科技新进展：轧机主传动高性能全数字交交变频调速关键技术与装备研究及应用

一、研究的背景与问题

交交变频调速装备由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成，采用高性能矢量控制，具有大功率、高性能四象限运行、动静态精度高、低速性能好、过载能力强、可靠性高等特点，广泛应用于热连轧、中厚板等大型轧机主传动以及矿井提升机、船舶推进等场合。长期以来，只有几个国外电气巨头拥有这项技术。

进入本世纪以来，随着冶金行业的快速发展，中冶赛迪电气技术有限公司（简称赛迪电气）等三家国内厂商开发了交交变频功率装置，并在普阳钢铁中厚板轧机主传动、广西盛隆1780热连轧机主传动等实现应用，在冶金行业形成了较强的影响力。但由于轧钢生产线对主传动装置的性能和可靠性有极高的要求，一旦设备出现故障，会造成产线的停产，给用户带来巨大的损失，因此国内厂商生产的交交变频调速装备一直采用进口控制系统，核心控制技术和供货受外商控制，存在价格高、供货周期长和服务响应差等问题，热轧产线重点传动装备的供给安全无法得到保障。

为彻底摆脱轧机主传动控制系统受制于人的局面，从2008年开始赛迪电气联合上海交通大学等单位立项研发具有完全自主知识产权的交交变频控制技术和系统。交交变频调速系统对动态性能指标、稳态精度和可靠性有非常高的要求，通常要求转矩电流响应时间小于10ms，动态速降小于0.25 %s，转速精度小于0.01%。这些指标的实现涉及高性能实时控制平台开发、电励磁同步电机矢量控制、无环流换相控制、电流断续补偿等多项难点技术。纵观国外大功率高性能交流调速控制系统产品，其共同特点是：采用高速实时以太网架构，系统容易扩展；采用嵌入式实时操作系统，满足大功率交流调速快速动态响应的要求；软件开发均采用符合IEC 61131标准的编程语言,便于工程调试。赛迪电气基于上述技术特点，开展了 “高性能工艺控制器研究与开发”（CCTS）并在济钢实现了工程应用，积累了丰富的控制平台开发经验。本项目研发团队主要成员主持并参与了国内首台基于模拟控制系统的交交变频装置研发并且获得国家科技进步二等奖，在同步电机磁链观测、交交变频变流控制、全关断检测和大功率交交变频主回路设计等方面形成了较好的技术积累，为本项目的开展奠定了坚实的工作基础。

本项目成果将填补我国轧机主传动交交变频调速系统自主研发的空白，打破我国轧机主传动调速系统长期依赖国外进口的局面，形成具有自主知识产权的轧机主传动交交变频装置，实现国家钢铁工业热轧产线重点传动装备的供给安全，意义重大。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目从2008年开始研发立项，主要里程碑节点如下：

1、基于EtherCAT高速实时以太网总线的高性能交交变频控制系统平台研制，控制系统包括主控制器、从控制器、码盘信号接口板、同步信号采样模块、模拟量输入输出模块的研制等。2011年6月完成。

 图1 高性能交交变频控制系统网络架构

2、赛迪电气传动实验室200kW同步电机实验平台、力矩负载搭建和负载控制系统研制，同步电机额定功率为200kW，额定转速为1500r/min，额定定子电压为380V，额定定子电流为300A，额定转子电流为8A。为了完成同步电机的带载实验，与同步电机同轴连接一台异步电机，该异步电机额定功率为200kW，额定转速为1490r/min，额定定子电压为380V，额定定子电流为352A，采用变频驱动，为同步电机提供负载。2013年12月完成。

3、气隙磁链定向矢量控制、断续补偿、功率因数校正、初始定位等关键技术的研究及软件开发。2015年6月完成。

4、200kW同步电机实验室试验：包括系统硬件调试、软件开发、接口设计与调试、系统开环控制实验，系统闭环控制实验、系统带载实验等。2015年12月完成。

5、结合核工业西南物理研究院（简称核西物院）交交变频控制系统需求，研制相关接口电路，完成交交变频控制系统调试，系统随即正常投入使用。2020年7月完成。

6、结合陕西天成航空材料股份有限公司（简称天成航材）应用需求，完成自主交交变频装置交付和调试，系统随即正常投入使用，实现轧机主传动领域首次工程应用。2022年3月完成。

