【正文】 高的過載能力, 達(dá)到甚至超過了直流調(diào)速系統(tǒng)的控制性能。矢量控制系統(tǒng)通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換, 把坐標(biāo)參照系放在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上,把氣隙磁通定為磁場(chǎng)定向軸線,與其正交的為轉(zhuǎn)矩軸。定子磁鏈定向矢量控制同步電機(jī)在動(dòng)態(tài)過程中，存在著轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流過大而造成磁路飽和的缺陷，對(duì)與頻繁沖擊負(fù)載的軋鋼機(jī)主傳動(dòng)，應(yīng)采用氣隙磁鏈定向矢量控制。對(duì)粗軋機(jī)交交變頻調(diào)速系統(tǒng)和精軋機(jī)交交變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及功率分析，分別給出了軋制工藝圖（軋制轉(zhuǎn)矩、軋制速度）、功率曲線圖（無功功率、有功功率）及供電電網(wǎng)功率分析表，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算給出無功功率補(bǔ)償容量和設(shè)置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，并同時(shí)給出供電電網(wǎng)諧波濾波器。根據(jù)目前國際電力電子器件的電壓、電流及開關(guān)頻率的制造水平，1200～1700V的低壓IGBT多用于1MW以下的變頻器，采用3300V高壓IGBT的變頻器容量為1～3MW，而IGCT/IEGT等高壓大功率器件用于3～10MW的變頻器，晶閘管變頻器則在15MW以上。大容量交交變頻同步電機(jī)采用定子磁鏈定向矢量控制，其控制原理是德國學(xué)者于1972年繼異步電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制原理之后提出的，后來分別建立了定子磁鏈定向矢量控制凸極同步電機(jī)和隱極同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。目前世界上電力電子器件已經(jīng)由IGCT逐漸成熟改向IGBT研究，電機(jī)單機(jī)容量正由12000KW向15000KW突破。德國、美國、日本、法國等世界各大電氣公司都爭(zhēng)相開發(fā)交交變頻同步電機(jī)調(diào)速技術(shù)。關(guān)鍵詞 軋鋼機(jī) 熱連軋 矢量控制 交交變頻ABSTRACTThis article has carried on the design to the largescale hot panymill main transmission frequency conversion velocity modulation system, main transmission had the low speed high efficiency transmission according tothe largescale hot pany mill, a higher dynamic response and theoverload capacity characteristic, the choice technology applicationalready the mature junction hands over the frequency conversion synchronous machine velocity modulation to take the system the designproposal, synchronous machine used the magnetic field direction detection vector control, handed over the alternation frequency speeder to use the high efficiency crystal thyratron part to posethe multi wraps high efficiency junction to hand over the frequency changer, and carried on the debugging analysis to the frequency conversion velocity modulation system, mainly was carries on thetorque, the rotational speed and the power analysis to the rollingprocess, as well as carried on the idle work to pensate with theovertone government.Key words: Mill, Hot panymill,Vector control,ACAC cycloconverter 第1章 引言、前言 大型熱連軋鋼機(jī)主傳動(dòng)要求電氣傳動(dòng)系統(tǒng)具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和過載能力。這一領(lǐng)域長期被直流電動(dòng)機(jī)所壟斷，由于直流電機(jī)存在換向器、電刷等部件，使其在提高單機(jī)容量、過載能力以及簡化維護(hù)等方面受到了限制，已不能滿足軋鋼機(jī)向大型化、高速方面的發(fā)展。1981年德國西門子公司研制成功世界上第一臺(tái)4000KW大型交交變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，目前世界上已有數(shù)百套這類調(diào)速系統(tǒng)投入運(yùn)行，單機(jī)容量達(dá)到12000KW。