大功率交流變頻裝置在宣鋼高線精軋機組上的應用

宣鋼高速線材工程由北京首鋼設計院總承包。該工程在電氣自動化設計中采用了多項新技術，其中有：

(1)整個軋線采用兩級計算機控制、過程控制級完成全線速度設定，軋制程序的儲存、全線軋件跟蹤、打印報表等；基礎自動化級完成全線速度級聯控制，粗、中軋微張力控制，飛剪的剪切控制，活套控制等，整個軋線自動化水平高，達到了同類軋機國內先進水平。

(2)采用網絡控制：過程控制級采用工業以太網；基礎自動化級采用現場總線即Profibus-DP網，大大節省了電纜和電纜的施工費用。

(3)為消除直流傳動非線性負載產生的高次諧波對電網造成的污染，采用了高次諧波濾波裝置，使電網供電質量提高，達到了國家電網和地方供電局對高次諧波的治理標準。

(4)在精軋機上采用了全數字大功率交流變頻調速裝置，配以國產的大型同步調速電動機，是國內的第三家，而且是應用最成功，事故率最少，調試時間最短、投產最快的一套軋機。

工藝概況

設計規模：年產35萬t高線無扭熱軋盤條。

產品規格：φ5.5一φ6.Omm

主要鋼種：普碳鋼、優質碳素鋼、低合金鋼等

產品精度： φ5.5~φ6.0mm士0.15mm

φ10.5~φ16.Omm士0.20mm

橢圓度不大于尺寸總偏差的80%。

軋制速度：精軋機最高設計速度113m/s，保證速度85m/s(φ5.5mm)精軋機采用頂交型新型軋機。

工藝要求精軋機驅動電機的速度快，調速精度高、調速范圍大，要達到這樣的工藝要求，采用常規的直流傳動是很難實現的。

對精軋驅動電機的技術要求及技術參數

根據工藝要求精軋機主傳動系統選用了西門子電氣公司生產的負載換向變頻器(以下簡稱LCI)配以國內大型同步調速電機的調速方案。下面是設計院對電機制造廠家提出的一些技術要求和電機制造廠家能達到的一些技術參數。

1 技術要求

1) 對過載倍數的要求

要求電機在1.1倍額定負載狀態下長期運行。在周期內等效負載不超過額定負載時1.6Pn運行15s，間隔時間15min。

2) 時電機直軸超瞬變電抗X"d及每相換向電抗Xcm的要求

LCI負載換向變頻器由西門子電氣公司成套提供，型號為SIMOVERTS，為了保證變流系統對晶閘管換向的可靠性要求，西門子公司提出與LCI的配套電機必須滿足X"d≤13.03%(50Hz時標么值)；每相換向電抗Xcm = 0.6X"d ≤ 7.818%(50Hz時標么值)而且由西門子公司派技術人員到廠家試驗驗收。

3) 對機械特性和性能的要求

要求電機從傳動端看電機的旋轉方向為順時針方向，允許反向點動；電機旋轉部件的轉動慣量為滿足調速動態性能的要求，其GD2不大于3.5tm2；電機旋轉部件能承受最高轉速(1500r/min) 1.2倍的過速運行2min，而不產生有害變形和損壞。

4) 對定子絕緣的要求

由于對電機供電的裝置是LCI，考慮到晶閘管換流過壓及電流變化率快的影響，將產生浪涌電壓，此值與基波電壓相疊加，使電機絕緣承受電壓超過額定值，因此要求電機定子繞組絕緣按工作電壓6000V設計，按6000V級考核。此外，由于浪涌電壓的變化率較大，致使線圈各匝電壓分布不均勻，特別是靠近電壓輸人端的線匝承受的電壓較高，所以要求電機除加強對地絕緣外，還要加強匝間絕緣。

5) 對電機采用阻尼繞組的要求

對于采用LCI供電的調速同步電動機來講增設阻尼繞組可減少換流重疊角，加速換向過程，提高動態響應的品質，所以要求本電機采用全阻尼繞組結構。從交直交電流型變頻器供電的同步電動機運行機理上分析，電機是長期工作在兩相通電，兩相短路的交替工作狀態，電機換流時相當于兩相突然短路，對應的是超瞬變電抗，增加阻尼繞組就意味著加速換流過程，提高系統的動態品質。

6) 梯形波電流供電對電機結構設計的要求

由于LCI的電流輸出彼形為梯形波，電動機中除基波外還存在一系列的奇次諧波對電機影響較大，使電機產生振動、噪聲及附加損耗，因此電機結構設計要求采用雙繞組且在定子空間上相互錯開30°電氣角。即把每對極下的電樞表面從原來的三相對稱繞組的6個相帶改為12個相帶，每個相帶的空間距離由60°變為30°空間電氣角，這樣可以使5， 7， 17， 19次諧波相互抵消，有效地克服電機電磁轉矩的脈動，使電機效率大大提高。

7) 對軋鋼過程中電機轉子軸向竄動的要

電機在軋鋼過程中，難免會產生軸向推力，要求電機設計時采取相應防范措施。對本電機要求：一是在軸承端面澆有鎢金并開有儲油槽對產生的推力起阻尼作用，二是軸瓦與軸肩的間隙保證轉子軸向竄動不大于士2mm。

8) 對電機外形尺寸的要求

由于工藝位置尺寸受到限制，要求電機主軸中心至定子頂部不能超過920mm，設計要求按900mm設計，電機的外形尺寸為長4160mm，寬2730mm，高1800mm，總重量30t。

9) 對電機溫度的要求

電機在額定負載時<80k； 1.1倍額定負載時≤105k，要求在電機定子、軸承、進出風口、進出水口均埋有三線制PT100檢測元件。其中定子12只(每相兩只)兩軸承、進出風、進出水各一只。

2 技術參數

電機技術參數如下：

電機型號：BPT5000-4

額定功率：5000kW

極數：4極

相數：6(雙Y移相30°)

額定轉速：1000r/min 最高轉速1500 r/min

工作頻率：33.3Hz (1000 r/min)

50Hz (1500 r/min)

額定電壓：2250V (1000 r/min)

2300V (1500 r/min)

額定電流：708.8A (1000 r/min)

714.2A (1500 r/min)

勵磁方式：有刷勵磁

勵磁電壓：54.6V (1000 r/min)

50.2V (1500 r/min)

勵磁電流：313.9A (1000 r/min)

288.9A (1500 r/min)

1.6PN時勵磁電壓：

81.2V (1000 r/min)

75.5V (1500 r/min)

1.6PN時勵磁電流：

467.3A (1000 r/min)

434.2A (1500 r/min)

1.6PN時定子電流：

1153.8A (1000 r/min)

1145A (1500 r/min)

防護等級：IP54(集電環部分IP23)

冷卻方法：ICW37A86

安裝方式：IM1001

全數字大功率變頻調速裝置的工作原理及其硬件配置

1 工作原理

宣鋼高線精軋機主傳動采用了德國西門子電氣公司的LCI控制系統，主電機采用了國產的大型同步調速電機，由于同步電動機在旋轉時能夠產生反電勢和晶閘管電