1780mm冷连轧机组交直交传动系统的研发和应用

一、研究的背景及问题宽带钢薄板冷连轧机组是冶金生产流程的高端装备，轧钢技术复杂、设备控制先进，是一个国家钢铁工业发展水平的重要标志。其要求高速轧制、多机架速度带张协调、厚度及板形的高精度控制，需要通过轧机传动的速度控制、五机架的速度协调以及辊缝调节来保证带钢金属秒流量相等、带钢张力恒定，故冷连轧机组高速运行下速度调节精度、动态响应时间直接影响产品质量和轧制过程的稳定性。随着轧钢技术的发展及中高端客户的不断提升，宽带钢薄板冷连轧机组生产工艺要求更薄的带钢产品(<0.2mm),更高的产量（即更高的轧制速度），更好的板形质量，所以要求传动速度、带钢张力、轧机厚度AGC和弯辊窜辊等必须高度协调，这就要求其电气传动系统要具有大功率（5-7MW）、高转速（大于1000rpm）、高精度（<0.01%）和高动态响应(<5ms)的技术性能，大型冷连轧机组传动系统一直被认为是电气传动技术的最高台阶。国际上只有少数跨国公司掌握该技术并垄断世界冷连轧机组电气传动装备制造。多年来，国家支持企业、科研院校对轧机传动交流变频调速技术进行了一系列科技攻关，并已取得显著成果，大功率交交变频的国产化已在热连轧、中厚板轧机传动中广泛应用，但应用于冷连轧机组传动的大功率交直交变频装备国产化却一直未取得突破，我国邯钢、首钢以及已投产的几十条宽带钢薄板冷连轧生产线使用的大功率交直交变频调速系统全部依赖进口。而进口设备的技术封锁、服务欠缺，备件昂贵等问题日益突出，核心功率模组经常烧损，单个模组备件90-120万元，修复至少需要3个月，另外部分程序不开放、技术服务不及时等问题给企业造成很大经济损失，严重制约着我国冶金行业的自主创新和快速发展，交直交变频成为轧机传动的“卡脖子”问题，冷连轧机组核心部件的进口替代和成套装备的国产化迫在眉睫。因此，河钢邯钢依托和响应国家大型装备国产化的科技政策，对冷轧机传动的核心功率模组国产化替代、IGCT保护等难题进行了深入研究并取得部分成果，为进一步突破核心技术，又联合深圳市禾望电气股份有限公司、冶金自动化研究设计院、北京首钢公司成立了“1780mm冷连轧机组交直交传动系统的研发和应用”项目组，共同针对邯钢1780mm宽带薄板冷连轧机组大功率交直交变频调速技术进行攻关，在国内首次自主研制了冷连轧交直交变频调速系统并成功应用，实现了冷连轧机组交直交变频传动核心部件及成套装备的国产化。二、解决问题的技术思路与方案开发的大功率交直交变频装置基于IGCT三电平国际主流方案，通过自主研发控制和保护策略，在调速的静、动态性能、IGCT状态快速检测和故障预判、系统智能运维方面达到国际领先水平并具备长期运行的高可靠性。1、针对大型冷连轧机高频率、高精度和高动态响应技术要求的难题，提出基于电压重构状态观测器的同步电机磁场定向控制系统，提高交直交变频调速系统的稳态和动态性能，满足冷连轧机传动的技术指标。2、针对国际上IGCT器件过电流保护困难的难题，发明了基于IGCT状态反馈快速检测技术和故障预判断方法，实现了器件失效、变频器短路等故障的有效保护，为国际首创，大大提高了系统的可靠性。3、建立了基于IGCT多电平变频装置的机-电-热多物理场耦合模型，研制了兼容多种电路拓扑的功率模组和交直交变频装置，效率高、维护方便，功率密度达到国际先进水平。4、研制了基于云计算互联网的信息监测和智能运维系统，提高了大功率变频系统的运行可靠性，降低了轧机传动系统的运维成本。图1信息监测和智能运维系统三、主要创新成果1、针对大型冷连轧机高频率、高精度和高动态响应技术要求的难题，提出基于电压重构状态观测器的同步电机磁场定向控制系统，提高了交直交变频调速系统的稳态和动态性能，满足了冷连轧机传动的技术指标。（1）提出一种基于电压重构状态观测器的同步电机磁场定向控制系统。薄板冷连轧机传动要求很高的调速精度（<0.01%）和动态响应（转矩动态响应时间<5ms）。而同步电机磁场定向控制系统需要检测电机电压、电流来构造磁通观测器，进行电流、磁通、速度的闭环控制，以实现其高精度和高动态响应的调速需求。一般交直交变频器的输出电压为含有高次谐波脉宽调制PWM波形，电压检测困难，无法实现磁通闭环控制，很难达到冷连轧机传动的技术性能要求。针对逆变器输出电压检测困难、无法实现准确的磁链观测难题，本项目根据直流母线电压、开关管函数重构了变频器输出电压，解决了PWM电压检测难题。该方法实时检测直流母线电压，通过一个开关周期内的瞬时相电压的占空比函数和实时检测的母线电压值可以实现输出电压的重构；由于各桥臂的主功率器件可靠关断以及换流时器件寄生储能参数的影响，预留死区时间会使得该方法在电压重构时存在一定的误差，本项目通过补偿死区时间实现了精确的电压重构。图2电压重构波形

