宣鋼高速線材工程由北京首鋼設(shè)計院總承包。該工程在電氣自動化設(shè)計中采用了多項新技術(shù)，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(shè)定，軋制程序的儲存、全線軋件跟蹤、打印報表等；基礎(chǔ)自動化級完成全線速度級聯(lián)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(dá)到了同類軋機國內(nèi)先進(jìn)水平。

（2）采用網(wǎng)絡(luò)控制：過程控制級采用工業(yè)以太網(wǎng)；基礎(chǔ)自動化級采用現(xiàn)場總線即Profibus-DP網(wǎng)，大大節(jié)省了電纜和電纜的施工費用。

（3）為消除直流傳動非線性負(fù)載產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)造成的污染，采用了高次諧波濾波裝置，使電網(wǎng)供電質(zhì)量提高，達(dá)到了國家電網(wǎng)和地方供電局對高次諧波的治理標(biāo)準(zhǔn)。

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

工藝概況

設(shè)計規(guī)模：年產(chǎn)35萬t高線無扭熱軋盤條。

產(chǎn)品規(guī)格：φ5.5一φ6.Omm

主要鋼種：普碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金鋼等

產(chǎn)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(shè)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(qū)動電機的速度快，調(diào)速精度高、調(diào)速范圍大，要達(dá)到這樣的工藝要求，采用常規(guī)的直流傳動是很難實現(xiàn)的。

對精軋驅(qū)動電機的技術(shù)要求" title="技術(shù)要求">技術(shù)要求及技術(shù)參數(shù)

根據(jù)工藝要求精軋機主傳動系統(tǒng)選用了西門子電氣公司生產(chǎn)的負(fù)載換向變頻器（以下簡稱LCI）配以國內(nèi)大型同步調(diào)速電機的調(diào)速方案。下面是設(shè)計院對電機制造廠家提出的一些技術(shù)要求和電機制造廠家能達(dá)到的一些技術(shù)參數(shù)。

1 技術(shù)要求

1） 對過載倍數(shù)的要求

要求電機在1.1倍額定負(fù)載狀態(tài)下長期運行。在周期內(nèi)等效負(fù)載不超過額定負(fù)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(fù)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(tǒng)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(biāo)么值）；每相換向電抗Xcm = 0.6X"d ≤ 7.818%（50Hz時標(biāo)么值）而且由西門子公司派技術(shù)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(zhuǎn)方向為順時針方向，允許反向點動；電機旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量為滿足調(diào)速動態(tài)性能的要求，其GD2不大于3.5tm2；電機旋轉(zhuǎn)部件能承受最高轉(zhuǎn)速（1500r/min） 1.2倍的過速運行2min，而不產(chǎn)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(chǎn)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(shè)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(diào)速同步電動機來講增設(shè)阻尼繞組可減少換流重疊角，加速換向過程，提高動態(tài)響應(yīng)的品質(zhì)，所以要求本電機采用全阻尼繞組結(jié)構(gòu)。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(tài)，電機換流時相當(dāng)于兩相突然短路，對應(yīng)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(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。

6） 梯形波電流供電對電機結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn)生振動、噪聲及附加損耗，因此電機結(jié)構(gòu)設(shè)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?yōu)?0°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(zhuǎn)矩的脈動，使電機效率大大提高。

7） 對軋鋼過程中電機轉(zhuǎn)子軸向竄動的要

電機在軋鋼過程中，難免會產(chǎn)生軸向推力，要求電機設(shè)計時采取相應(yīng)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(chǎn)生的推力起阻尼作用，二是軸瓦與軸肩的間隙保證轉(zhuǎn)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(shè)計要求按900mm設(shè)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(fù)載時<80k； 1.1倍額定負(fù)載時≤105k，要求在電機定子、軸承、進(jìn)出風(fēng)口、進(jìn)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(jìn)出風(fēng)、進(jìn)出水各一只。

2 技術(shù)參數(shù)

電機技術(shù)參數(shù)如下：

電機型號：BPT5000-4

額定功率：5000kW

極數(shù)：4極

相數(shù)：6（雙Y移相30°）

額定轉(zhuǎn)速：1000r/min 最高轉(zhuǎn)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" title="勵磁">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(huán)部分IP23）

冷卻方法：ICW37A86

安裝方式：IM1001

全數(shù)字大功率變頻調(diào)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(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)，主電機采用了國產(chǎn)的大型同步調(diào)速電機，由于同步電動機在旋轉(zhuǎn)時能夠產(chǎn)生反電勢和晶閘管電流型變頻器配合使用，逆變器不需強迫換流裝置，因此這種系統(tǒng)簡單，可做到大容量、高轉(zhuǎn)速、價格相比采用IGBT三電平控制系統(tǒng)
在從西門子全套引進(jìn)LCI中，功率單元整流器的晶閘管采用電源的交流電壓換相，逆變器的晶閘管采用負(fù)載同步電動機定子反電勢換向。LCI輸出電流" title="輸出電流">輸出電流的幅值由整流器控制、輸出電流的頻率由逆變器控制。在額定轉(zhuǎn)速以下采用恒磁調(diào)壓調(diào)頻調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上采用恒壓弱磁調(diào)頻調(diào)速。

