大功率交流变频装置在宣钢高线精轧机组上的应用

宣钢高速线材工程由北京首钢设计院总承包。该工程在电气自动化设计中采用了多项新技术，其中有：

(1)整个轧线采用两级计算机控制、过程控制级完成全线速度设定，轧制程序的储存、全线轧件跟踪、打印报表等；基础自动化级完成全线速度级联控制，粗、中轧微张力控制，飞剪的剪切控制，活套控制等，整个轧线自动化水平高，达到了同类轧机国内先进水平。

(2)采用网络控制：过程控制级采用工业以太网；基础自动化级采用现场总线即Profibus-DP网，大大节省了电缆和电缆的施工费用。

(3)为消除直流传动非线性负载产生的高次谐波对电网造成的污染，采用了高次谐波滤波装置，使电网供电质量提高，达到了国家电网和地方供电局对高次谐波的治理标准。

(4)在精轧机上采用了全数字大功率交流变频调速装置，配以国产的大型同步调速电动机，是国内的第三家，而且是应用最成功，事故率最少，调试时间最短、投产最快的一套轧机。

工艺概况

设计规模：年产35万t高线无扭热轧盘条。

产品规格：φ5.5一φ6.Omm

主要钢种：普碳钢、优质碳素钢、低合金钢等

产品精度： φ5.5~φ6.0mm士0.15mm

φ10.5~φ16.Omm士0.20mm

椭圆度不大于尺寸总偏差的80%。

轧制速度：精轧机最高设计速度113m/s，保证速度85m/s(φ5.5mm)精轧机采用顶交型新型轧机。

工艺要求精轧机驱动电机的速度快，调速精度高、调速范围大，要达到这样的工艺要求，采用常规的直流传动是很难实现的。

对精轧驱动电机的技术要求及技术参数

根据工艺要求精轧机主传动系统选用了西门子电气公司生产的负载换向变频器(以下简称LCI)配以国内大型同步调速电机的调速方案。下面是设计院对电机制造厂家提出的一些技术要求和电机制造厂家能达到的一些技术参数。

1 技术要求

1) 对过载倍数的要求

要求电机在1.1倍额定负载状态下长期运行。在周期内等效负载不超过额定负载时1.6Pn运行15s，间隔时间15min。

2) 时电机直轴超瞬变电抗X"d及每相换向电抗Xcm的要求

LCI负载换向变频器由西门子电气公司成套提供，型号为SIMOVERTS，为了保证变流系统对晶闸管换向的可靠性要求，西门子公司提出与LCI的配套电机必须满足X"d≤13.03%(50Hz时标么值)；每相换向电抗Xcm = 0.6X"d ≤ 7.818%(50Hz时标么值)而且由西门子公司派技术人员到厂家试验验收。

3) 对机械特性和性能的要求

要求电机从传动端看电机的旋转方向为顺时针方向，允许反向点动；电机旋转部件的转动惯量为满足调速动态性能的要求，其GD2不大于3.5tm2；电机旋转部件能承受最高转速(1500r/min) 1.2倍的过速运行2min，而不产生有害变形和损坏。

4) 对定子绝缘的要求

由于对电机供电的装置是LCI，考虑到晶闸管换流过压及电流变化率快的影响，将产生浪涌电压，此值与基波电压相叠加，使电机绝缘承受电压超过额定值，因此要求电机定子绕组绝缘按工作电压6000V设计，按6000V级考核。此外，由于浪涌电压的变化率较大，致使线圈各匝电压分布不均匀，特别是靠近电压输人端的线匝承受的电压较高，所以要求电机除加强对地绝缘外，还要加强匝间绝缘。

5) 对电机采用阻尼绕组的要求

对于采用LCI供电的调速同步电动机来讲增设阻尼绕组可减少换流重叠角，加速换向过程，提高动态响应的品质，所以要求本电机采用全阻尼绕组结构。从交直交电流型变频器供电的同步电动机运行机理上分析，电机是长期工作在两相通电，两相短路的交替工作状态，电机换流时相当于两相突然短路，对应的是超瞬变电抗，增加阻尼绕组就意味着加速换流过程，提高系统的动态品质。

6) 梯形波电流供电对电机结构设计的要求

由于LCI的电流输出彼形为梯形波，电动机中除基波外还存在一系列的奇次谐波对电机影响较大，使电机产生振动、噪声及附加损耗，因此电机结构设计要求采用双绕组且在定子空间上相互错开30°电气角。即把每对极下的电枢表面从原来的三相对称绕组的6个相带改为12个相带，每个相带的空间距离由60°变为30°空间电气角，这样可以使5， 7， 17， 19次谐波相互抵消，有效地克服电机电磁转矩的脉动，使电机效率大大提高。

7) 对轧钢过程中电机转子轴向窜动的要

电机在轧钢过程中，难免会产生轴向推力，要求电机设计时采取相应防范措施。对本电机要求：一是在轴承端面浇有钨金并开有储油槽对产生的推力起阻尼作用，二是轴瓦与轴肩的间隙保证转子轴向窜动不大于士2mm。

8) 对电机外形尺寸的要求

由于工艺位置尺寸受到限制，要求电机主轴中心至定子顶部不能超过920mm，设计要求按900mm设计，电机的外形尺寸为长4160mm，宽2730mm，高1800mm，总重量30t。

9) 对电机温度的要求

电机在额定负载时<80k； 1.1倍额定负载时≤105k，要求在电机定子、轴承、进出风口、进出水口均埋有三线制PT100检测元件。其中定子12只(每相两只)两轴承、进出风、进出水各一只。

2 技术参数

电机技术参数如下：

电机型号：BPT5000-4

额定功率：5000kW

极数：4极

相数：6(双Y移相30°)

额定转速：1000r/min 最高转速1500 r/min

工作频率：33.3Hz (1000 r/min)

50Hz (1500 r/min)

额定电压：2250V (1000 r/min)

2300V (1500 r/min)

额定电流：708.8A (1000 r/min)

714.2A (1500 r/min)

励磁方式：有刷励磁

励磁电压：54.6V (1000 r/min)

50.2V (1500 r/min)

励磁电流：313.9A (1000 r/min)

288.9A (1500 r/min)

1.6PN时励磁电压：

81.2V (1000 r/min)

75.5V (1500 r/min)

1.6PN时励磁电流：

467.3A (1000 r/min)

434.2A (1500 r/min)

1.6PN时定子电流：

1153.8A (1000 r/min)

1145A (1500 r/min)

防护等级：IP54(集电环部分IP23)

冷却方法：ICW37A86

安装方式：IM1001

全数字大功率变频调速装置的工作原理及其硬件配置

1 工作原理

宣钢高线精轧机主传动采用了德国西门子电气公司的LCI控制系统，主电机采用了国产的大型同步调速电机，由于同步电动机在旋转时能够产生反电势和晶闸管电