、軋鋼機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀與存在的問題軋鋼機(jī)主傳動(dòng)交交變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由同步電機(jī)、交交變頻器和磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)三大部分組成。定子磁鏈定向矢量控制同步電機(jī)在動(dòng)態(tài)過程中，存在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流過大而造成磁路飽和的缺陷，對(duì)與頻繁沖擊負(fù)載的軋鋼機(jī)主傳動(dòng)，應(yīng)采用氣隙磁鏈定向矢量控制。、本文的主要內(nèi)容本文對(duì)大型熱連軋鋼機(jī)主傳動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)大型熱連軋鋼機(jī)主傳動(dòng)具有低速大功率傳動(dòng)、較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和過載能力的特點(diǎn)，選擇技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成熟的交交變頻同步電機(jī)調(diào)速作為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其中同步電機(jī)采用磁場(chǎng)定向矢量控制，交交變頻調(diào)速裝置采用大功率晶閘管元件組成多套大功率交交變頻器，并對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試分析，主要是對(duì)軋制過程進(jìn)行轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及功率分析，以及進(jìn)行無功補(bǔ)償與諧波治理。最后介紹了軋機(jī)機(jī)電振動(dòng)的抑制并給出相應(yīng)的抑制方法。交交變頻同步電機(jī)控制系統(tǒng)采用磁場(chǎng)定向矢量控制原理。把定子交流電流矢量沿磁場(chǎng)定向軸分解為磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流,氣隙磁通與轉(zhuǎn)矩電流正交,可以分別控制。本章介紹了磁場(chǎng)定向矢量控制同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的dq軸系的數(shù)學(xué)模型及磁場(chǎng)定向矢量控制同步電機(jī)定子的MT軸系的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步介紹了氣隙磁鏈定向控制同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。圖21為凸極同步電機(jī)基本模型示意圖。圖21 凸極同步電機(jī)基本模型示意圖本文建立同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的假設(shè)條件為a) 定子三相繞組在空間對(duì)稱分布，氣隙磁勢(shì)和磁密在空間作正弦分布；b) 忽略磁路飽和及鐵芯損耗；c) 忽略溫度對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響；d) 采用電動(dòng)機(jī)慣例設(shè)定正方向；e) 采用Xad制互感系數(shù)可逆的標(biāo)幺值系統(tǒng)。4. 以磁鏈為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 （25）式中，； ； ； 為單位矩陣。交流電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)采用的坐標(biāo)變換關(guān)系見圖22。圖中、分別是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁、氣隙、定子磁鏈。坐標(biāo)變換矩陣為 （27）用（26）式旋轉(zhuǎn)變換針對(duì)（21）、22）和（24）式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，可以得到1. 電感系數(shù)矩陣 （28）其中，； ； 。5. 傳遞函數(shù)由于同步電機(jī)外部控制量只有定子電壓和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓，電機(jī)的阻尼回路的電量不能直接控制，為了分析簡單，可以從電機(jī)數(shù)學(xué)模型中消去阻尼電量，使五維模型降到三維模型，推出不含阻尼電量的同步電機(jī)MT軸系磁鏈方程。在氣隙磁鏈定向矢量控制時(shí)，同步旋轉(zhuǎn)軸線M軸與氣隙磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，如圖24所示。同時(shí)，阻尼電流以及負(fù)載角都是定子轉(zhuǎn)矩電流的函數(shù)。當(dāng)定子轉(zhuǎn)矩電流變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流來補(bǔ)償電樞反應(yīng)，以維持氣隙磁鏈恒定不變。交交變頻原理早在20世紀(jì)30年代就已提出，當(dāng)時(shí)交交變頻器采用的換流器件是汞弧閘流管，由汞弧閘流管組成的交交變頻裝置曾在歐洲用于電機(jī)機(jī)車上，但由于汞弧閘流管性能的限制，交交變頻器沒能得到推廣。本章以工程廣泛應(yīng)用的三相輸入三相輸出的無環(huán)流六脈波橋式連接的晶閘管交交變頻器為例，討論交交變頻器的基本原理、交交變頻器輸出電壓、輸出電流、無功功率的數(shù)學(xué)模型和諧波分析。在輸出單相電壓的一個(gè)周期中，正、反組各工作半個(gè)周期，而且不允許兩組同時(shí)導(dǎo)通工作，即已工作的一組必須先關(guān)斷，然后才能觸發(fā)另一組。