宣钢高速线材工程由北京首钢设计院总承包。该工程在电气自动化设计中采用了多项新技术，其中有：

（1）整个轧线采用两级计算机控制、过程控制级完成全线速度设定，轧制程序的储存、全线轧件跟踪、打印报表等；基础自动化级完成全线速度级联控制，粗、中轧微张力控制，飞剪的剪切控制，活套控制等，整个轧线自动化水平高，达到了同类轧机国内先进水平。

（2）采用网络控制：过程控制级采用工业以太网；基础自动化级采用现场总线即Profibus-DP网，大大节省了电缆和电缆的施工费用。

（3）为消除直流传动非线性负载产生的高次谐波对电网造成的污染，采用了高次谐波滤波装置，使电网供电质量提高，达到了国家电网和地方供电局对高次谐波的治理标准。

（4）在精轧机上采用了全数字大功率交流变频调速装置，配以国产的大型同步调速电动机，是国内的第三家，而且是应用最成功，事故率最少，调试时间最短、投产最快的一套轧机。

工艺概况

设计规模：年产35万t高线无扭热轧盘条。

产品规格：φ5.5一φ6.Omm

主要钢种：普碳钢、优质碳素钢、低合金钢等

产品精度： φ5.5～φ6.0mm士0.15mm

φ10.5～φ16.Omm士0.20mm

椭圆度不大于尺寸总偏差的80%。

轧制速度：精轧机最高设计速度113m/s，保证速度85m/s（φ5.5mm）精轧机采用顶交型新型轧机。

工艺要求精轧机驱动电机的速度快，调速精度高、调速范围大，要达到这样的工艺要求，采用常规的直流传动是很难实现的。

对精轧驱动电机的技术要求" title="技术要求">技术要求及技术参数

根据工艺要求精轧机主传动系统选用了西门子电气公司生产的负载换向变频器（以下简称LCI）配以国内大型同步调速电机的调速方案。下面是设计院对电机制造厂家提出的一些技术要求和电机制造厂家能达到的一些技术参数。

1 技术要求

1） 对过载倍数的要求

要求电机在1.1倍额定负载状态下长期运行。在周期内等效负载不超过额定负载时1.6Pn运行15s，间隔时间15min。

2） 时电机直轴超瞬变电抗X"d及每相换向电抗Xcm的要求

LCI负载换向变频器由西门子电气公司成套提供，型号为SIMOVERTS，为了保证变流系统对晶闸管换向的可靠性要求，西门子公司提出与LCI 的配套电机必须满足X"d≤13.03%（50Hz时标么值）；每相换向电抗Xcm = 0.6X"d ≤ 7.818%（50Hz时标么值）而且由西门子公司派技术人员到厂家试验验收。

3） 对机械特性和性能的要求

要求电机从传动端看电机的旋转方向为顺时针方向，允许反向点动；电机旋转部件的转动惯量为满足调速动态性能的要求，其GD2不大于3.5tm2；电机旋转部件能承受最高转速（1500r/min） 1.2倍的过速运行2min，而不产生有害变形和损坏。

4） 对定子绝缘的要求

由于对电机供电的装置是LCI，考虑到晶闸管换流过压及电流变化率快的影响，将产生浪涌电压，此值与基波电压相叠加，使电机绝缘承受电压超过额定值，因此要求电机定子绕组绝缘按工作电压6000V设计，按6000V级考核。此外，由于浪涌电压的变化率较大，致使线圈各匝电压分布不均匀，特别是靠近电压输人端的线匝承受的电压较高，所以要求电机除加强对地绝缘外，还要加强匝间绝缘。

5） 对电机采用阻尼绕组的要求

对于采用LCI供电的调速同步电动机来讲增设阻尼绕组可减少换流重叠角，加速换向过程，提高动态响应的品质，所以要求本电机采用全阻尼绕组结构。从交直交电流型变频器供电的同步电动机运行机理上分析，电机是长期工作在两相通电，两相短路的交替工作状态，电机换流时相当于两相突然短路，对应的是超瞬变电抗，增加阻尼绕组就意味着加速换流过程，提高系统的动态品质。

6） 梯形波电流供电对电机结构设计的要求

由于LCI的电流输出彼形为梯形波，电动机中除基波外还存在一系列的奇次谐波对电机影响较大，使电机产生振动、噪声及附加损耗，因此电机结构设计要求采用双绕组且在定子空间上相互错开30°电气角。即把每对极下的电枢表面从原来的三相对称绕组的6个相带改为12个相带，每个相带的空间距离由60° 变为30°空间电气角，这样可以使5， 7， 17， 19次谐波相互抵消，有效地克服电机电磁转矩的脉动，使电机效率大大提高。

7） 对轧钢过程中电机转子轴向窜动的要

电机在轧钢过程中，难免会产生轴向推力，要求电机设计时采取相应防范措施。对本电机要求：一是在轴承端面浇有钨金并开有储油槽对产生的推力起阻尼作用，二是轴瓦与轴肩的间隙保证转子轴向窜动不大于士2mm。

8） 对电机外形尺寸的要求

由于工艺位置尺寸受到限制，要求电机主轴中心至定子顶部不能超过920mm，设计要求按900mm设计，电机的外形尺寸为长4160mm，宽2730mm，高1800mm，总重量30t。

9） 对电机温度的要求

电机在额定负载时<80k； 1.1倍额定负载时≤105k，要求在电机定子、轴承、进出风口、进出水口均埋有三线制PT100检测元件。其中定子12只（每相两只）两轴承、进出风、进出水各一只。