图3气隙磁链闭环控制框图（2）自主研发了高速、高可靠性的全数字控制系统。本项目研发的控制系统采用网侧、机侧和接口三个12槽位控制盒：其中网侧和机侧控制盒定位为与主回路算法相关的控制系统，接口控制盒定位为与系统逻辑相关的控制系统。从安规及维护角度看，网侧和机侧控制盒位于控制柜危险侧区域，接口控制盒位于可维护区，设计为SELV。（3）实施效果。本项目研制的基于电压重构状态观测器的同步电机磁场定向控制系统，实现了磁链闭环控制，提高了动态性能和稳态精度，在邯钢1780mm冷轧机组投用后，经实测，稳态速度精度为0.008%、电磁转矩电流实际响应时间为2.8ms、转速响应时间为19.798ms，分别优于要求的0.01%、5ms和小于50ms的设计要求。并且与其它机架进口交直交变频器能够同步协调运行，满足冷连轧传动的技术指标要求。图4大功率交直交变频装置控制系统图

图5变频装置三个控制盒间的通讯方案2、针对国际上IGCT器件过电流保护困难的难题，发明了基于IGCT状态反馈快速检测技术和故障预判断方法，实现了器件失效、变频器短路等故障的有效保护，为国际首创，提高了系统的可靠性。（1）IGCT器件过流保护的问题。IGCT采用电流触发和关断，导通时承受浪涌电流能力强但关断能力有限。在器件损坏、误触发或逆变器内部短路时会出现直通故障，这时储存在直流电容中的电能通过未损坏的IGCT短路放电，电流上升很快，检测到故障时，电流已超过其最大可关断电流值，无法采用关断IGCT的方法实现保护。国外厂家采用器件直通和附加旁路保护策略，但分别存在电网和电机侧短路以及检测时间过长导致保护失败的风险，因此实现IGCT的过流保护是电力电子世界性难题。（2）建立IGCT模组的寄生参数模型，分析其失效风险点，根据失效风险点建立故障保护策略。模组的寄生参数分布在模组中的连接铜排、导线以及功率器件间的分布电阻、分布电容和分布电感，所有的杂散电感和等效电阻可能对IGCT元件关断时的过电压产生影响，因此要统计出IGCT动作时电流流经的器件途径，通过仿真软件测量各元件的杂散电感及导通电阻值，代入建立的IGCT仿真模型，分析这些参数对IGCT关断过电压的影响。图6杂散电感和模组机械结构对照图（3）首次提出基于IGCT状态反馈快速检测技术和故障预判方法，实现了器件失效、变频器短路等故障的有效保护，IGCT过流预判和保护技术为国内外首创。深入分析采样线缆杂散电感和寄生电容对采样实时性的影响，开发了极低延时的IGCT故障检测板、LN电压状态检测板、电流过零检测板，通过汇总到发波板的FPGA，实现了对IGCT故障状态的实时监控和保护。当IGCT短路或IGCT桥臂直通、变频器输出短路时，均可在14us内，判断出故障信息和类别，通过保护逻辑进行系统的有效保护。（4）实施效果。项目组对IGCT器件、二极管、变频器输入和输出短路故障，经上百次验证均可准确预判故障类别并有效保护，解决了单一IGCT器件失效导致多个IGCT失效并可能导致电机和电网侧短路的严重问题。运用该技术的几十台交直交变频器未出现一例IGCT过流烧毁故障，更验证了其有效性。3、建立了基于IGCT多电平变频装置的机-电-热多物理场耦合模型，研制了兼容多种电路拓扑的功率模组和交直交变频装置，效率高、维护方便，功率密度比达到国际先进水平。高功率密度的大功率变频器需要从器件、模块、整机多角度进行热设计仿真，需要机-电-热多物理场模型，从电路设计、材料研究、机械结构入手，解决高电压、大电流，水冷散热，电气绝缘，紧凑结构等难题。如何实现高功率密度整机和高可靠性、便于维护特性是本项目面临的任务。（1）建立了大功率IGCT器件和三电平电压型交直交变频器的仿真模型，为大功率IGCT交直交变频系统的研究和设计奠定了基础。构造了4500V/4000A大功率IGCT元件的仿真模型；构造了快速恢复二极管模型；建立了基于PSIM软件的IGCT器件和二极管箝位式三电平电压型交直交变频器的仿真模型。图7基于SVPWM控制算法的IGCT逆变器仿真模型（2）研制了杂散电感小、散热性能好、兼容多种电路拓扑的功率模组传统功率模组一般使用三串式布局，如Siemens、ABB，该布局可方便将IGCT和反并联二极管连接。本项目采用两串式布局，通过连接铜排的变化，可方便实现在同一模组框架下兼容NPC、NPC+RCD和ANPC三种电路拓扑。（3）实施效果：本项目通过机-电-热多物理场的分析方法，从材料、器件工艺入手，优化电抗器、散热器、支撑件等，研制出高功率密度（1.75MW/m3）且轻量化的模组，达到国际先进水平。模组更换时间仅需20分钟，显著降低了维护难度。图8

