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鞍钢第二炼钢厂连续铸钢车间1流和2流生产线是1988年从日本神户制钢所全套引进，运转自今已经17年，PLC控制系统和传动变频设备基本老化，经常出现故障，而且由于控制设备已经进入淘汰周期，因此，从2003年陆续开始改造。
1．中间包台车控制系统简介
炼钢厂中间包属于板坯连铸工艺前道设备，主要作用是钢水包回转到浇铸位置（即中间包的上方），打开钢水包滑动水口，使钢水注入中间包，待中间包钢水达到要求时，用中间包滑动水口控制注流，注入结晶器中。中间台车进行平移或升降控制，由于使用环境恶劣，工作级别高。就其走行和升降运行除考虑严格密封防止金属粉尘和耐高温、安全系数高等条件因素外, 还具有一定的特殊性, 无论走行还是升降采用双电动机,双传动机构刚性联接的机械结构（见图1）。
图1 双电动机刚性联接机械结构
当正常运行时2 台电动机必须同步运行以防止机械结构的损坏。当其中任一台电动机发生故障时, 另一台电动机必须能单独完成中间钢包起升和下降或平移的工作要求, 以防止严重的生产安全事故的发生。针对中间钢包必须的双电动机热备份的特殊情况，采用了变频器来实现双机控制。
2．对变频调速设备的技术要求
（1） 有良好的起动特性和稳速精度,起动力矩满足电机过载要求。起动力矩足够＞（钢包车静转矩＋摩擦转矩），以满足重载起动的要求（包内浇灌钢水）。
（2）升降转速连续可调,性能稳定可靠,以适应生产要求高速运转的需要。
（3） 采用双电机驱动,要求2 台电机速度偏差小于6rpm ,两电机转矩偏差小于输出转矩的5 %。以保证2 台电机负荷的均衡性。
3．变频器选型
由于AB 1336 IMPACT变频器具有FORCE矢量控制技术，可独立控制交流电机的转矩和磁通，适用于冲击负载和需要大的起动转矩场合，具有出色的速度控制和转矩控制功能，且在零速时仍能产生满转矩，完全满足双电机拖动的需要,故我们选择了1336E变频器作为台车升降控制。
1336 PlUSⅡ变频器具有无传感器矢量控制功能，可以满足台车走行的要求，我们选择1336F变频器作为走行控制。
4．控制应用要点
（1） 重载起动和停车
中间包为重型设备, 其负载变化范围是相当大,其自重近30t ,再加上钢水可达80t 。1336E系列变频器是目前先进的变频控制设备,对电机参数具有自整定优化运行功能,能充分发挥电动机的潜能,达到优控制。
对于升降控制，起动尤为重要，如果变频器运行后，tisheng力矩不足的话一旦制动闸打开就会出现溜钩或钢包滑落无法控制而快速下降，造成设备损坏事故。停车时，如果速度和制动闸配合不好，也会出现过早制动造成制动闸寿命缩短。
解决方案：见原理图2
图2 台车升降电气原理图
利用变频器数字量输出接口，可编程为零速，和转矩输出功能。
起动时，通过使能1336E内置功能块逻辑加减功能（P212=16），链接P86——-＞P198和P201，对于tisheng转矩设定值可在P199中设定，下降转矩设定值可在P202中设定，P200=11，P203=9，P208=1,P209=0,输出值连接至数字量输出3（P189=37）控制制动闸。因此可灵活设定tisheng转矩为额定转矩的1.2-1.5倍和下降转据为额定转矩的0.3-0.5倍来控制制动闸，确保平稳起动。
停车时，设定数字量输出1（P114=15），和P19保证电机在零速时，才开始控制制动闸的抱闸。
（2） 回馈电能的处理
由于重载下降时，钢包车因自身的重力而下降，电动机的转速将超过同步转速而进入再生制动状态。电动机的旋转方向是下降的，但其转矩的方向却与旋转方向相反，见图3。
图3 重载下降时的工作点
因此，无论减速过程还是对于钢包车重载下降时释放位能通过电动机转换成电能都将回馈给变频器，造成变频器直流母线电压升高。
解决方案一：选择制动单元和制动电阻把电能转化为热能消耗。
解决方案二：选择回馈单元把电能送回电网。不考虑初期投资该方案有很好的经济性，1336 Regen即可满足。
（3） 两电机输出转矩的均衡
由于中间包台车为双电机驱动,故出力的均衡性也是关键问题之一,两台电机只有提供相同的转矩,这样才能保证设备可靠安全运行。从而保证电机既不过载也不欠载。
解决方案一：利用变频器的速度下垂跟随功能，见图4
速度给定分别控制2台变频器，每台变频器在速度PI调节器内设置Droop值（P46=5%），保证变频器控制电机的机械特性有一定的下垂，这样一来2台变频器即可在保持速度同步的前提下，输出转矩相对均衡。
解决方案二：利用变频器的主从控制功能实现转矩跟随
