1、型钢生产线电气辅传动系统的优化【摘要】：本文主要介绍了型钢生产线电气辅传动系统的升级优化，由原来的 U/S-250 型交直交变频器和 VF-A5 通用变频器升级改造为 TMD系列变频器，容量的选择、变频器类型的确定、电源选型及通讯等各方面进行了对比，简要介绍了新设备的原理及应用优势。 【关键词】：电气辅传动系统变频器无 PG 矢量控制技术 能量回馈 中图分类号： F407 文献标识码： A 概述 中型 H 型钢生产线于 1998 年投产，电气传动系统主体设备选用东芝公司上世纪 90 年代初产品，包括主传动和辅助传动两个系统。主传动系统电气传动设备选用 U/S-850 型交交变频器和 U/S-3
2、50 型交直交变频器，辅传动系统 U/S-250 型交直交变频器和 VF-A5 系列通用变频器。目前，整个电气系统已经连续运行达 10 年之久，极尽设备寿命，存在较多问题，亟待解决。 1 原因分析 1.1 超期过负荷服役，造成设备故障频发，备件消耗殆尽。 自投产至今，本生产线产能逐渐释放，自 1997 年投产以来，由最初年设计能力 50 万吨达到 100 万吨，连续 10 年年生产钢材 100 万吨，远远超过原设计的生产能力。由于长期超负荷运行，设备老化严重，故障频发，传动设备元器件已经超出厂家提供的设计寿命。目前，前期储备备件消耗殆尽，随时面临设备损坏停产的巨大风险；而且由于设备厂家自 20
3、03 年停产该类型产品，备件已无法采购，设备升级迫在眉睫。 1.2 该类型设备制动过程采用能耗制动，电能浪费严重。 原系统设计容量 2200kVA，设备繁杂，控制要求较高。该类型变频器为通用型变频器，整流回路为不可控整流，直流回路带制动电阻，当现场设备处于减速状态时回馈到直流回路的电能无法回馈到电网，只能靠直流回路制动电阻消耗这部分能量，系统运行不经济，存在能量浪费情况 1.3 现场工艺及生产节奏变化，造成部分设备容量和现场生产需要不匹配。 随着产能提升，生产线生产节奏不断加快，轧件搬运速度不断加快，由于变频器容量限制，很多设备经常出现过电流跳电和功率元件烧损情况，对生产影响较大。另外，受现场
4、工艺影响，个别区域辊道分组变动较大，部分设备出现容量过剩情况，设备载荷率较低，浪费严重。 1.4 系统通讯能力落后，制约 PLC 一级系统通讯效率，经常出现设备动作时序异常情况，影响生产顺行。 该系统通讯系统为上世纪 90 年代初技术，通讯速度慢，通讯能力差，严重影响 PLC 一级系统通讯效率，经常造成现场设备动作时序异常等情况，对生产有一定制约作用。 2.方案设计 2.1 设备选型 由于设备运行多年来，现场轧件搬运工艺要求，生产节奏等情况变化较大，原系统中很多设备容量已经与现场要求差别很大。此次方案设计在设备容量选择方面，应用实时数据采集设备 PDA，对所有设备的负载波形进行了采集，根据现场
5、设备负载请况，结合现场驱动电机容量重新进行了设备选型，设备容量选择更科学合理。 通过比较分析，最终选用 TMEIC 公司 TMd-10 型逆变器，增加2*700KVA 型 TMd-P10 公共整流电源一套，增加整流变压器一台。改造完成后，系统能实现四象限运行，多余电能能反馈到电网，系统运行更节能。 2.2 整流电源优化 原系统中，由于 VF-A5 变频器本身的直流回路是二极管三相全波整流，系统整流靠二极管自然换相，属于不控整流，无法实现能量回馈电网，这部分能量迫使直流回路电压不断上升，达到一定阀值后系统不得不通过挂接在直流回路上的制动电阻来消耗掉，以保证直流电压在正常范围。这种制动方式属于典型
6、的能耗制动，不但造成大量的电能浪费，周围空间温度提升后还需要投入制冷设施进行降温，以保证变频器的运行温度环境，又造成一定的能源浪费。 现场设备的运行过程大多是加速-恒速-减速过程，加速过程靠逆变器本身输出的电能转化为机械动能，而减速过程机械惯性会拖动电机旋转，此时的机械动能就转化为电能并通过逆变器回馈到公共直流系统。采用公共直流电源技术，较好的解决了设备制动过程能量回馈电网和直流母线所带设备间的能量互补问题，与原系统相比达到了节能目的。 改造后的系统，由于所有逆变器挂接在同一公共直流母线，一部分设备运行在减速过程，另有另一部分设备可能运行在加速过程，减速设备回馈到直流回路的电能恰能被加速设备有
7、效利用，达到了系统本身节能的目的。如果某一时间段，减速设备较多，回馈到直流回路的电能远大于加速设备需求的电能，Tmd-P10 型公共整流器本身属于 IGBT 可控整流，也具有将直流回路多于电能回馈到交流电网的能力。 系统图如下图 1 所示： 2.3 采用新型无 PG 矢量控制技术 本生产线工艺控制水平较高，对现场设备控制精度有很高的要求，因此此次设计在设备选型方面重点从设备控制精度考虑。此次设备改造选用的 TMd-10 型逆变器是一种正弦 PWM（脉冲宽度调制）全数字矢量控制型变频器，可对中-小容量的交流电机进行高精度、高效率变速控制。无 PG 矢量控制技术实现了高性能驱动，智能型数据控制和维
8、护/监控数据，实现了更可靠的工业控制和更精确的动态控制,速度控制精度能达到0.01%，能大大提升设备控制精度。 系统控制框图如下： 2.4 系统通讯优化 本生产线自控水平较高，变频传动设备起停控制、速度给定、信息反馈等均通过一级 PLC 系统和变频传动设备间的光纤通讯实现。原变频传动系统，由于通讯协议不开放，只能同原东芝公司生产的 PLC 系统通过 TOSLINE 网进行通讯，设备局限性较大。 新选设备 TMd-10 系列电气传动设备通过可选件，支持多种通讯协议，突破了原有的技术封锁。同时，改造后采用光纤数据传送设备，与上位可编程控制器可以以 32 字/毫秒的传送速度进行扫描传输，通讯能力显著
9、增强，有效避免了因系统通讯能力落后，造成的通讯效率低，设备动作时序异常等情况。 3 应用效果 3.1 设备故障率降低。升级改造部分设备，与原系统及现场设备匹配情况良好，设备负载率一般在 50%以下，系统故障率明显降低，月均减少停机 361 分钟。机构已大大简化，更换备件程序简化，设备日常维护量也有所减少。 3.2 节电效果明显,设备功率因数高，吨钢电耗降低 0.89 kWh/t。 3.3 系统通讯状况良好，与 plc 系统及现场设备间的应答相应迅速，满足工艺要求。 3.4 功能更为强大，上电时间，累计电量，各种记录齐全，尤其是故障记录功能强大，保护性跳电后代码及故障波形记录详细，可根据现场情况进行参数设置，设备维护更加方便。新设备的调试和维护软件navigation，功能强大，操作简单，实用性更强。 4 结束语 通过改造，很好的解决了制约生产的设备备件瓶颈问题，确保了本生产线的稳定顺行。而且通过改造后的运行效果分析，改造后的设备完全满足现场需要，运行稳定性较好，系统自身保护功能完善，不但能保护自身设备不受现场设备事故而损害，还能及时反应现场设备的实时状态，在同类生产线上有较好的推广前景。
