宣鋼高速線材工程由北京首鋼設(shè)計(jì)院總承包。該工程在電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)中采用了多項(xiàng)新技術(shù)，其中有：
（1）整個(gè)軋線采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制、過程控制級(jí)完成全線速度設(shè)定，軋制程序的儲(chǔ)存、全線軋件跟蹤、打印報(bào)表等；基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)完成全線速度級(jí)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(gè)軋線自動(dòng)化水平高，達(dá)到了同類軋機(jī)國內(nèi)先進(jìn)水平。
（2）采用網(wǎng)絡(luò)控制：過程控制級(jí)采用工業(yè)以太網(wǎng)；基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)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(fèi)用。
（3）為消除直流傳動(dòng)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(jī)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(dòng)機(jī)，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(shí)間最短、投產(chǎn)最快的一套軋機(jī)。
工藝概況
設(shè)計(jì)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(jī)最高設(shè)計(jì)速度113m/s，保證速度85m/s（φ5.5mm）精軋機(jī)采用頂交型新型軋機(jī)。
工藝要求精軋機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)是很難實(shí)現(xiàn)的。
對精軋驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)主傳動(dòng)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(jī)的調(diào)速方案。下面是設(shè)計(jì)院對電機(jī)制造廠家提出的一些技術(shù)要求和電機(jī)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(jī)在1.1倍額定負(fù)載狀態(tài)下長期運(yùn)行。在周期內(nèi)等效負(fù)載不超過額定負(fù)載時(shí)1.6Pn運(yùn)行15s，間隔時(shí)間15min。
2） 時(shí)電機(jī)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(hào)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(jī)必須滿足X"d≤13.03%（50Hz時(shí)標(biāo)么值）；每相換向電抗Xcm = 0.6X"d ≤ 7.818%（50Hz時(shí)標(biāo)么值）而且由西門子公司派技術(shù)人員到廠家試驗(yàn)驗(yàn)收。
3） 對機(jī)械特性和性能的要求
要求電機(jī)從傳動(dòng)端看電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，允許反向點(diǎn)動(dòng)；電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為滿足調(diào)速動(dòng)態(tài)性能的要求，其GD2不大于3.5tm2；電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件能承受最高轉(zhuǎn)速（1500r/min） 1.2倍的過速運(yùn)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(jī)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(jī)絕緣承受電壓超過額定值，因此要求電機(jī)定子繞組絕緣按工作電壓6000V設(shè)計(jì)，按6000V級(jí)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(jī)除加強(qiáng)對地絕緣外，還要加強(qiáng)匝間絕緣。
5） 對電機(jī)采用阻尼繞組的要求
對于采用LCI供電的調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的品質(zhì)，所以要求本電機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)行機(jī)理上分析，電機(jī)是長期工作在兩相通電，兩相短路的交替工作狀態(tài)，電機(jī)換流時(shí)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(dòng)態(tài)品質(zhì)。
6） 梯形波電流供電對電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求
由于LCI的電流輸出彼形為梯形波，電動(dòng)機(jī)中除基波外還存在一系列的奇次諧波對電機(jī)影響較大，使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲及附加損耗，因此電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求采用雙繞組且在定子空間上相互錯(cuò)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(gè)相帶改為12個(gè)相帶，每個(gè)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(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，使電機(jī)效率大大提高。
7） 對軋鋼過程中電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)的要
電機(jī)在軋鋼過程中，難免會(huì)產(chǎn)生軸向推力，要求電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)防范措施。對本電機(jī)要求：一是在軸承端面澆有鎢金并開有儲(chǔ)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(dòng)不大于士2mm。
8） 對電機(jī)外形尺寸的要求
由于工藝位置尺寸受到限制，要求電機(jī)主軸中心至定子頂部不能超過920mm，設(shè)計(jì)要求按900mm設(shè)計(jì)，電機(jī)的外形尺寸為長4160mm，寬2730mm，高1800mm，總重量30t。
9） 對電機(jī)溫度的要求
電機(jī)在額定負(fù)載時(shí)<80k； 1.1倍額定負(fù)載時(shí)≤105k，要求在電機(jī)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(jī)技術(shù)參數(shù)如下：
電機(jī)型號(hào)：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(lì)磁" title="勵(lì)磁">勵(lì)磁方式：有刷勵(lì)磁
勵(lì)磁電壓：54.6V （1000 r/min）
50.2V （1500 r/min）
勵(lì)磁電流：313.9A （1000 r/min）
288.9A （1500 r/min）
1.6PN時(shí)勵(lì)磁電壓：
81.2V （1000 r/min）
75.5V （1500 r/min）
1.6PN時(shí)勵(lì)磁電流：
467.3A （1000 r/min）
434.2A （1500 r/min）
1.6PN時(shí)定子電流：
1153.8A （1000 r/min）
1145A （1500 r/min）
防護(hù)等級(jí)：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(jī)主傳動(dòng)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(jī)采用了國產(chǎn)的大型同步調(diào)速電機(jī)，由于同步電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)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(qiáng)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(jià)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(dòng)機(jī)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(jī)剛剛起動(dòng)，其轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速10%時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)反電勢較小，致使逆變器的負(fù)載換相不能正常工作，此時(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至超過額定轉(zhuǎn)速10%時(shí)，則自動(dòng)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(dòng)。逆變器的控制方式采用矢量控制技術(shù)。在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)逆變器通過同步電動(dòng)機(jī)定子電壓及電流實(shí)際值來確定轉(zhuǎn)速實(shí)際值，當(dāng)同步電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速10%時(shí)則采用脈沖發(fā)生器提供附加的轉(zhuǎn)速實(shí)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(hào)：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(yùn)行時(shí)）
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(lì)磁裝置
輸出電壓54.6V，輸出電流313.9A電機(jī)1.6倍過載時(shí)輸出電壓81.2V，輸出電流467.3A。
4） 自動(dòng)化控制拒
自動(dòng)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(jī)系統(tǒng)，是變頻裝置控制系統(tǒng)的核心部件，通過它實(shí)現(xiàn)功率單元及勵(lì)磁單元的各種高速開/閉環(huán)控制，運(yùn)算、檢測、監(jiān)視、報(bào)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(shí)現(xiàn)，并由各微機(jī)按功能分類進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，控制采樣時(shí)間小于lms。各微機(jī)之間以及微機(jī)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(hào)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(gè)軟件功能包均實(shí)現(xiàn)一定系統(tǒng)控制功能。
工程設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的幾個(gè)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(tái)設(shè)備，變頻器的輸人輸出通訊接口必須連接到整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中去，這樣才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)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。現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)西門子的設(shè)備、資料與工廠設(shè)計(jì)時(shí)間銜接不上，造成返工，在今后同類工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起注意。
幾點(diǎn)建議
（1）精軋機(jī)同步電機(jī)從維護(hù)的角度應(yīng)考慮采用無刷" title="無刷">無刷勵(lì)磁。目前從國外引進(jìn)的高線精軋機(jī)同步電動(dòng)機(jī)全部是無刷勵(lì)磁，只不過是轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式之分。無刷勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)就是無刷，不用檢查碳刷和更換碳刷，減少了設(shè)備故障點(diǎn)。據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)三家大電機(jī)制造廠均能生產(chǎn)無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，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(lì)磁柜完全可以利用國產(chǎn)元件組裝，其自動(dòng)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%