1台变频器主机作为速度控制，另1台变频器从机做转矩控制。见图5
图5 转矩跟随
即从变频器跟随主变频器的转矩给定运行。由于在主从控制模式中每个电机都有独立的拖动系统, 主机或从机的独立运行可以用于冗余运行。即可以通过数字输入口完成速度控制和转矩控制之间的自由切换, 使之成为完善的独立拖动系统。
5 应注意的问题
（1） 由于采用双机同步控制, 主机和从机不存在速度误差, 这样2 个电动机传动装置之间的受载力矩相当均衡, 不仅可以直接刚性连接, 而且明显保证了传动装置在磨损后的同步性, tigao了使用期限。
（2） 由于台车对走行的控制要求不是很高，因此在改造中我们使用了1336F变频器也取得了很好的效果。
（3）变频调速系统具有非常优良的调速性能和全面的保护功能。在台车极为频繁使用情况下, 故障率很低, 明显减少维护保养时间。
（4）在鞍钢二炼钢厂连铸系统的改造过程中，应用1336E和1336F变频器我们先后改造了大包旋回、结晶器振动、扇形段拉矫辊、切下辊道、切割机等工艺段的变频控制，实际的运行效果十分令人满意。这充分说明Rockwell变频器有着广阔的应用前景
一、前言
近年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,电气传动技术面临着一场历史革命,即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术事当今节电、改善工艺流程以tigao产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适应范围及其它许多优点而被国内外公认为有发展前途的调速方式。
二、 问题的提出
军粮城发电厂3期、四期工程设计4×200MW，汽轮机为北重生产的N200×535/535型汽轮机，其回热系统由八段抽汽、凝汽器、3台高压加热器（以下简称高加）、4台低压加热器（以下简称低加）及除氧器组成。疏水系统高加部分由高压到低压逐级疏水到除氧器，低加疏水从4号到3号再到2号低加，然后经＃2疏水泵打到凝结水母管或，1号低加疏水经＃1疏水泵打到凝结水母。7个加热器疏水水位均采用调整门调节控制。机组投产以后，＃1、＃2疏水水位自动控制系统一直不能投入自动。然而疏水水位控制的还坏直接关系到汽机热效率的高低及设备的安全运行。经过长时间的对系统参数进行整定，仍然无效。后来通过向其他兄弟厂家调研学习。发现采用AB公司1336变频器对低压加热器水位控制系统进行改造，使低压加疏水由原来电动调节伐控制改为变频调节水泵转速来改变疏水liuliang达到控制低压加热器水位的，改造后水位稳定，减少了维护费用，节能效果显著。
三、变频器调速原理
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（I-s） /p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。通过市场调研后选定了罗克韦尔A-B1336PlusII标准变频器。此产品采用无转速、矢量控制技术，控制性能优越。
四、节能分析
通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与liuliangQ，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n,H∝n2,P∝n3即，liuliang与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。而我厂属于调频电厂，机组负荷经常变化，疏水liuliang也跟着变化，因此节能效果会十分明显。
五、改造方案
在原来的设备基础之上新增三面变频器控制柜，将原接到电机的电源线接到变频器上口，再将变频器的输出接到电机上。由DCS控制变频器的启停及转速调节。
六、实际运行结果
通过改造变频器，节电非常明显。通过观察记录疏水泵电机电流，在200MW负荷时为87安培，在150MW负荷时为42安培。
而且低加水位得到了很好控制。改造至今运行，变频器一直稳定运行。在欠压保护，抗高温运行方面效果非常好，没有因为现场设备环境恶劣，环境温度高（运行温度平均在60度）而造成设备损坏。
七、结束语
实践证明，变频器用于给粉机、给煤机、疏水泵等设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既tigao了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期，直接和间接经济效益十分明显。
