基于6RA80的12脉动并联在轧钢系统中应用_王文广.pdf

电气传动 2023年 第53卷 第3期ELECTRIC DRIVE 2023 Vol.53 No.3摘要：以轧钢生产线改造为例，详细描述SIEMENS SINAMICS DCM 6RA80的12脉动并联电控系统在轧钢系统中的设计，以及整流变压器、整流装置、平波电抗器等主要器件计算选型。重点阐述了6RA80在12脉动并联系统中的主从装置间并行通讯、主机与励磁装置的点对点通讯，以及整流系统中的主从装置电流平衡、过压保护、过流保护功能，并对各种保护功能的必要性进行详细说明。关键词：12脉动并联；并行通讯；系统保护中图分类号：TM921文献标识码：BDOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd24342Application of 12-pulse Parallel Based on 6RA80 in Steel Rolling SystemWANG Wenguang1，2，QIU Shuming1，2，BAI Yang1，GAO Pengcheng1，2，YU Shipeng1，2（1.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China；2.Tianjin Tianchuan ElectricDrive Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）Abstract:Taking the steel rolling system improvement as an example，the design of 12-pulse parallel electriccontrol system of SIEMENS SINAMICS DCM 6RA80 in the steel rolling system was described in detail，as well asthe calculation and selection of main components，such as rectifier transformer，rectifier device and smoothingreactor.The parallel communication between the master and slave devices，the peer to peer communication betweenthe master and the excitation device，the functions of the current balance，overvoltage protection and overcurrentprotection of the master and slave devices in the rectifier system were stressed，and the necessity of variousprotection functions was described in detail.Key words:12-pulse parallel；parallel communication；system protection作者简介：王文广（1987），男，本科，工程师，Email：基于6RA80的12脉动并联在轧钢系统中应用王文广1，2，邱书明1，2，白洋1，高鹏程1，2，于世鹏1，2（1.天津电气科学研究院有限公司，天津 300180；2.天津天传电气传动有限公司，天津 300301）王文广，等在大功率带钢热轧生产线上，轧机是整套系统中的重要部分，原轧机电控系统采用SIEMENSSINAMICS DCM 6RA70的扩容系统。目前，SIEMENS SINAMICS DCM 6RA70已停产，现有电控系统元器件老化，故障率增加，谐波大，功率因数低，轧机运行不平稳，启动过程波动较大，设备运行可靠性不高1，导致设备维护成本明显增加，因此对原有设备进行升级改造。在该系统中，鉴于电机功率大、转速较低，系统继续沿用12脉动并联供电，可以减轻对电网的干扰，特别是减轻整流电路高次谐波对电网的影响。在原电机及整流变压器保持不变的情况下，采用 SIEMENS SINAMICS DCM 6RA80 控制系统对SIEMENS SINAMICS DCM 6RA70进行替代，功率部分采用RG3A-5 200/860-11-18替代原设备实现12脉动并联，提升直流装置电流，提高设备的过载能力，同时增加直流平波电抗器、过流保护系统、过压保护系统（over voltage protection，OVP）等，提高设备运行的稳定性。1系统简介轧机控制系统主要由整流变压器、控制柜、功率柜、直流快速开关、直流平波电抗器、励磁柜等组成。整流变压器为裂解式三绕组变压器，原边为三角形接法，两个副边绕组一个为三角形接法、另一个为星形接法。两个副边绕组输出线电压相等，相位相差30。主机与从机之间通讯通过并口通讯进行主从控制，主机与励磁之间采用点对点（peer to peer）3王文广，等：基于6RA80的12脉动并联在轧钢系统中应用电气传动 2023年 第53卷 第3期通讯。励磁装置为电流闭环控制，由主机发送控制命令及电流目标设定值。图1为轧机控制系统框图。图1系统框图Fig.1System block diagram1.1电机数据直流电机额定功率4 250 kW，额定电压860 V，额定转速70/120 r/min，额定电流5 470 A，额定励磁电流534.4 A，额定励磁电压220 V。电机运行工况为 S9 工作制，电机过载能力为：175%额定负载运行，过载时间120 s。1.2传动系统配置1.2.1整流变压器整流变压器一次侧为三角接法，电压为10 kV；二次侧绕组采用双绕组，一组采用三角连接绕组、另一组采用星形连接绕组，两个绕组之间输出相位相差 30，二次绕组输出电压相同，均为860 V。