本1700mm热连轧工程是公司“十五”产品结构调整的重要项目，该项目采用了具有我国自主知识产权的鞍钢asp中薄板坯连铸连轧生产工艺，主要生产1.5（1.2）～12.7mm×900～1500mm的中宽带钢，一期工程年产量250万t，在该项目中采用了多项新工艺、新技术，其中轧机的主传动实现全数字化、全交流化是提高设备传动能力，减少维护量，提高可靠性的重要措施。经过多方考察论证，轧机主传动部分采用了siemens公司成熟的simadyn-d交-交变频全数字矢量控制系统，功率单元由国内金自天正智能控制股份有限公司配套，传动的保护、合/分闸逻辑及面板操作监视、通讯、速度配合等公用控制部分采用了siemens公司最新推出的tdc控制器。全线主传动由1架带有立辊的粗轧机和6台精轧机组成。主要电机数据如附表所示。
2 系统构成
由于在同样的传动功率下，同步电动机因功率因数高所需配置的传动功率装置容量比异步电动机减少约15%，且弱磁调速时的过载能力也比采用异步电动机高，弱磁特性平滑，适合轧机类要求过载能力大的冲击负荷使用，轧机主传动全部采用了凸极式同步电动机；在交-交变频的主回路接线方式上，主要考虑到避免3次和3倍频谐波在电机定子绕组中流通，影响电机运行的力能指标。采用电机定子绕组星接、变频功率装置星接，星点各自独立的接线方式，这种接线方式同时带来了利用交流偏置技术，达到减少整流变压器二次电压，提高装置电压安全裕量的效果。功率变换装置采用电网自然换流逻辑无环流可逆三相桥式变流器组成，精轧机传动主回路原理图如图1所示。
图1 精轧机传动主回路原理图
每套系统由6个定子侧功率柜（每相两柜并联），一个励磁功率柜，一个辅助开关柜和一个simadyn-d柜组成，采用2500a/4000v晶闸管元件，电压安全系数2.42，电流安全系数2.17（均流系数按照0.9计算）。
3 交-交变频电路工作原理
三相交-交变频电路是直流驱动可逆整流电路的自然延伸，相当于3台可逆整流装置按照星形连接后，将三相对称的电流给定信号进行功率变换和放大，每组整流装置的触发导通、电网电压换向的基本原理都和我们熟知的三相桥式可逆整流电路相同，但由于采用了电路星点和电机星点相互隔离的接线方式及需要不失真地放大一个三相对称电流，带来了以下的特殊性：
（1）至少要有不同输出相的正反两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。
（2）同一组桥内的两个晶闸管靠双窄触发脉冲保证同时导通，两组桥之间则是靠触发脉冲有足够的宽度（>30°），以保证任意时刻触发换向时，同时有四个脉冲存在。
（3）由于每相的可逆整流装置都需要交替输出正向和反向的电流，以便形成三相交流电流输出，因此可逆整流装置是按照输出频率频繁工作在正向整流、正向逆变、反向整流、反向逆变状态，而正反组换向时的死区会影响电流过零点的平滑性，从而使输出的最高频率受到了限制，但可逆整流装置正反组频繁交替工作的特点，也使得同样容量的可逆整流装置用于交-交变频比用于直流传动，理论上过载能力会增加约倍。
（4）因正反组换向时的死区限制了输出频率的提高，并会使电流过零不平滑而导致转矩脉动（引起电流过零不平滑的另一个原因是电流断续所导致的移相特性的非线性），为此需要采用新的零电流检测机理，使零电流检测时间由直流传动的5～7ms减少到1ms左右。新的零电流检测机理是基于直接检测晶闸管两端的电压，同时用管子的触发脉冲信号作为连锁判断的条件。其基本判断逻辑为：当该管子有触发脉冲时，若管压降不为零表示该管子已关断，若管压降为零，表示该管子导通，当所有的管子均关断时，判断为零电流信号，从而消除了在直流传动中常规判断零电流信号所必须的检测延时和安全延时的时间，但由于直接将检测管压降的高压回路引入判断零电流的低压检测回路，需要采用可靠的光电耦合隔离措施。
4 控制系统
控制系统采用了气隙磁场定向的矢量控制原理，这是目前高性能交流电动机调速普遍采用的方法，其基本原理来源于电机的统一理论，即任何电机的转矩都是由两个相对静止的磁场相互作用产生的，转矩的统一方程如下：
如果空间矢量iq与ψd正交，则 即磁通和电流相互解耦，矢量控制的本质就是通过定向和矢量变换，将实际加到电机上的三相交流量变换为d、q坐标系的直流量，然后在相对静止的d、q坐标系下按照常规直流电机双环调速的方法进行控制，输出在d、q坐标系下的电流给定，然后再经过坐标变换为实际的a、b、c系统下的交流量，由交-交或交-直-交大功率变换装置进行功率放大后注入电机，便实现了实际的交流电动机按照直流电动机磁通和电流相互解耦的方式运行。所谓气隙磁场定向就是指反映磁通的d轴，也就是电机内部合成气隙磁场所在的轴线。系统控制原理图如图2所示。
图2 系统控制原理图
图2中符号的说明如下：＊表示设定值，iα,β表示定子电流，m表示同步电动机，n表示速度，i1,2,3表示相电流，m1表示电压模型，ψ表示磁通量，u1,2,3表示相电压，m2表示电流模型，ie表示励磁电流，φr表示转子位移角，vd表示矢量转换，iact表示电流实际值，s表示转子位置设定输入，iu表示激磁电流，cosφm表示电机电流偏移因数，φs表示磁通轴向角度，λ表示转子轴向角度。