在开环控制的伺服系统中，由于没有位置检测及反馈装置，为了保证工作精度的要求，必须使其机械系统在任何时刻、任何情况下都能严格跟随步进的运动而运动。
但实际上，在机械系统的输入与输出之间总会有误差存在，其中除了零部件的制造及安装所引起的误差外，还有由于机械系统的动力参数(如刚度、惯量、摩擦、间隙等)所引起的误差。在系统设计时，必须将这些误差控制在允许范围内。
一、死区误差
所谓死区误差（又叫失动量），是指启动或反向时，系统的输入运动与输出运动之间的差值。
产生死区误差的主要原因：
a.传动机构中的间隙
b.导轨运动副间的摩擦力
c.系统和执行元件的启动死区(又称不灵敏区)。
由传动间隙所引起的工作台等效死区误差δc(mm)可按下式计算
式中，p是丝杠导程(mm)；δi是第i个传动副的间隙量(rad)；ii是第i个传动副至丝杠的传动比。
由摩擦力引起的死区误差实质上是在驱动力的作用下，传动机构为克服静摩擦力而产生的弹性变形，包括拉压弹性变形和扭转弹性变形。
由于扭转弹性变形<<拉压弹性变形，常被忽略，于是由拉压弹性变形所引起的摩擦死区误差δμ(mm)为：
式中：
fμ—导轨静摩擦力(n)；
k0—丝杠螺母机构的综合拉压刚度(n/m)。
由电气系统和执行元件的启动死区所引起的工作台死区误差与上述两项相比很小，常被忽略。
如果已采取消除间隙措施，则系统死区误差主要取决于摩擦死区误差。假设静摩擦力主要由工作台重力引起，则工作台反向时的大反向死区误差δ(mm)可按下式求得
式中，
m—工作台质量(kg)；
g—重力加速度，g＝9.8m/s2；
μ0—导轨静摩擦系数；
ωn—丝杠—工作台系统的纵振固有频率(rad/s)。
减小系统死区误差的措施：
1.消除传动间隙；
2.采取措施减小摩擦，tigao刚度和固有频率。
对于开环伺服系统为保证单脉冲进给要求，应将死区误差控制在一个脉冲当量以内。
二、由系统刚度变化引起的定位误差
仅讨论由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的定位误差。
当工作台处于不同位置时，丝杠螺母机构的综合拉压刚度是变化的。
空载条件下，由这一刚度变化所引起的整个行程范围内的大定位误差δkmax(mm)可用下式计算：
式中： fμ—由工作台重力引起的静摩擦力(n)；
k0min和k0max—分别是在工作台行程范围内丝杠的小和大综合拉压刚度(n/m)。
对于开环控制的伺服系统， δkmax(mm)一般应控制在系统允许定位误差的l/3～1/5范围内。
摘要 变速恒频风力发电机组的变流器作用非常关键，它负责实现电能从发电机到电网的转换，要求大限度地tigao效率，降低对电网的扰动，同时兼顾成本、可靠性等诸方面因素，是一个非常有挑战性的课题。对双馈型和直驱型风力发电机组所采用的变流器的典型方案进行了简单介绍和对比，并对直驱型全功率变流器采用主动整流和被动整流的方案进行了简单评估。
关键字 风力发电;变速恒频;变流器;双馈;直驱
1概述
风力发电是目前具规模化和商业化发展的可再生能源技术，在世界范围内这个行业的年平均增长速度已经持续超过30％，根据丹麦BTM 的统计，到2005 年底全世界风电装机的总容量达到了59322MW[1]， ，2006 年我国的风电装机增长速度更是达到了105 ％，新增装机约1 330 MW，累计装机2 600 MW[2] 。受到能源和环境保护的双重压力，可以预测风电行业在未来仍将保持高速增长的势头。
风电市场的快速增长有效地拉动了风力发电技术的进步。其特点之一就是风电机组的单机容量不断增大（见图1），目前国外市场上商业化的主流机组单机容量达到了2 ～3 MW，5 MW 机组的样机已经研制成功，更大容量的机组（10 MW 海上风电机组）已处于概念设计阶段；特点之二就是机组的风能利用效率和可靠性得到了不断tigao，机组的风能转换效率高可达到0.5（已经与理论上大的风能利用系数——贝茨极限0.593 比较接近了）商业化成熟机组的年可利用率可以达到98％以上[3] 。
实际上，风力发电机组的技术发展很大程度上得益于变速恒频的应用，变速恒频已经成为目前MW 级以上风力发电机组的主流技术。所谓变速恒频，就是通过调速控制，使风力发电机组风轮转速能够跟随风速的变化，大限度地tigao风能的利用效率，有效降低载荷；同时风轮及其所驱动的电机转速变化时，保证输出的电能频率始终与电网一致。
图1 近20 年来机组容量增长示意图
机组的调速控制可以通过机械或电气控制等不同的途径来实现，但是利用变流器的技术方案目前为成熟，也是应用范围为广泛和具发展前景的技术。变流技术的应用不仅有利于机组tigao效率，同时对机组的并网和对电网的安全稳定运行起到了良好作用。