变压器容量为S=mKIVKUVUdId（1）式中：Ud为变压器二次绕组额定电压；Id为电机额定电流；m，KIV，KUV为12脉动全控桥变压器容量换算系数。根据计算，现场采用变压容量为6 300 kVA。1.2.2整流装置功率装置负载能力如表1所示。表1装置容量Tab.1Device capacity单机装置参数并联装置参数额定电流/A5 2009 880150%过载（60 s）/A3 600/5 4006 840/10 260200%过载（60 s）/A3 000/6 0005 700/11 400控制系统采用两套 6RA80CM-1000-85-1B作为控制器，该控制器可根据功率检测部分任意调节电压及电流采样等级。功率部分采用RG3A-5200/860-11-18，可实现150%和200%短时过载。励磁采用外部励磁方式，选用一台 ZX1C-600/400-01-S80为励磁绕组供电。1.2.3直流平波电抗在12脉动主从控制方式来实现两台直流驱动装置的电流（功率）均衡的同时，主机和从机电枢输出是并联的，输出侧即使很小的电压差也可能会导致电流的突变，因此在主机和从机输出侧增加直流平波电抗器，减小电流的变化率，从而使变流系统工作更加可靠。平波电抗器选型公式为LL=(0.296 10-3 Ud)/(0.2 Id)（2）UL=1.35 Ud（3）式中：LL为平波电抗器电感；UL为平波电抗器额定电压。根据平波电抗器选型公式，平波电抗器选型为：额定电压UL为1 000 V，额定电流3 000 A，电感LL为0.6 mH。2系统功能2.1装置通讯两台 6RA80CM-1000-85-1B 之间采用并口通讯方式，通讯控制信号（包括控制指令，触发脉冲，触发角等）自动发送。并行通讯还可以通过二进制互联和模拟量互联接口（binector inputand conector output，BICO）连接传出其他参数，实现两台控制器之间数据交换。在这个系统中主机为速度闭环控制，主机向从机发送触发角设定值和触发脉冲，从机跟随主机触发角设定值。系统通讯的拓扑结构如图2所示。图2系统通讯拓扑结构Fig.2System communication topology4王文广，等：基于6RA80的12脉动并联在轧钢系统中应用电气传动 2023年 第53卷 第3期2.2电流平衡电流平衡的控制是通过并口通讯将主机的触发角设定值和触发脉冲传输到从机，从机根据主机的触发角设定值触发晶闸管。系统设计注意：由于直流装置输出侧并联，每台装置输出侧需配以直流平波电抗器来限制电流的变化率，确保主从之间的电流能够平衡；基于变压器的物理特性，一个整流变压器的二次侧仅允许运行一套12脉动系统，否则会导致输出电流的不平衡。3系统保护3.1直流平波电抗器在12脉动并联的系统中，主机和从机均为三相桥式整流，整流装置输出的直流电压为6脉波电压。尽管每台整流装置输出的整流电压平均值相同，但是由于它们的脉动波相差30，它们的瞬时电压会有不同，因此在 12脉动并联系统中每个整流装置的输出侧都会有一个频率为6f的交变电压（f 为进线电压的频率），主从装置间的交变电压差为 U，这个电压差会在直流的输出母排上产生电流 i，通过并联的整流装置自成回路，不会通过电机电枢，这种情况下会产生环流。为解决环流的情况，有效的方法是在电机主回路中串接平波电抗器来减小电流的脉动和延长晶闸管的导通时间2，防止闭环环流的产生。同时能够有效地减小晶闸管在开通关断时产生的高次谐波对电网的影响。3.2过流保护系统3.2.1控制器内的电流调节器整流装置在交流进线侧配置两相交流电流互感器，通过采集交流进线电流计算整流后的直流电流。标准电流互感器二次侧的额定电流为5 A，电流太大，不利于选配检测电阻，同时二次侧允许输出的电压也较低（小于3 V），在控制回路中使用不方便。因此采用二级变换，第一级从大电流变至5 A，第二级从5 A变至0.1 A，最后通过控制系统的采样电阻进入到系统中，控制系统根据测量到的两相交流进线电流计算得到整流的直流输出电流。通过电流调节器闭环控制确保整流装置的正常工作。当电机电流较大时，通过限制晶闸管触发角度来控制整流装置的电流输出；当故障电流超过装置或电机的过载能力时，快速切断晶闸管的触发脉冲，防止设备的损坏。3.2.2直流侧快速开关保护在大容量的可逆整流装置系统中，直流侧设置直流快速开关。当系统产生逆变失败、晶闸管误触发或者12脉动系统中无环流控制失灵时，快速切断电流，有效地保护晶闸管，同时也可以有效地避免过电流故障时造成交流进线侧快速熔断器熔断。通常，直流快速开关的分断电弧时间为2530 ms，快速开关的动作时间和动作电流与直流侧的平波电抗器相匹配，可以有效地保护整个系统。3.2.3快速熔断器保护在大容量的整流系统中，在每个桥臂的整流器件均串联一个快速熔断器作为系统的最终保护。在整流系统中发生内部或外部的短路故障时，保证在高压断路器不能及时有效地切断故障电流时，快速熔断器能够快速地熔断，避免故障扩大化。3.3过压保护系统3.3.1压敏电阻保护回路在整流装置交流进线侧，采用压敏保护回路，如图3所示。图3进线过压保护Fig.3Incoming line OVP压敏电阻是一种由氧化锌为主要成分的金属氧化物烧结成的非线性电阻元件，其主要优点是：压敏电阻具有正反相同的陡峭的伏安特性曲线，在正常工作时只有很微弱的电流（1 mA以下）通过元件，而一旦出现过电压时，压敏电阻可通过高达数kA的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低、体积小、对过电压响应快等优点3。5王文广，等：基于6RA80的12脉动并联在轧钢系统中应用电气传动 2023年 第53卷 第3期压敏电阻配合快速熔断器，可在出现电压过高、能量无法全部释放的情况时，保护压敏电阻本体不损坏，并且反馈到控制系统。3.3.2换相过电压用阻容保护回路在三相全控整流系统中，由于晶闸管存在载流子积蓄的效应，当晶闸管在反向电压的作用下其载流子迅速消失恢复阻断的过