交-直-交变频器的工作原理是什么啊？

引言
宝钢2050热轧厂是1989年投产的，原设计以直流机为主。随着交流变频和交流机的大幅度使用。为了适应新时期用户的对产品产量的更高要求，我们对现场设备进行了改造。将以前的直流传动改造成交流传动，这种改造从卷取区的卷取机改造开始。先后对1#、2#、3#卷取机传动控制系统进行了交流化改造。下面以2#卷取机为例，将卷取机传动系统改造的情况作一介绍。2#卷取机传动系统采用了带公用整流器结构，如图1所示。各电机用的逆变装置分挂在整流器上，包括一台卷筒电机，两台夹送辊电机和三台助卷辊电机。其中:卷筒电机采用同步电机，夹送辊和助卷辊采用异步机，电机由西门子典型的矢量控制的交-直-交变频器系统供电，卷筒励磁由SD进行调节控制。电机带有脉冲编码器，调速性能优良，空载时速度环静态精度为0.01%，速度调节时间小于100ms，电流环调节时间小于10ms。

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图1 系统结构图

2 传动系统结构
2.1 整流/回馈部分
整流单元使用的功率元件为晶闸管，进线的交流电压通过整流向连接逆变器的直流电压母线提供电动状态能量并构成多电机传动系统。整流单元由4000kVA 6kV/650V整流变压器供电，带有自耦变压器和6脉冲整流/回馈单元，产生890V直流母线电压。卷筒、夹送辊和助卷辊电机的逆变装置就挂在这个直流母线上，没有设直流开关及断路器。曾经考虑使用直流快开作为直流母线短路保护，由于一般情况下，电机或逆变器短路保护在逆变器内部可以实现。而纯粹的直流母线短路现象几乎难以发生，如果配以快开，每年需要维护，而且维护量很大，故没有采取这种短路保护。
以上控制方式称做共用直流母线的多电机传动控制方式，它具有以下显著的特点:
(1) 采用共用直流母线和共用制动单元, 可以减少整流器和制动单元的配置，结构简单合理们;
(2) 共用直流母线的中间直流电压恒定, 电容并联储能容量大;
(3) 各电动机工作在不同状态下, 能量回馈互补, 优化了系统的动态特性，同时可以节能;
(4) 提高系统功率因数, 降低电网谐波电流, 提高系统的用电效率。
说到整流单元，不能不提的是自耦变压器。
因为按照的晶闸管的电压控制方式，已知道其输出电压为:
Ud=1.35×U×cosα=1.35b650n·cosα=890V(直流母线电压) 字串4
说明晶闸管的导通角度满触发，没有反向触发的可能，而在整流/回馈单元本身是不能完成把电机的发电能量从直流母线送回电网的，这就需要自耦变压器。当直流电压升高到一定值时，发电工作的桥连通到自耦变压器，将电压返回到电源进线，同时，有了自耦变压器，即使在发电状态下工作，仍有最大的电机转矩;当供电系统较弱或电压发生瞬时跌落时，仍有高的可用性，在本系统里，自耦变压器采用的是25%ED。

图2 自耦变压器
2.2 卷筒电机传动系统部分
下面以卷筒电机的控制为例对传动控制系统部分进行说明:
卷筒电机传动控制系统由MASTERDRIVES逆变器、励磁整流器(全数字多处理器控制系统SIMADYN-D)，交流隐极同步电动机等组成，是典型的全数字矢量控制调速系统。变频器输出电压、电流、频率连续可调。控制系统采用气隙磁场定向矢量变换控制技术。电动机在基速以下为恒转矩调速控制，在基速以上为恒功率调速控制。
(1) MASTERDRIVES逆变器
卷筒MASTERDRIVE逆变装置是由3套800kW逆变柜并联组成，通过保险丝连接到直流母排上，每套逆变装置连接一个输出电抗器，然后通过无负荷隔离开关连接到交流同步电机上。每套逆变器由A、B、C三相组成，每相4个IGBT功率元件。系统具有多种保护功能。
(2) 交流同步电机
电动机采用西门子直流励磁隐极式转子交流同步电机。电机功率为1200kW，额定电压580V，额定电流1235A，转速700/1400r/min，电机磁场为55V、402A。
(3) 卷筒传动系统控制回路部分
卷筒传动系统控制回路包括辅助控制柜、励磁控制回路和励磁主回路三部分。
l 辅助控制柜
辅助控制柜包括磁场回路变压器，磁场开关，卷筒、夹送辊、助卷辊的辅助电源以及磁场控制柜的电源。

l 励磁控制回路
磁场控制部分由全数字SIMADYN-D控制柜和励磁回路组成。SIMADYN-D控制柜由框架、电源板SP7、处理器板(PT20G)、通讯板SS5等组成。处理器板与磁场整流器相连，通讯板分三路通讯，一路通过PROFIBUS和现场ET200相连，一路通过PROFIBUS和本柜中的ET200相连，一路通过RS-485和MASTERDRIVES装置的CUVC板相连。外围设备信号如:风机、温度、漏水检测等信号经ET200通过通讯连接到SD装置。
l 励磁主回路
励磁回路由断路器、进线电抗器、励磁整流器等组成。励磁整流器选用6QG3516组件，B6C连接方式，供给电机转子回路励磁电流，励磁电流由卷筒MASTERDRIVES传动装置给定。励磁回路上有过压吸收装置以避免转子过电压。