2 典型的变流技术方案以及关键技术问题
变流器在变速恒频型风电装置中应用的主流的技术方案目前主要有两种：双馈型和直驱型。
如图2 所示，双馈型采用双馈发电机，在转子绕组上串入可以四象限运行的变频器，控制定子绕组和电网之间的功率流动。这种结构对变频器的功率要求只有系统总功率的1/3~1/4 。
图2 双馈型变流装置示意图
双馈型变流器可以有多种拓扑结构，实际应用中主要以电压源型双PWM 变换结构为主，这种结构可以实现发电机在较宽的转速范围内运行，电路简单，采用交—直—交方式实现了两个变换器之间的解耦。双馈型变流器的关键技术在于变流器的励磁控制策略。矢量控制策略是目前双馈型机组中常用的控制方法，但是矢量控制策略须依赖于电机本身的参数，需要详尽准确的电机模型。另外由于变流器电路的非线性，变流器在工作过程中会向电网注入谐波电流，如何有效控制谐波电流也是双馈型变流器需要解决的一个问题。双馈型变流器对电网电压和频率的波动比较敏感。在出现电网电压跌落的情况下，如果网侧电压下降40％，将会造成电机侧的电流上升4 倍[4]，考虑这种情况则变流器需要选用容量更大的IGBT，或者采用“crowbar”。另一方面电机侧的电流突增会对传动系统中的齿轮箱和发电机产生冲击，这些因素在双馈型变流装置的设计时都要予以充分的考虑。
如图3 所示，直驱型风力发电机组采用多极同步电机，将电机定子绕组输出直接连接到全功率的变流器上，由变流器将电机输出变化的电压/ 电流转换为和接入电网相匹配的电压和频率。该方案的优点是采用永磁同步发电机可以做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，tigao可靠性。直驱型机组虽然采用了全功率变频装置导致成本上升，但是全功率变频装置所具有的技术优势却是非常明显的，它省去了故障率高、维护量大的滑环装置，使整机的可靠性进一步tigao。特别是当电网出现电压跌落的情况时，由于全功率变流器的输出电流可以由直流电压做闭环控制，基本上能够很容易地控制输出电流的波动，这对电网的安全运行和保障机组设备本身的安全是非常重要的。
全功率变流器的结构原理如图4 所示，其控制策略相对也比较简洁。全功率变流器的整流环节在实际应用中常采取主动整流或被动整流，两者各有千秋。被动整流方式的电路如图5 所示，采用二极管整流，在其之后采用了多级Boost 电路交错并联的方式以增加功率传送能力并降低开关频率。
图3 直驱型风力发电系统示意图
图4 全功率变流器原理框图
图5 被动整流电路示意图
在这种方式下，变流器不能象主动整流方式那样直接改变发电机转速，而是要通过改变Boost 电路占空比，也就是其传输能量的方式改变发电机输出侧的电磁转矩，通过机械自身的调节特性达到佳的风能利用效率，其响应速度比主动整流方式略慢。
Boost 电路的存在降低了经过二极管的瞬态电流，对输入侧功率因数具有有限的校正作用。不过其功率因数仍然无法与主动整流方式相比，需要在电机侧附加功率因数补偿器。另外，被动整流方式的转矩脉动也比主动方式大，通常电机采用六相输出的方式，这样能够在一定程度上降低脉动转矩。
3 变流技术在风电机组中的应用前景展望
大功率变流技术的发展可以说是日新月异，前景无限，变流技术的发展重点是新型功率器件以及先进的控制技术。对于功率器件，目前主要用的是IGBT ，以后可能往IGCT 、光控功率器件、高温功率器件（耐高温，散热更加简单）和高功率密度功率器件（单管容量大，损耗更加低）方向发展，这样可能会带来整个系统价格的降低、控制的简易化和效率的tigao。通过光纤直接控制电力电子器件开关的光控器件，省去了传统的驱动系统，tigao了系统的可靠性并简化了结构。新型材料的电力电子器件，可以tigao器件结温和开关频率，达到tigao器件功率密度的目的，从而减小了电力电子装置的体积并降低了对散热系统的要求。双向可关断器件可以控制两个方向的电流， ，适用于矩阵变换器，使用矩阵变换器可以减小装置体积。
大功率变流技术的发展为风力发电技术向容量更大、效率更高方向的发展奠定了基础，变流技术和风力发电技术的有机结合也将会使风力发电的成本更低。
但随着机组容量的不断tigao，变流器容量也不断增大，随之而来的一系列问题需要得到较好的解决，诸如：受单管功率器件容量的限制，需采取多重化并列技术等解决方案，但其实现具有一定的难度；受安装空间的限制，要求变流器的结构更加紧凑，以方便制造和维护（模块化设计）等。可以肯定变流技术将会在今后风电技术发展过程中发挥越来越重要的作用。
