含板坯庫和運輸鏈區域)。主要電機驅動的且需要調速的機械設備有:全軋線板坯或帶鋼運輸輥道、板坯庫收料轉盤、過跨臺車、保溫爐或坑蓋、加熱爐步進梁升降裝置、裝抽鋼平移或升降裝置、粗軋區大側壓主機SSP、SSP間隙調整裝置、SSP同步裝置、SSP夾送輥、粗軋機主機上下輥、低速和高速電動壓下裝置、立輥主機、立輥輥縫調整裝置、飛剪主傳動、精軋機主傳動、交叉輥PC裝置、電動活套、卷取上下夾送輥、助卷輥、卷筒、運輸鏈、質檢站地輥及軋機前后電動側導板等設備。盡管隨著工藝技術及機械液壓技術等的發展,上述裝置極少數由原來的電動驅動方式發展為液壓驅動方式,如側導板、精軋活套、粗軋立輥輥縫調節裝置等。

圖1  常規熱連軋工藝設備配置示意圖

Fig1 The equipment layout schematic diagram of normal hot rolling mill line

 

由于熱軋主機除SSP外都是大容量低速運動的機械運動設備,如粗軋機上下輥電機功率從2500KW到9000KW,轉速在20rpm到100rpm之間;精軋機電機5000KW到10000KW,轉速在200rpm到550rpm范圍內。再加上同步電機在功率因素、電機尺寸和轉動慣量、工作效率、連接的變頻器容量、控制精度、弱磁比等方面優于異步電動機,因此其驅動的電機均為同步電動機。而中等容量高速電機或小容量電機均采用交流鼠籠異步變頻電機〔1〕。

盡管上述設備數量多,電機的電壓和容量從交流380V/2KW到3300V/10000KW不等,逆變器的容量從2KVA到16MVA不等。但是若按變頻器制造商提供的產品系列一般分為三大類。即按電機和變頻裝置容量來分:主電機――主傳動裝置、重要主輔電機――中容量變頻裝置和輔助電機――小容量變頻裝置。表1為以日本三菱電機上世紀90年代中后期產品和東芝21世紀初期的熱軋供貨的變頻裝置進行說明。

表1 熱軋軋線調速設備與變頻裝置型號對應一覽表

 

2 變頻器設計及選型

主傳動變頻裝置

隨著高電壓大功率的電力半導體器件GTO、IGCT、IEGT等的誕生和應用,以及交交變頻裝置的輸出頻率低(最高頻率小于1/2電網頻率)、電網功率因素低、旁頻諧波影響、需要SVC及占地大等因素的影響。21世紀的熱軋帶鋼生產線主傳動變頻裝置正由三電平電壓型交直交PWM矢量控制變頻裝置或直接轉矩控制變頻裝置所取代。即使原來一直崇尚并堅持以可控硅為功率元件的交交變頻矢量控制技術的德國西門子公司,現在也不得不在最近推出了以IGCT為功率元件的電壓型交直交變頻裝置為熱軋生產線主軋機供電。表2為近幾年來運行在熱軋領域多年的電壓型交直交變頻器產品和應用實例:

表2 熱連軋主傳動變頻裝置主要國外產品參數和實際典型用戶

Table 2 Typical foreign production parameter and typical application user of main driver in Hot Rolling Mill

 

若以日本東芝TM-70產品作為實例對熱軋主傳動裝置進行說明,圖2就是單回路(1 bank)的電壓型交直交三電平變頻器主回路原理示意圖,從圖2可知,該結構的整流器和逆變器為典型對稱結構,主回路裝置可以換。圖2以TM-70的8000Frame為例說明:若電機為鼠籠異步電動機,則其輸入電壓為交流3550V,50Hz,輸出為3400V,0-60Hz,裝置容量為8MVA.,若電機為同步電動機,其輸入電壓為交流3550V,50Hz,輸出為3200V,0-60Hz,裝置容量為7.5MVA.若單回路供電容量不夠,可以采用雙回路進行供電方式,一般又有兩種模式,其一為雙變頻裝置對一臺雙繞組電機,見圖3;其二可以將雙變頻裝置輸出通過輸出電抗器再輸出到單繞組電機。實踐證明:TM-70裝置具有高效率、高性能、對電網無公害,占地面積小等特點。