7、结合四川罡宸不锈钢有限公司（简称罡宸不锈钢）热连轧1450线的应用需求，完成三套精轧机自主交交变频控制系统改造和调试，系统随即正常投入使用。2023年5月完成。

三、主要创新性成果

1、提出了一种基于比例谐振控制的电压模型和电流模型混合磁链观测器，解决了传统电压磁链模型观测积分漂移和滞后的问题；提出了一种基于定子电流励磁分量调节的网侧功率因数校正控制策略，提高了交交变频调速系统网侧功率因数；提出了一种定子电流断续非线性补偿方法，解决了电流过零畸变大的问题；提出了一种基于频率自适应的并网锁相环方法，提高了抗电网扰动能力。

2、开发了一种高集成度的高性能全数字控制器，采用基于EtherCAT高速实时以太网的总线架构和实时多任务操作系统，最小任务周期小于250us。提出了一种三相电流环集成控制新架构，提高了三相电流控制的精度。在此基础上开发了同步电机交交变频矢量控制软件平台，转速阶跃响应小于60ms，转矩电流响应小于7ms。

3、研制了模块化功率柜和交交变频系列化产品，实现了规模化工程应用。

 图2 赛迪电气交交变频系列产品

本项目自开展以来发表论文6篇，取得有效发明专利8项，实用新型10篇，取得3项软件著作权。

表1 论文发表情况

表2 项目专利情况

表3 软件著作权情况

四、应用情况与效果

1、核西物院超同步调速装置数学化改造项目

2020年7月，赛迪电气自主研发生产的CE150交交变频控制系统在核西物院超同步调速装置数学化改造项目投运成功。本项目应用2套CE150控制系统，用于两台80MVA交流脉冲发电机组调速。该项目负载是目前国内最大的脉冲发电机组，对变频调速的性能指标、可靠性有非常高的要求。核西物院对CE150控制系统进行了投运考核，各项指标均满足要求。本项目解决了核西物院HL-2M环向场需求能量不足的难题，为中国新一代“人造太阳”提供了动力保障，对于我国聚变能源的开发有着重大的意义。

图3 核西物院项目现场

2、天成航材1350大棒线开坯机主传动项目

2022年3月10日，赛迪电气自主研发、生产的交交变频装备在天成航材1350大棒线开坯机主传动项目一次性投运成功。本项目应用一套交交变频主传动装置，驱动的主传动电机额定功率5500kW，电流达到2.5倍电机额定电流5000A。自系统投运以来连续运行稳定无故障，技术指标满足生产要求。本项目改变了天成航材核心装备受制于人的现状，对保障军工安全有重大的意义，自投运以来累计生产钛合金1万吨，实现销售12亿元，经济效益显著。

图4 天成航材项目现场

3、罡宸不锈钢1450热连轧生产线主传动改造项目

2023年5月17日，赛迪电气自主研发、生产的交交变频装置在罡宸不锈钢1450热连轧生产线主传动改造项目一次性投运成功。本项目对F5/F6/F7三套精轧机主传动控制系统进行了升级改造,分别驱动三台电励磁凸极同步电动机，电机额定功率6000kW，最高转速550r/min。自投运成功后，已轧制多种规格品种不锈钢，系统性能优异、连续运行稳定无故障。替代进口节省投资约300万元，自投运以来累计实现生产不锈钢30万吨，销售30亿元，经济效益显著。

图5 罡宸不锈钢项目现场

此外，本项目成果还在普阳钢铁、九江萍钢、包头钢铁等10余家钢铁企业成功应用，典型应用案例如下：

交交变频调速技术作为一种先进的传动控制技术，广泛应用于轧钢机、矿井提升机等大容量低速运转的生产机械, 国内外钢铁及煤炭行业已大量应用这一技术，但主要依赖国外设备。本项目基于高速实时以太网架构研制的轧机主传动同步电机交交变频控制系统，对交交变频装备的更新换代具有重要意义和推广应用价值，具有很好的经济和社会效益。目前国内现有近千套交交变频调速装备存在更新换代和改造的需求，市场空间巨大。本项目成果在性能、成本和服务上具有明显优势，市场前景可期。