若令 （37）式（37）與公式（31）、公式（36）聯(lián)立，可以推出 （38）則 （39）其中，為調(diào)制系數(shù)，交交變頻器輸出相電壓峰值與變流器理想空載電壓之比，即 （310）由兩套反并聯(lián)三相全控橋組成的三相交交變頻調(diào)速系統(tǒng)。例如，輸出電壓比半控橋大一倍；電源變壓器中沒有直流磁通勢(shì)；另外，三相全控橋輸出的諧波電壓頻率增高、幅值減小，甚至有些諧波電壓可以互相抵消。觸發(fā)器的同步信號(hào)取成余弦波，這些同步電壓取自變流器的交流輸入電壓并與其同步，即 　　 （311） （312）其中，為余弦同步電壓波的峰值；為基準(zhǔn)電壓值。如果要求交交變頻器的輸出電壓是正弦波，即 （318）設(shè)整流器觸發(fā)延遲角為，則無換流重疊角時(shí)的整流電壓為 （319）根據(jù)交交變頻器工作原理，晶閘管交流整流器輸出的直流電壓應(yīng)等于變頻器的交流輸出電壓。由于變流器輸出電流即為變頻器的輸出電流，可以推出變頻器輸入電流基波峰值的關(guān)系式為 （329）其中。因?yàn)? （335） （336）我們推導(dǎo)出有功功率的平均值 （337）式（337）與式（334）結(jié)果完全相同，說明交交變頻器輸入和輸出有功功率是相等的。特別應(yīng)該值得注意的是，無論負(fù)載是感性還是容性，交交變頻器始終從電網(wǎng)獲取滯后的無功功率，即變化，而。各段電壓用數(shù)學(xué)方法表示為相應(yīng)的正弦輸入電壓和“開關(guān)函數(shù)”的乘積；當(dāng)相應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通時(shí)，此開關(guān)函數(shù)的幅值為1，而當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)其幅值為0。對(duì)于交交變頻器的每相正反組變流器，為了輸出交變的電壓，在電感負(fù)載條件下，應(yīng)以觸發(fā)角為零點(diǎn)，使兩組變流器的觸發(fā)角在彼此相反的方向上往復(fù)振蕩。忽略推導(dǎo)過程，我們直接寫出無環(huán)流方式下，6脈波無環(huán)流交交變頻器輸出電壓表達(dá)式 （346）其中，；為從1到無窮大的任何整數(shù)；，為從0到無窮大的任何整數(shù)。同步電機(jī)額定輸出功率：；額定定子電壓有效值：；額定定子電流有效值：；電流過載系數(shù)：。此例中 （351）（3） 考慮動(dòng)態(tài)變化的整流變壓器二次電壓計(jì)算整流變壓器需要考慮在系統(tǒng)運(yùn)行的極端情況，電網(wǎng)電壓降、變壓器短路阻抗、變壓器銅損壓降、變壓器到變流器的線路電纜電感壓降、晶閘管壓降、變流器輸出電纜電感壓降等，此時(shí)線路電感壓降在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化時(shí)引起主要作用，因此，整流變壓器的二次電壓應(yīng)能滿足同步電機(jī)運(yùn)行的電壓要求。由計(jì)算機(jī)程序計(jì)算的結(jié)果與前面整流變壓器二次電壓設(shè)計(jì)公式比較可以看出，整流變壓器空載二次電壓要大于設(shè)計(jì)公式的，這是考慮了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電流變化引起電感電壓降的結(jié)果，因此，對(duì)于大過載、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，例如，可逆軋機(jī)等，必須考慮動(dòng)態(tài)變化的整流變壓器二次電壓計(jì)算方法。以前述電機(jī)為例，額定定子電流有效值，電機(jī)過載倍，電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流為 （354）根據(jù)晶閘管橋式電路計(jì)算關(guān)系，晶閘管電流為 （355）選擇晶閘管的標(biāo)稱電流，可以計(jì)算出晶閘管電流裕度 （356）但是交交變頻器在正常工作時(shí)，頻率是變化的，每個(gè)晶閘管僅在半個(gè)輸出周期中工作，另半個(gè)周期不工作，即使在工作半個(gè)周期內(nèi)流過管子的電流也時(shí)大時(shí)小。 變頻器的保護(hù)交交變頻器同晶閘管變流器的過電壓、過電流保護(hù)大體相同，但也有其特殊性。電機(jī)均方根電流值是電機(jī)過載的保護(hù)，當(dāng)電機(jī)電流達(dá)到其最大電流，即系統(tǒng)的電機(jī)電流限幅持續(xù)時(shí)，應(yīng)封鎖系統(tǒng)一保護(hù)電機(jī)。壓敏電阻體積小、損耗小，被廣泛應(yīng)用，工程上常用晶閘管開關(guān)加雪崩二極管來改善壓敏電阻的轉(zhuǎn)折電壓特性。轉(zhuǎn)矩分量與磁鏈正交，產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩；磁場(chǎng)分量與磁鏈同軸，控制，可改變功率因數(shù)，也就可控制系統(tǒng)的無功功率，其控制原理圖如34所示。GTO型裝置電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)高，諧波較小，但是造價(jià)高。本章將對(duì)1450mm熱連軋主傳動(dòng)交交變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，電機(jī)功率為5000KW，電機(jī)采用矢量控制；交交變頻器由3臺(tái)電網(wǎng)自然換流可逆的三相橋式整流裝置組成，對(duì)應(yīng)同步電機(jī)A、B、C三相，三相交交變頻器采用邏輯無環(huán)流三相有中點(diǎn)方式，由3臺(tái)整流變壓器供電，輸出端采用星點(diǎn)聯(lián)接；交交變頻調(diào)速裝置采用大功率晶閘管元件組成多套大功率交交變頻器；熱連軋主傳動(dòng)的每臺(tái)同步電機(jī)都配有一套SIMA