宽厚板粗轧机主传动控制系统设计探究

刘喆

（莱芜钢铁集团有限公司规划发展部，山东 莱芜 271100）

众所周知，当代世界知名高性能轧钢机设备和相关技术进入我国钢铁行业，其本身的技术应用以及针对我国实际情况的革新优化，其成为当代我国诸多工业领域占据关键地位的设备。而作为宽厚板粗轧机中起到连接传输和控制作用的主动传动控制系统在设计方面要讲究科学性和实践应用性，因此，针对宽厚板粗轧机主传动控制系统设计重点和对策的探究非常有必要。

1 电气控制方案

在当代的宽厚板粗轧机的主传动控制系统当中，得益于交流调速技术的发展和实践深入，当代交流主传动系统在今年逐步替换了传统的晶闸管整流器式的直流系统。在当今包括机械加工、钢铁加工在内的多个产业当中，闸机主传动变频调速装置比较常见的为交—交变频系统，以及系统化的交—直—交变频系统。两种装置系统的优缺点主要为：

（1）交—交变频技术。该形式的优势在于结构简单，电流电气控制执行效率较高，且能够承载更大的过载压力。当然从操作的角度来说其极高的便捷度也令人满意。但是，该种电气控制技术的缺点在于，其本身的变频的频率相对来说非常低，且存在电网侧产生谐波高的问题。

（2）交—直—交变频技术。一方面，这种技术在变频的效率方面有较高的优势，功率因素也达到了较高的水平。并在运行的过程中不需要无功补偿。但是这种相对复杂的电气控制模块的操作执行的效率却相对较低，且不能够承载较高的过载压力。另一方面，交—直—交变频技术当下在国内的研发和应用成本是比较高的。

在实际应用中，主传动控制系统的电气控制技术的选择直接决定整个控制逻辑和应用效果，因此，需要在足够了解多种主要电气控制技术的基础上，根据产业规模、技术要求和员工团队专业水平，选择合适的电气控制方案。而值得一提的是，在选择时，也应当充分考虑生产安全的把控以及对传统粗轧机系统问题的关注，由此综合分析，确定一种更加高效安全的电气控制系统是更合理的。

2 变频器的选用和设计

（1）基础设计。主传动系统至关重要的变频器的设计，一般采用ACS6000 同步/异步中压传动，并且以直接转矩控制技术为突出优势的电动机。该变频器设备一般可以将50或者60Hz 的电网正弦电压转换成直流电压，随后再转换成为系统可以控制和利用的政策输出频率。ACS6000 中压传动变频器主要以逆变器、母线和整流器所组成，一般由逆变器来把控电动机的力矩和速率，再由母线为一台或多台电机提供动力。由此结合多个逆变器系统组成多传动配置。

在变频器的电桥设计一般基于3 电平结构，并且允许端电压达到较高水平。此系统无须半导体进行串联，并且能够降低这种变频技术模式下容易出现的谐波水平。而其中用到开关模式技术的优势在于，能够在变频器电机体系中不用再配置断路器。在系统出现故障或问题的时候，如果朱电压源出现断电情况，那么可以更及时切断变频器以及其与电机间的联通电路。

（2）结构特点。以交—交变频器为例，其功率部分包括逆变器以及整流器元件，那么这两个元件是基于同样的开关模式而形成的装置。其结构和特性表现在于，由基础的三电平DTC 开关构成，并且在变频控制上没有缓冲器的设计，没有熔断器的配置。

这种系统的优势在于在工作的过程中不会发生熔断器熔断的可能，而且降温系统也不需要根据变频器的能耗来进行设计控制，变频器在传动过程中，所有扭矩-速度四象限工作的同时不用在配置额外的设备。

并且从实际应用的角度来说，这种变频器在输出的频率方面具备0～72Hz 的更宽范围，并且电源符合的攻略因素没有SVC，在运行过程中出现电源谐波畸变的情况概率较低，而从点击的角度来说维护量也相对较小。与直流传动相比，其具备更加强大的负载抗压能力，特别是在堵转的情况出现的时候可以实现全扭矩输出。

图1 粗轧机主传动系统设计示意

3 控制器选择和应用

TDC 作为来自西门子公司基于应用于主传动系统中的控制器产品，其在我国大量的钢铁产业当中都有重要的应用。在宽厚板粗轧机的主传动控制系统中，该控制器包含的多个处理器的性能特点让它能够胜任这种需要强劲功率和动力的轧机设备传动控制工作。