圖2 單回路電壓型交直交三電平主回路結構示意圖

Fig 2 Main circuit configuration diagram of 3-level voltage source converter

 

圖3 雙回路變頻裝置對雙繞組同步電動機實際單線原理示意圖

Fig 3The single line diagram of double converters to twin-winding synchronous motor

 

2.1.1變頻裝置容量的選擇

在工藝產品大綱和相關參數下,由機械商或設計院計算后,明確電機需要的軋制轉矩、轉速、過載倍數、軋制節奏等,當電機參數確定后,由電機供應商和變頻器提供商及設計院共同選擇變頻器、整流變壓器、高壓開關、逆變器和電機之間的隔離開關等相關的參數。由于在談判期間工藝可能存在不確定性和理論計算或仿真有許多因素未考慮,或計算公司復雜,相關系數取值不一,會造成計算不準甚至嚴重偏離,如熱軋的軋機軋制力的計算值。結果首先電機的電磁功率會計算錯誤,接下來變頻器和其它開關、變壓器等均有可能選錯。另外投標外商想降成本,不排除他們對電機或變頻裝置等容量的富裕度設計偏小的可能,特別是對裝置或設備容量跨檔的。假設某變頻裝置的單機容量為8MVA,過載倍數按1.5倍考慮,若此時其帶的負載為交流同步電機,其額定功率是4800KW,過載倍數2.5倍60秒情況下,此時一套裝置就無法滿足要求,但很有可能,外商為了中標,常常會說服買方,強調其裝置夠用或強調改進電機工作效率等。根據實際使用經驗,由于未來產能提高、節奏加快、新的品種拓展,特別是難軋品種比例提高、極限規格品種增多、工藝條件變化(如為了節能,板坯采取下限燒鋼、低溫出爐,此外如板坯溫度均勻性較差、軋機負荷分配有一定偏差、或板坯在軋機前擺鋼時間較長等),就有可能在生產中因軋制力矩不夠,造成裝置過流跳電。因此在選擇軋線主傳動裝置時,建議在考慮全廠變頻裝置型規統一性和互換性的及減少裝置規格品種的前提下,盡可能根據設計需要選擇,若一旦發生上述類似選型現象,寧愿犧牲成本或統一性,也必須保證該裝置有足夠的富裕度。其實對應的電機也同樣適合該法則。在某種場合下,寧愿做到“大馬拉小車”,否則,將損失更大或需要提前改造。

2.1.2變頻裝置相關輔助設備的選擇

(1)純水冷卻裝置

由于裝置采用了大功率驅動元件及柜內元器件安裝緊奏,除了強制風冷外,一般都采用純水冷卻系統,每一套純水冷卻裝置由水箱、過濾器、離子交換器、導電離子檢測裝置、工業循環冷卻水及相關管道、流量壓力檢測、閥門等組成。該冷卻裝置有柜式和非柜式的、有獨立和非獨立的之分。由于熱軋主機數量較多,因此選擇原則是就近集中和冷卻能力接近或相同的原則進行配置。如某熱軋廠主傳動電壓型交直交變頻器共有13套,其純水冷卻裝置只配有4套,即大側壓SSP與粗軋機R1上下輥裝置共使用1套、粗軋機R2上下輥共使用1套、飛剪CS與精軋機F1到F3,精軋機F4到F7分別各使用1套。安裝地點可以根據電氣室的大小進行選擇,無地方可以選擇電纜夾層、有地方放在電氣室內。

(2)其它相關設備或裝置配置

由于買方對外商的設備和功能使用經驗不多或了解不多,在技術談判中處于下風,賣方也利用此點在技術合同附件中設置許多陷阱,而此時買方還以為該類裝置是標準系列產品,因此在實際工程中常常存在短斤缺兩、或以次充好,尤其在選配件上:放電裝置或回路,柜內漏水檢測傳感器和報警裝置,柜內照明裝置,勵磁主回路溫度檢測及報警裝置,備用顯示回路,簡易維護盤,STACK組件拆卸和安裝小車、STACK組件功率元器件更換專業工具及試驗裝置。另外也要關注柜頂冷卻風機、中間回路濾波電解電容器、整流側入口電抗器和浪涌吸收裝置、控制電源等元器件,避免以次充好。