在同步電機剛剛起動，其轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速10%時，由于電動機反電勢較小，致使逆變器的負(fù)載換相不能正常工作，此時需要靠斷續(xù)換向電路控制整流橋進(jìn)人逆變狀態(tài)，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速升至超過額定轉(zhuǎn)速10%時，則自動切除斷續(xù)換向電路轉(zhuǎn)為負(fù)載換向。

整流器的控制方式采用速度環(huán)和電流環(huán)，類似直流傳動。逆變器的控制方式采用矢量控制技術(shù)。在電機正常運行時逆變器通過同步電動機定子電壓及電流實際值來確定轉(zhuǎn)速實際值，當(dāng)同步電機轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速10%時則采用脈沖發(fā)生器提供附加的轉(zhuǎn)速實際值。

2 硬件組成

西門子電氣公司的SIMOVERTS大功率變頻裝置由下列主要設(shè)備組成。

1） 整流變壓器

額定容量：7200k V·A

原邊電壓：lOkV

副邊電壓：2×2.5kV

頻率：50Hz

結(jié)線方式：Dd0/Dy11

阻抗電壓：Ud=10%

2） 變頻裝置

型號：SIMOVERTS 65B1

輸入電壓：2×2500V

額定輸出電壓：2×2300V

額定輸出電流：2×792A （110%負(fù)載運行時）

最大輸出電流：2×1152A （160%負(fù)載15s，間隔15min）

效率：99%

輸出頻率： 0～100Hz

直流電抗器" title="電抗器">電抗器：額定電壓2×3000V （DC）

額定電流2×1000A

電感值：2×7mh

過載能力：115%長期160%60s

干式、帶鐵心、戶內(nèi)自冷

3） 勵磁裝置

輸出電壓54.6V，輸出電流313.9A電機1.6倍過載時輸出電壓81.2V，輸出電流467.3A。

4） 自動化控制拒

自動化柜內(nèi)控制單元采用SIMADYND全數(shù)字控制系統(tǒng)，它是一種可以自由組態(tài)的多微機系統(tǒng)，是變頻裝置控制系統(tǒng)的核心部件，通過它實現(xiàn)功率單元及勵磁單元的各種高速開/閉環(huán)控制，運算、檢測、監(jiān)視、報警及診斷等功能。其全部功能均由基于圖形組態(tài)的控制軟件來實現(xiàn)，并由各微機按功能分類進(jìn)行實時處理，控制采樣時間小于lms。各微機之間以及微機與其他控制板之間均通過局部總線及通信總線進(jìn)行內(nèi)部高速數(shù)據(jù)通信。從控制單元到功率單元的觸發(fā)及檢測信號采用光電耦合技術(shù)，即采用光纖電纜及光電轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行傳輸。

5） 應(yīng)用軟件

SIMOVERTS應(yīng)用軟件由西門子電氣公司提供。主要有監(jiān)視、邏輯控制、操作員控制、通信控制、閉環(huán)控制及矢量控制等軟件功能包，每個軟件功能包均實現(xiàn)一定系統(tǒng)控制功能。

工程設(shè)計中應(yīng)該注意的幾個問題

（1）精軋變頻調(diào)速裝置畢竟是軋線上眾多設(shè)備中的一臺設(shè)備，變頻器的輸人輸出通訊接口必須連接到整個自動化系統(tǒng)中去，這樣才能實現(xiàn)整個軋線的協(xié)調(diào)控制。

（2） LCI的直流電抗器體積龐大，柜內(nèi)安裝，需要通風(fēng)，要求在土建基礎(chǔ)上開有1000×720mm的孔，然后在孔上架設(shè)槽鋼固定電抗器?，F(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)西門子的設(shè)備、資料與工廠設(shè)計時間銜接不上，造成返工，在今后同類工程設(shè)計時應(yīng)引起注意。

幾點建議

（1）精軋機同步電機從維護的角度應(yīng)考慮采用無刷" title="無刷">無刷勵磁。目前從國外引進(jìn)的高線精軋機同步電動機全部是無刷勵磁，只不過是轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式之分。無刷勵磁的優(yōu)點就是無刷，不用檢查碳刷和更換碳刷，減少了設(shè)備故障點。據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)三家大電機制造廠均能生產(chǎn)無刷勵磁同步電動機，而且都成功的應(yīng)用在電力行業(yè)上。
（2） LCI變頻裝置建議國產(chǎn)化，LCI的一次部件包括整流變壓器、整流柜、電抗器柜、勵磁柜完全可以利用國產(chǎn)元件組裝，其自動化控制柜的核心部件SIMADYNI〕從國外引進(jìn)，這樣可節(jié)約一次性投資50%一60%