该控制器作为一个系统化的设备，在粗轧机主传动这类滞后的体系中，可以实现更加快速高效地去处理控制周期滞后的问题。并且其利用构建起来的系统架构，能够很好地解决粗轧机压下系统的动力驱动和控制系统的驱动。得益于TDC 超强运算能力和信息传输能力可以很好让压下及速度更好联合，进而让整个粗轧机的工作品质以及生产效率都提升很多。

具体来说，TDC 在具体的设计中，针对粗轧机主传动体系的滞后特点，可以设计一个可供插入20 个CPU 模块的机架，保证其采样时间达到比较优质的100 微秒。而需要注意的是，CPU 可以采用64 位的处理器，因为这样可以实现更多软件和控制系统配置的同时运行，进而能够在整个控制器的性能方面实现无限扩展。

4 主传动变频器的新技术探究

在至关重要的变频器的选用和实践过程中，DTC 作为新兴的控制器技术的代表，应当花费足够多的精力去专研。一般来说，每两微秒变频器都会将测量的电动机相关数值传输到专用的自适应电动机模型中，并且能够同步计算出磁通和转矩，而根据所计算的数值与磁通控制器提前预估的数值进行对比。而随后控制器的输出表现，在每50 微秒期间由最合适的开关逻辑直接去为逆变器的开关元件配置一个最合适的位置。

图2 直接转矩控制示意

5 主站与从站功能的设定和网络模块选定

在系统中，主站系统可以配置以上提到的TDC，粗轧机TDC 中搭配两个CPU，两个CPU 分别组成GMD 网络通讯组网以及系统的速度闭环控制及运算。需要注意的是，主站的功能在此时还需要采集电机的各方面参数数值，以便提供给中央控制器进行监控。而从站的功能可以配置两套SIMADYN-D控制系统，其分别承担电机的闭环调节。

网络模块是现代信息化技术应用下主传动控制系统不可或缺的配置，而TDC 作为高效率高速响应的控制器模块，与之相匹配的网络模块应当选用GDM 这样的高效率网络制式模块。该模块的特点和优势主要表现在，运算能力异常强大的同时，可以利用光纤电缆和共存储存器。并且这种网络模块可以在多个产业当中实现更加强大的组网能力。当然具备独立框架的GDM 的接口是由CP52A0 所供应支持的。那么在TDC系统中，得益于GDM 网络模块的优势，能够让它实现更加广泛和稳定的信息通讯。

而在TDC 中，需要选择网络控制和信息化控制的优点，如果希望能够让整个系统更加稳定和高性能，那么进行高速率的数据交换配置是其中要重点关注的。完全可以利用GDM网络光纤技术的优势组成星形的网络系统。如此可以实现超过44 个TDC 机架联合836 个CPU 联合运行的体系。

6 主传动电机的选择

基于粗轧机主传动采用交流变频的传动控制机制，那么主电机则选用高功率的交流调速电机设备。一般来说，同步电动机和异步电动机都可以根据实际的情况和要求灵活选择。正常来讲，同步电动机属于容性负载的同时其功率因素比较超前，对于整个系统的电网容量的提升是非常有效的。并且根据优质经验可以了解到该电机在运行的时候能够保持不错的稳定性和可靠性，在电网系统出现故障等非正常情况下，电压骤降时（如瞬间骤降至额定电压8 成以下），那么电机的励磁系统会及时进行应对，以便让电机保持更加稳定和安全的运行状态。显然，如此高的过载能力相对于异步电机来说，是更适合宽厚板粗轧机的主传动系统的动力源的。

7 结语

经过本文的探讨和论述，可以发现，宽厚板粗轧机的主传动系统在进行科学化设计以及引进多方面合适的先进技术之后。所轧制出来的产品及材料的多方面质量达标率非常高，并且产品的误差范围控制在极小的范围内。特别是很多应用型的重轨等钢铁材料的技术应用性能都达到了国际标准。而重新设计和改造之后的主传动系统不仅在运行的过程中有更加高效和稳定的可靠状态，更重要的是这样的系统在结合信息化网络和智能控制模块后，其操控的简便性以及至关重要的安全性表现都达到了非常高的水准。而经过实践证明具备更高功率因素和可控性的交—直—交变频器技术，非常适合当代多个领域的宽厚板粗轧机应用领域。