(3)通訊裝置

首先是傳動裝置本身與其上級基礎自動化之間的通訊裝置,要求其具有開放性或向用戶公開其通訊協議,如Profibus-DP等。通訊介質一般均為光纜。

其次各傳動裝置系統組成的局域網絡,選擇通用的TCP/IP以太網,以便實行遠程維護和監控。

另外整個軋線按區域配置3到4套傳動系統和PLC系統合二為一或獨立的數據采集處理系統,便于信息在線或觸發跟蹤。最快的采樣時間不大于0.1ms。

最后與傳動維護工具(PC電腦,可以實現程序或參數下載上傳、參數設定與修改、實時監控、故障波形或信息讀出等功能)一般采用RS232或RS485或一般的以太網網線連接即可。

(4)傳動裝置保護功能要注意全和有效。

(5)傳動裝置的軟件或特殊功能配置

一般傳動裝置調試完成后,軟件和參數基本不變,但是隨著工藝的日益增長的要求,如產品材質規格的拓展,或實際系統在部分板坯軋制時出現機電共振、扭振等異常時,或機械系統有升級或老化、電氣系統老化等情況發生時,就要求系統具有方便的軟件再造功能或簡單硬件追加修改。譬如內部聯鎖組合或追加,停送電或控制邏輯或時序的優化,電流環、速度環PID調節器的典型回路(比例、積分、微分)環節的自由組合、同一調節器在不同工況下變增益、變時間參數,多種可變限幅值控制,狀態觀測回路、濾波回路等回路追加的編程。此外在熱連軋主軋機控制功能中,還有粗軋的上下輥負荷平衡功能、Droop功能、及抑制軋機扭振的SFC等特殊功能。除了上述功能外,系統最好具有強大的自診斷功能,而且預報準確、及時,并能方便用戶在故障代碼提示和作業指導書下,快速找到和解決問題。系統軟件升級要方便快捷。

(6)與上下游設備關系

與整流變、高壓柜及隔離開關及電纜容量要合適、保護要匹配、聯鎖要周到。

2.2  中等容量的變頻裝置

粗軋機前的立輥軋機E和精軋機前的飛剪CS及卷取卷筒裝置,其電機的電磁功率在500KW到1200KW左右,由于其容量不大也不小,且控制精度都要求較高,因此實際工程中都采用不同于低容量和大容量的變頻裝置,即電壓中等、容量也中等的變頻裝置,整流器為公用的可控硅SCR整流、通過公用母線,輸出到以IGBT作為功率元件的三電平交直交PWM變頻裝置中,若逆變器容量大,一般采用多套同容量變頻裝置進行并聯供電??刂圃韴D見圖4,某廠實際配置見表3由于該類傳動逆變器采用IGBT,無需水冷。其它選擇原則基本同主傳動裝置。不過最近日本東芝公司即將推出類似于主傳動對稱結構的中等容量的整流逆變裝置TM-50。

圖4  中等容量TM-30T/30變頻器的控制原理圖

Fig 4 The control sketch diagram of middle capacity TM-30T/30 frequency converter

 

從圖4可知,整流器部分為兩組并聯的普通可控硅整流,通過LC直流濾波電路將±900V直流電壓送到兩套逆變器裝置去。逆變器為三電平電壓型交直交變頻器,功率元件為IGBT。由于立輥軋機工作側和傳動側獨立驅動,靠機械中間軸相連,距離近,兩套逆變器常常共用一套公用整流器,而卷取機或飛剪電機常常由1臺電機獨立驅動,考慮到當整流器發生故障時間,損失降到最小,卷取機的逆變器安裝位置近,但常常設置2套獨立整流器,即1臺卷取機使用1套整流器。盡管一次投資成本增加,但是將來全廠停產風險最少。其電機和整流器、逆變器參數見表3。