气隙磁场定向矢量控制的关键就是如何正确地计算实际气隙磁通的幅值和相角，以便按照电机内部所发生的电磁现象的逆过程进行矢量变化处理，如果定向计算不准确，人为进行的变换处理就不能正确反映电机内部实际发生的物理过程，从而给控制造成偏差，磁通定向计算的基本思想如下：
以电压模型为主，电压模型采用实际的电机三相电压和电流信号，通过以下公式获得：
式中: uαs、uβs和iαs、iβs由电压、电流实际信号经3/2变换获得，rs和lsδ分别为定子绕组电阻及电感。
经矢量分析后可得:
式中：ψ和ψs分别为气隙磁链矢量的大小和方向。
电流模型通过电流设定值、磁通设定值和电机轴上安装的测速编码器，由单变量闭环求解，其主要思路仍然是利用设定值计算出希望的气隙磁通幅值和相角（这也是电流模型不准确的主要原因），但由于将φ1－φ2坐标系下的给定量变换到d-q坐标系下进行磁路运算，并考虑了动态过程中阻尼绕组对磁路的影响，提高了电流模型计算的准确度，通过采用单变量闭环运算，提高了模型计算的精度。
电流和电压模型根据电机的输出频率进行平滑过渡，一般额定转速10%以下采用电流模型，额定转速20%以上采用电压模型。
控制系统的另一个特殊问题是三相电流调节器，由于矢量控制要求交-交变频器的输出电流随时变化（稳态运行时为正弦变化），这样电流调节器仅采用常规的pi反馈调节，就会有跟踪误差，使输出电流滞后于给定电流，从而影响矢量控制的效果，因此必须引入电压前馈补偿环节，事先计算出产生电流所需加入的电压给定，并通过调试确保前馈补偿量基本满足控制量要求，而电流pi调节器输出只起校正控制误差的作用，电压前馈的计算公式为：
uφ1=rs iφ1－ωlsδiφ2
uφ2=rs iφ2+ωlsδiφ1+ωψ
式中：uφ1和uφ2为定子电压给定量，iφ1和iφ2为定子电流给定量，ω为角速度，rs和lsδ分别为定子绕组电阻及电感，ψ为气隙磁链矢量的大小。
上述控制思想采用simadyn-d全数字、可自由配置的模块化控制系统实现，程序基于unix的图形化编程软件，采用struc g编制，用strucview进行阅读，采用ibs5.01进行调试，并可借用excel表的宏命令生成参数化文档。
simadyn-d控制柜包含sr24.3主机箱，由与p1处理器绑接的it41输入输出模块接受光电码盘返回的测速信号和位置信号，并完成速度控制和通讯任务；由p2处理器和两块与之绑接的it42输入输出模块完成矢量变换运算，并最终形成定子三相电流设定值和转子励磁电流设定值，输入给ep22+is1及p3处理器+itdc模板，由ep22完成三相电流调节，并由与之绑接的is1接口模板完成定子三相脉冲的形成、隔离与放大；由p3处理器完成转子励磁电流的控制，和部分与ep22的信号交换、内部控制信号的输出等，由与之绑接的itdc接口模板完成转子励磁脉冲的形成、隔离与放大；采用在cs7通讯母板中插入ss4、ss52、ss52通讯子模板形成一个dust1通讯接口，用于编程调试，两个profibus通讯接口，用于连接本柜的et200s远程i/o和tdc传动控制器，完成对交-交变频功率柜各种保护和联锁信号的采集和与外部启停、给定和故障联锁信号的通讯。
tdc控制器也是以机架为基础构成的控制系统，但在保留simadyn-d系统多处理器并行优势的基础上，系统设计更为简练，只有一个机箱和两种cpu，i/o模板和通讯模板，集成度更高，采用了开放的vme背板总线技术，采用基于windows的图形化编程软件cfc编程，cfc软件安装在step7环境下运行。
在精轧区域的6个机架共用一个tdc控制器，负责完成整个机架的启停逻辑，急停操作、速度给定、速度给定斜坡设定、外部信号联锁（电机、变压器、润滑系统等）及与精轧l1主控制器的通讯，与精轧区域相关传动设备的通讯，并通过与op17操作面板通讯完成对各机架的本地操作、运行监视、故障报警、温度指示和在dsg模式下的速度开环调试功能。
5 结束语
济钢1700mm热连轧主传动系统的速度控制静态精度达到了0.01%，速度动态响应小于50ms，电枢电流响应时间小于10ms，转矩脉动小于 0.8%，达到了连轧机组主传动的设计要求，其硬件配置和软件控制水平都代表了当前传动领域的世界水平，是轧机主传动控制的代表之作。
作者简介
丁鑫（1982-） 男 毕业于北京科技大学，分别获得自动化、机械两个专业的学位。现工作于济南钢铁总公司热连轧厂自动化部，参加了济钢1700mm热轧主传动的调试。目前负责热轧主传动的运行和维护。
参考文献
[1> 陈伯时,陈敏逊. 交流调速系统. 北京:机械工业出版社,2004
[2> 马小亮. 大功率交交变频调速及矢量控制技术. 北京:机械工业出版社,2004
[3> simovert-d use manual. siemens a&d
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