功率模组对比图（进口功率模组重量262kg，本项目功率模组重量183kg）4、研制了基于云计算互联网的信息监测和智能运维系统，提高了大功率变频系统的运行可靠性，降低了企业的运维成本。（1）变频器远程监控技术。本项目开发的远程监控系统与传统SCADA相比，在数据量和数据分辨率上有了质的提升。数据量：可同时查看100个以上变频器所有实时电气参数，变频器可检测的实时电气参数超过2000个。默认可保存1000万条以上的事件记录以及10万条以上的故障录波数据。

数据分辨率：故障前后的数据分辨率可达3kHz，可实现瞬时量的查看，对指定数据可按1.5kHz的分辨率进行实时采集和波形绘制记录。对需要长期跟踪查看的数据，可实现秒级分辨率进行历史趋势绘制。图9开发的智能维护采集器和移动助手

（2）智能故障诊断及预测技术本项目利用已积累的维护经验和历史故障记录进行分析，利用中位数分位数、均值、方差等统计学知识，对现场故障、维护数据周期性的统计分析。根据当前的运行数据和历史故障记录，通过机器学习训练模型，经过实时数据计算、特征提取、判据生成，实现故障诊断和部件损坏的提前预警。（3）实施效果：基于云计算的信息检测和智能运维系统，可提前预警变频器和传动系统的重大问题，实现远程监控、智能故障诊断及预测，解决系统远程运维难题，降低了运维成本。四、应用情况与效果本项目所研制的大功率变频调速装置主要性能技术指标与西门子、ABB、TMEIC等当今国外先进产品相比如下表所示：表1本项目同国外同类变频装置的主要技术性能对比2019年12月，本项目成功应用于邯钢1780mm冷连轧产线，各项性能指标均达到世界先进水平，完全满足酸轧线生产工艺和产品质量要求。在保障工艺控制指标不降低的情况下，还解决了原系统备件短缺昂贵和产线面临停车的风险，并且在IGCT模组的保护性、维护的便利性、技术服务的及时性和数据共享等方面都有了大幅提升，而且在降低产线故障率、提升系统运行稳定性的同时还大幅降低了改造费用、运维成本，提升了产线作业率和成材率，在国内同类型产线中