表3 某熱軋生產線中等容量的變頻器配置及主要參數

Table 3 The main parameters and allocation of middle capacity frequency converter

 

2.3  低壓小容量的變頻裝置

對于熱軋軋線其它調速負載,因其電機電壓低、功率小,但數量多,一般都采用公用整流器進行整流、然后通過直流母排將直流電壓送到的許多逆變器柜內,再通過以IGBT為主回路功率元件的逆變器給電機供電,其控制技術采用二電平PWM矢量控制技術。為了方便電機檢修或絕緣檢測,一般在逆變器與電機之間增設空氣開關或逆變器內增設輸出接觸器,低壓小容量的變頻裝置原理示意圖見圖5。

圖5  一個公用整流器帶多個逆變器供電實例圖

Fig 5 A actual example of one common converter with many inverter

 

從圖5可知,T1212單元表示用可控硅作為功率元件的公用整流器,其容量為1440KW,輸入交流電壓為630V,頻率為50Hz ,整流器的輸出為直流低壓600V,額定電流為2400A,裝置過載倍數為150%,60秒。其輸出直流電壓通過600V直流母排送到各逆變器,根據逆變器功率大小,小于125KVA的不設直流進線開關,大于125KVA設置直流進線開關,在INV裝置的輸出都設有出線斷路器,方便檢修。圖5只畫出該公用整流器帶的部分逆變器負載,上述負載既有獨立逆變器給單臺電機供電方式,也有給成組輥道供電方式。實際工程中,該整流器下帶3種類型的逆變器(125型、200型和300型),共計逆變器12套,電機2種(22KW、37KW)共計103輥道電機和2臺轉盤驅動電機。

2.3.1 整流器的配置

配置的原則是單機容量不宜太大(否則增加投資和占地)、也不能太少(不便于檢修和停送電等),要考慮以下幾個因素:電氣室和變頻器設置在用戶的中心或附近,以降低電纜長度和電壓降;整流器自身容量;故障范圍影響最少;工藝設備的區域和檢修停電的方便性。案例1為某熱軋廠把板坯庫和加熱爐與粗軋SSP和R1軋機附近的輔助設備共用1套公用整流器,常出現SSP和R1附件輔機在檢修,而板坯庫和加熱爐區域輔機檢修后必須提前4小時以上收料和裝鋼,造成一半負荷要停電檢修、另一半負荷需要運行工作的矛盾。案例2未考慮整流器一旦故障,造成全線停產。某熱軋線卷取區配有兩套獨立運轉的卷取設備,若兩套輔機設備共用一套公用整流置,曾發生該裝置出現6小時以上故障,結果造成全線也停產6個小時,因此有必要對其負載進行分離,保證在一套公用整流器故障后另一套供電的卷取機還能繼續卷鋼。若負載遠離負荷中心,寧愿在負載附近增設小型整流器電源,如板坯庫和運輸鏈此類的輥道或輔助負載,以保證電機供電電壓,同時可以大大降低到電機電纜長度和截面積。某熱軋生產線共設置了10套公用整流器裝置(板坯庫加熱爐3套,粗軋2套,精軋1套,卷取和運輸鏈4套),三種類型,裝置的參數額定容量-直流電壓-額定電壓分別為720KW-600V-1200A和1440KW-600V-2400A及2880KW-600V-4800A。

2.3.2 逆變器的配置或選型

熱軋輔機逆變器選擇原則:(1)裝置容量有一定的富裕度;(2)重要負載宜獨立供電,普通輥道可以成組供電,該成組輥道的各電機處于同一工藝速度段,具有相同的轉速和線速度,該組各電機參數盡可能接近或相同;(3)全廠盡可能減少逆變器的種類,以減少備件的數量;(4)小容量逆變器INV盡可能采用類似馬達控制中心抽屜式結構。

