西门子sm150变频器的性能特点及中厚板轧机主传动系统的应用

1 、引言

中厚板轧机主传动系统的调速方案有直流调速、交交变频调速、交直交变频调速等，每种调速方案均能满足大功率可逆运行、过载能力强、控制精度高、响应速度快、力矩脉动小等轧钢工艺要求。由于直流电机维护量大且较复杂，已很少在新项目中采用直流调速方案；交交变频系统在运行时对电网产生的谐波干扰和无功冲击，严重影响到供电电网的质量和效率，需设置相应的动态无功补偿装置，影响了该调速方案的性价比。随着电力电子技术及计算机技术的迅猛发展，采用igct或igbt的交直交三电平变频调速系统在大容量调速领域逐步发展成熟起来，它克服了交交变频系统的缺点，很好地满足了电网对传动系统的要求，对电网无污染。

目前，西门子、abb等公司分别推出了各自具有代表性的交直交三电平变频调速系统，本文以西门子公司的sinamics sm150系统为例介绍其在轧机主传动系统中的应用。

2、 厚板轧机主传动系统的选型

西门子公司推出的中压变频调速装置sinamics sm150系列，使2.3kv-7.2kv的大功率中压变频调速装置获得高动态性能成为可能。它通过一个真正的标准程序，对0－9000rpm范围内的传动速度进行精确的控制。

由于采用成熟可靠的高压igct器件，使sinamics sm150系列中压变频器结构简单紧凑，而且可靠性极高。电压源型矢量控制技术，高功率因数，三电平设计，拥有灵活强大的通讯功能，并可根据工艺要求提供多种选件。

sinamics sm150系列中压变频器整流和逆变的功率元件采用相同的设计，硬件结构完全一致，采用独立的水冷单元进行系统冷却，降低了系统运行的噪声。

sm150是带有源前端、可以四象限运行的高性能变频器，用的是中点钳位的三电平结构。sm150控制核心使用了simotion d445控制器。其最大单台功率为10mva，3台直接并联起来可构成28mva的逆变器。sm150也可以构成一个公共直流母线带几个逆变器的系统。

sm150典型的功率元件图如图1所示。

某钢铁公司新建4300中厚板生产线一条，采用双四辊轧机、可逆轧制工艺布置，粗轧机主电机为两台7500kw、3050v的同步电动机，双绕组结构，空水冷却方式，额定电流为2×740.8a，转速为0-40-80rpm，额定励磁电流为628.2a，最大励磁电流为1269.2a；精轧机主电机为两台9000kw、3150v的同步电动机，三绕组结构，空水冷却方式，额定电流为3×574a，转速为0-55-120rpm，额定励磁电流为514a，最大励磁电流为1743a。主传动系统采用sm150并联结构，系统主回路拓扑图如图2、图3所示。

3 、sm150 的系统构成

sm150中压变频装置主要由硬件结构相同的整流、逆变功率单元以及水冷单元、励磁单元、控制单元、检测模块、接口系统等组成。其全貌图如图4所示。

sm150的整流、逆变单元均由相模块构成，每个相模块主要由四块igct组成，整流单元带有有源前端；水冷单元主要由热交换装置、去离子装置、泵系统等构成；励磁单元采用simoreg dc-master 6ra70装置；控制单元主要由simoTIon d d445组成，控制模块d445包含和传动其他部分通讯的以太网接口、dp接口、drive-cliq接口、软件和传动程序等，其控制及接口拓扑图如图5所示。

检测模块主要包括速度检测模块、电压检测模块、电流检测模块、电压传感模块等组成。

接口系统包括与进线变压器、进线断路器、励磁系统、自动化系统、无负荷接触器、远程站、pda等系统间的接口，连接方式有硬线连接、以太网通讯、dp通讯、drive-cliq通讯等。其中dp通讯方式采用较为广泛，以精轧机主传动系统为例，dp通讯配置拓扑图如图6所示。

4 、sm150主要功能

sm150作为西门子公司新一代高性能交直交三电平矢量控制变频装置能够很好地满足中厚板轧机的各种工艺控制要求，实现方法简单，设置灵活，其主要功能包括：

灵活的电机保护功能。允许电机过载115%长期运行，电机过载225%运行60秒，电机过载250%运行20秒，电机过载275%产生速断，保护电机不受损害。

对于同步电动机的控制性能。有速度反馈时的最大输出频率为90hz，弱磁调速范围为1:4，速度控制精度为±0.01%，力矩控制精度为±2%，动态响应时间为5ms。转矩脉动小，效率高。

传动控制功能。主要包括矢量控制、速度控制、同步电机励磁控制、传动顺序控制、动态速降补偿、雪橇板特性控制、负荷平衡控制、轴定位控制、变压器运行监视、基于数学模型的电机转子温度监视、参数化的系统配置、系统诊断功能、波形监视功能、辅助系统（进线断路器、电机的空间加热器、电机冷却、电机润滑、轴瓦温度等）控制功能、与自动化系统的接口等。

另外，sm150的变换效率为0.99，具有可调的功率因数，功率因数可达到0.99。igct的开关频率为200hz，功耗小。

5 、sm150 的系统调试

sm150系统的调试需要具备一定的专业知识并经过相关的技术培训。sm150系统的调试需要一定的软件环境，包括step7、simoTIon scout、simoTIon dcc（cfc for simoTIon）、wincc flexible、drive es等。

调试准备。主要包括软件环境的搭建、sm150固件版本的确认、cf卡内容的检查确认及备份、项目的创建、调试工具的准备、调试所需数据及资料的准备等。

初步检查调试。初步调试的主要内容包括柜内开关、熔断器、辅助电源的检查；电缆的标识；控制回路送电后各单元的状态检查；系统网络的搭建及连接测试；psa stamp；acx数据的上装与下载；系统配置拓扑图的检查；单元设备固件的更新；软件的保护；工程库的安装；运行时序的配置；整流单元通讯字的配置等。

功率柜的检查。主要包括功率柜门的检查及柜内控制部分的检查测试；接地开关的检查测试；绝缘测试（变压器出线侧及电动机绕组等的绝缘测试）等。

整流单元的调试。在测试模式下调试辅助风机、门触发电压、线路开关、短路开关、预充电系统等；高压送电后相位角的测量、电气角度偏移量的计算与补偿等；系统的辨识，主要包括触发脉冲的移相与增益、变压器的短路容量、直流母线连接电容的辨识、能量回馈的辨识、直流母线电压的辨识等；预控系统的调试；控制单元间通讯的调试等。

电机模块的调试。主要包括电机参数的设定；测速编码器参数的设定；转子电气位置的定位；传动系统调速模式的设定；机械因子的设定；励磁系统的调试；矢量控制的相关设置；各种限幅及保护值的设定；实际值得标定；本地操作的相关设置；弱磁范围的调试；系统性能的优化调试等。

与自动化系统的联合调试。主要包括两者间的通讯调试、接口表的测试、转子定位、负荷平衡、雪橇板控制、pda、故障信息等。

6、 结束语

sm150中压变频装置在厚板产线应用两年来运行稳定，动静态性能良好，故障率低，维护量小且维护方便，能够满足厚板产线主传动的生产工艺要求。（网络）