2 技术参数

电机技术参数如下：

电机型号：BPT5000-4

额定功率：5000kW

极数：4极

相数：6（双Y移相30°）

额定转速：1000r/min 最高转速1500 r/min

工作频率：33.3Hz （1000 r/min）

50Hz （1500 r/min）

额定电压：2250V （1000 r/min）

2300V （1500 r/min）

额定电流：708.8A （1000 r/min）

714.2A （1500 r/min）

励磁" title="励磁">励磁方式：有刷励磁

励磁电压：54.6V （1000 r/min）

50.2V （1500 r/min）

励磁电流：313.9A （1000 r/min）

288.9A （1500 r/min）

1.6PN时励磁电压：

81.2V （1000 r/min）

75.5V （1500 r/min）

1.6PN时励磁电流：

467.3A （1000 r/min）

434.2A （1500 r/min）

1.6PN时定子电流：

1153.8A （1000 r/min）

1145A （1500 r/min）

防护等级：IP54（集电环部分IP23）

冷却方法：ICW37A86

安装方式：IM1001

全数字大功率变频调速装置的工作原理及其硬件配置

1 工作原理

宣钢高线精轧机主传动采用了德国西门子电气公司的LCI控制系统" title="控制系统">控制系统，主电机采用了国产的大型同步调速电机，由于同步电动机在旋转时能够产生反电势和晶闸管电流型变频器配合使用，逆变器不需强迫换流装置，因此这种系统简单，可做到大容量、高转速、价格相比采用IGBT三电平控制系统
在从西门子全套引进LCI中，功率单元整流器的晶闸管采用电源的交流电压换相，逆变器的晶闸管采用负载同步电动机定子反电势换向。LCI输出电流" title="输出电流">输出电流的幅值由整流器控制、输出电流的频率由逆变器控制。在额定转速以下采用恒磁调压调频调速，在额定转速以上采用恒压弱磁调频调速。

在同步电机刚刚起动，其转速低于额定转速10%时，由于电动机反电势较小，致使逆变器的负载换相不能正常工作，此时需要靠断续换向电路控制整流桥进人逆变状态，当电动机转速升至超过额定转速10%时，则自动切除断续换向电路转为负载换向。

整流器的控制方式采用速度环和电流环，类似直流传动。逆变器的控制方式采用矢量控制技术。在电机正常运行时逆变器通过同步电动机定子电压及电流实际值来确定转速实际值，当同步电机转速低于额定转速10%时则采用脉冲发生器提供附加的转速实际值。

2 硬件组成

西门子电气公司的SIMOVERTS大功率变频装置由下列主要设备组成。

1） 整流变压器

额定容量：7200k V·A

原边电压：lOkV

副边电压：2×2.5kV

频率：50Hz

结线方式：Dd0/Dy11

阻抗电压：Ud=10%

2） 变频装置

型号：SIMOVERTS 65B1

输入电压：2×2500V

额定输出电压：2×2300V

额定输出电流：2×792A （110%负载运行时）

最大输出电流：2×1152A （160%负载15s，间隔15min）

效率：99%

输出频率： 0～100Hz

直流电抗器" title="电抗器">电抗器：额定电压2×3000V （DC）

额定电流2×1000A

电感值：2×7mh

过载能力：115%长期160%60s

干式、带铁心、户内自冷

3） 励磁装置

输出电压54.6V，输出电流313.9A电机1.6倍过载时输出电压81.2V，输出电流467.3A。

4） 自动化控制拒

自动化柜内控制单元采用SIMADYND全数字控制系统，它是一种可以自由组态的多微机系统，是变频装置控制系统的核心部件，通过它实现功率单元及励磁单元的各种高速开/闭环控制，运算、检测、监视、报警及诊断等功能。其全部功能均由基于图形组态的控制软件来实现，并由各微机按功能分类进行实时处理，控制采样时间小于lms。各微机之间以及微机与其他控制板之间均通过局部总线及通信总线进行内部高速数据通信。从控制单元到功率单元的触发及检测信号采用光电耦合技术，即采用光纤电缆及光电转换器件进行传输。

5） 应用软件

SIMOVERTS应用软件由西门子电气公司提供。主要有监视、逻辑控制、操作员控制、通信控制、闭环控制及矢量控制等软件功能包，每个软件功能包均实现一定系统控制功能。

工程设计中应该注意的几个问题

（1）精轧变频调速装置毕竟是轧线上众多设备中的一台设备，变频器的输人输出通讯接口必须连接到整个自动化系统中去，这样才能实现整个轧线的协调控制。

（2） LCI的直流电抗器体积庞大，柜内安装，需要通风，要求在土建基础上开有1000×720mm的孔，然后在孔上架设槽钢固定电抗器。现场施工发现西门子的设备、资料与工厂设计时间衔接不上，造成返工，在今后同类工程设计时应引起注意。

几点建议

（1）精轧机同步电机从维护的角度应考虑采用无刷" title="无刷">无刷励磁。目前从国外引进的高线精轧机同步电动机全部是无刷励磁，只不过是转子有凸极式和隐极式之分。无刷励磁的优点就是无刷，不用检查碳刷和更换碳刷，减少了设备故障点。据调查，目前国内三家大电机制造厂均能生产无刷励磁同步电动机，而且都成功的应用在电力行业上。
（2） LCI变频装置建议国产化，LCI的一次部件包括整流变压器、整流柜、电抗器柜、励磁柜完全可以利用国产元件组装，其自动化控制柜的核心部件SIMADYNI〕从国外引进，这样可节约一次性投资50%一60%