日本的逆變器裝置常有多級抽屜式、三相合一獨立成柜式、三相獨立成柜式等,而德國西門子公司常常采用固定式。日本東芝輔機逆變器其按容量來分,多達17種:2、4、8、15、25、45、75、125、200、300、400、500、700、900、1000、1400、1800等,全部涵蓋熱軋所有輔機負荷,品種齊全。日本三菱電機上世紀90年代初推出Melvc-1200系列和德國西門子公司6SE70通用變頻器系列兩者均有許多容量各異的品種。某熱軋生產線實際共使用了東芝公司TM-10系列全部17種產品中的15規格的逆變器,共計209套。其中容量最大的逆變器1800型,其輸出容量為979KVA,輸出交流電壓為440V,電流為1285A,裝置100%負載連續,225%過載60秒,250%過載15秒。而逆變器最小裝置2型,其輸出容量為2KVA,輸出交流電壓為440V,電流為2.6A,裝置100%負載連續,150%過載60秒。

裝置容量計算原則上獨立驅動逆變器INV單元的容量乘上逆變器得過載倍數(日本東芝和三菱電機的逆變器按1.5倍計算,德國西門子6SE70系列為1.36倍過載倍數)的積,不得低于電機輸出電磁功率乘以其最大允許工作的過載倍數。對于部分特殊的負載,如軋制高溫硅鋼的熱軋生產線,對出爐輥道到粗軋機前的輥道,粗軋機入出口機架輥、精軋末機架出口機架輥、SSP有輥道升降裝置的輥道、質檢站地輥等特殊負載,要充分留有容量余量,否則會造成該類逆變器頻繁跳電。因為除了考慮其起動過程中部分電機打滑外,還要考慮輥道的磨損不均勻、標高、板坯變形、硅鋼的頭尾塌腰及粗軋機翹扣頭控制差,板坯爬坡等特征,有時一組13個輥道,只有2到3根輥道接觸板坯。因此逆變器容量計算要留有余量,其需用系數不能考慮太小。一般地,對于熱軋成組輥道逆變器輸出的最大電流應滿足下式:

IINVmax≤uINV*IINVN  〔2〕

其中IINVmax為啟動打滑時逆變器的最大輸出電流,u為逆變器允許的輸出電流過載倍數;IINVN 為逆變器輸出電流的額定值,而IINVmax又可以用下式計算:

IINVmax=n1*IM1+n2*IM2

其中該逆變器下n1臺電機處于空載啟動狀態,此時該狀態下的每臺電機電流為IM1,而有n2臺電機處于帶載起動同時又有打滑情況,此時該n2臺電機的單機電機電流為IM2。

除了考慮逆變器INV的容量計算外,對于逆變器其它元件配置也必須重點關注,若直流母排取電后進入逆變器前是否增設直流斷路開關,INV裝置輸出后是否設置接觸器或交流斷路器、輸出電抗器、裝置內是否設置溫度保護裝置、自帶風扇以及裝置內的其它如電容器、電源裝置等元器件的選取等。另外對于電機需要強制冷卻風機供電,還必須考慮附加風機電源和聯鎖條件。在這一類小容量變頻裝置中,有的采用速度反饋的矢量控制技術,有的采用無速度反饋的矢量控制技術,必須根據控制對象的精度進行區分,防止選型不當,無法滿足控制的需要。

3 結束語

熱連軋生產線中各類變頻器是該線重要的電氣設備之一,除了正常生產中,設備維護得當外,在產品選型和設計等過程中要認真計算和驗算,不能完全相信機械商提供的數據,對于上述提到的負載更要認真驗算,防止選小。對于影響成本的條款或系數要在合同簽訂前明確,否則會后患無窮。當然在實際生產中,要精心護理好變頻器。如嚴格控制好變頻器的使用環境,嚴格控制溫度和濕度及粉塵,定期清灰(清洗過慮網和柜內清灰)和緊固,定期檢查電解電容器外觀是否變形或漏液,檢查柜內風機運行狀態、對電源和脈沖檢查做精密測試或部分元器件進行性能檢測,以傾向性作為劣化管理。目前熱軋單元只有整流單元還可以國產化,其它還得引進,因此要適當備用部分組件或關鍵性的元器件。

系統分類:變頻器   |   用戶分類: 無分類   |   來源: 無分類

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