3 卷筒电机控制部分
3.1 速度控制
卷筒在卷钢前和卷钢后均以超前速度运行，为保证有一定的卷取张力对带钢进行卷取，当活门打开后，卷筒控制切换到力矩控制，在带尾到达夹送辊前的刹车点后，卷筒与夹送辊以一致的减速度开始制动、直至带尾离开夹送辊前HMD，带尾离开HMD后，卷筒控制重新切换到速度控制，并根据行程调节曲线直至减速到旋转冷却速度。卷筒力矩由四部分组成:张力力矩、弯曲力矩、加速力矩、摩擦力矩。卷筒的速度和力矩控制是由基础自动化来完成的。传动装置接收SD送来的速度。速度给定经过相应的斜率限制后，再送给速度PI调节器。速度实际值由同步电机转子轴上的脉冲发生器(1024p/r)测量，经计数变换后，一路通过速度隔离板DTI送到传动装置做矢量控制，另一路直接接入基础自动化系统。
3.2 转子励磁电流控制
转子励磁电流控制和以前的直流励磁控制原理基本一样。这一部分由SD来完成，主要由装置参数设定M0_SIC、电流给定斜坡发生器M1_CSP、逻辑切换M1_SOL、电流PI调节器M1_CPI、触发脉冲形成M1_TG6、电流实际值检测M1_CAV功能块等组成。
3.3 电机定位检测
对于SIEMENS的整流器采用TRANSVECTOR控制，转子的零位是很重要的，不然电机会造成失步。每次当电机和编码器进行分离情况下，必须做一次零位的调整。通过绝对值编码器对电机零位进行检测，这只能是在电机静止情况下来完成。调整时，首先封锁电机的定子输出电流，而只是逐渐给电机通以转子电流，转子电流z 定子侧感应出一个很小电流，电机进行摇摆，电机实际位置通过编码器变换成两个脉冲列，脉冲列相差90°，脉冲数对应电机转子的位置，然后通过当前检测的位置与定位前进行比较，编码器就能自动检测出电机转子的零位。 字串2
零位调整方法如下:
(1) 封锁电机初始位置电源，即将P172值从420改为0;
(2) 释放逆变器，设定P561=1;
(3) 封锁力矩正负限幅，设定P492=P498=0;
(4) 单纯靠调节系统的磁场电流让电机进行零位校正，逐渐增加磁场电流(从额定电流的10%增加到30%);
(5) 释放同步，使P582从0调整到1，然后恢复到0;
(6) 检查零位角度值，r186是否在0°附近，一般在1.5°以内就算调零结束。

4 卷筒电机的保护部分
卷筒电机属于关键设备，它的保护作用是很重要的。
(1) 磁场装置过压保护和电机欠励磁保护。
(2) 电机温度保护。
在卷筒电机上装有相当数量的热敏电阻。其中电机负荷侧轴承、非负荷侧轴承各1个，电机的三相绕组上各有一个，电机冷却器进风2个，出口风温1个。以前有些大电机在转子上也装有热敏电阻，因为转子是旋转的，通过滑环将温度信号引出来，再通过频压转换，根据电压与温度的对应关系，从而得出电机温度。这样所得温度比较准确。在这里电机转子温度是通过转子励磁绕组上的电流和电压进行计算得出来的。这些温度信号都是通过SD控制装置进行处理，实现相应的温度报警和跳闸功能。另外在电机的定子槽内还装有一个热敏电阻，信号直接引入到传动系统CUVC中，根据温度信息对传动系统进行限流保护。
(3) 电机接地保护。
(4) 超速保护，采用离心开关的硬件保护。
据说有些系统已经不用这种硬件保护，而是使用内置超速保护的脉冲编码器。
(5) 漏水保护。
电机采用水冷方式，带有一个冷却器的背包，漏水会影响电机的绝缘。

5 使用变频器要注意的问题
(1) 使用IGBT元器件，开关频率很高，输出波形较好，但是会产生很高的dv/dt，对电机的绝缘有很大的影响，通常做法是在输出侧加装滤波器，如输出电抗器等;同时IGBT产生的轴电压和轴电流会对电机轴承进行破坏，因此要采取预防措施，通常的做法是在电机两侧轴承采用绝缘措施。
(2) 公用整流器采用晶闸管作为功率元件，由于晶闸管本身不具备关断能力，在电网急剧波动情况下，晶闸管来不及关断，有时会造成晶闸管装置的损坏。
(3) 逆变装置的接地。由于良好的接地既能有效抑制外来干扰，又可降低对其它设备的干扰。尤其是通讯电缆和脉冲编码器的屏蔽更要注意。本区域发生过由于接地不良造成的故障。通过对系统接地线的屏蔽层进行妥善处理，效果有明显好转。
(4) 在系统中，逆变器和整流器之间没有直流开关，只有保险丝，因此单独断开某一组逆变器是不可能的。在更换电子板时，要注意充分放电5min，然后才能作业。

6 结束语
目前通过对2050卷取传动系统改造，全数字交流化取代了原先的直流控制系统，系统的动态速度响应优化，速度控制精度和运行稳定性方面的优势得到了充分的发挥和很好的提高，而且大幅度降低了传动系统的设备调试时间。