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【摘 要】广西南南铝加工中厚板热轧厂粗轧机主传动系统应用的是ACS6000中压变频传动系统，采用DTC控制技术和IGCT作为功率元件。详细介绍了该系统的硬件组成和技术特点。
【关键词】ACS6000；变频器；传动系统；DTC；IGCT
1 引言
广西南南铝加工中厚板热轧厂粗轧机主传动电机采用2台7000KW（AC3.16KV）交流同步电机驱动。ACS6000交—直—交变频传动系统作为电气传动系统，采用三电平技术、电力电子元件IGCT以及DTC技术。整流装置由三套11MVA有源整流单元并联组成；逆变装置有两组，每组两套11MVA逆变单元并联组成；IGCT相模块为电力电子元件。两套可控硅整流桥和独立的励磁变压器组成两套励磁单元，分别为两台电机提供励磁电源。
2 ACS6000的硬件组成和功能
本厂使用的ACS6000中压交流传动系统包括2个励磁单元、2个水冷单元、3个有源整流单元、4个逆变单元、3个控制单元、2个电容器组单元、4个终端接线单元、1个电压限幅单元和两台交流同步电机。
2.1 励磁单元EXU（Exciter Unit）
用于同步电机励磁的EXU有两种型号可供选择，直接励磁和无刷式励磁，本厂采用的是直接励磁方式。EXU主要结构包括由晶闸管组成的整流桥和由大电阻组成的过压保护装置OVP（Overvoltage Protection），用来保护瞬时大电流对整流桥的冲击。OVP中使用了击穿二极管BOD（Break Over Diode），作为过电压保护器件。
2.2 水冷单元WCU（Water Cooling Unit）
WCU的作用是向主功率元器件（IGBT相模块等）提供内循环冷却水，将功率元器件产生的热量与外循环系统冷却水进行热交换。主要部件有两台泵（一备一用）、一个热交换器，并配有水流量、压力、液位、温度等检测。两台泵定时进行运行和备用模式的自动切换，即使系统处于运行状态，也可对其进行维护。
2.3 有源整流单元ARU（Active Rectifier Unit）
本厂使用的ARU采用最大的11MVA模块，三套并联，构成33MVA的最高功率容量。
ARU是将变压器二次侧的交流电压整流为直流电压，给传动系统母排供电，并给直流母排回路中的大容量电容组充电。ARU采用IGCT自换流技术，每个整流单元由三组标准化IGCT相模块组成，构建起了一个3-电平结构、4-象限运行、6-脉波、自换流的电压源逆变器。ARU电路图如图1。
图1 ARU电路图
根据电机的运行模式（电动或制动），ARU从电网获取能量或向电网注入能量来实现能量流动，保证在电网电压存在波动的情况下，直流母排回路的电压均能保持恒定不变[1]。ARU原理图如图2。
图2 ARU原理图
2.4 逆变单元INU（Inverter Unit）
本厂使用的INU采用最大的11MVA模块，两套逆变单元为一组，共两组，分别给上、下工作辊电机提供交流电。
INU将直流母排上的直流电压逆变为交流电压，用来驱动电机。除抗饱和设备仅用于ARU外，INU的结构和ARU是一样的，只是能量流向相反，输入侧是直流母排，输出侧是三相交流电。
2.5 控制单元COU（Control Unit）
COU是ACS6000系统的核心控制单元，具有监控整个变频传动系统以及水冷却系统的功能。其主要部件包括：AMC3控制器、S800 I/O模块、编码器和过程控制系统接口。其中AMC3控制器是整个控制系统的核心。硬件拓扑如图3。
图3 COU硬件拓扑图
2.6 电容器组单元CBU（Capacitor Bank Unit）
本厂使用的ACS6000系统包含两个电容单元（CUB1和CUB2）。分别安装在阳极与中性点之间，以及阴极与中性点之间，通过存储部分能量来削峰平谷，达到平滑母排中间直流电压的作用，使直流电压在负载变化较大的情况下依旧保持平稳。
2.7 终端接线单元TEU（Terminal Wiring Unit）
TEU的作用是连接主电源和电机功率电缆。它可以是单独的机柜，也可以集成在其它机柜内。本厂使用了1个单独机柜的TEU和3个集成在其它机柜内的TEU。
2.8 电压限幅单元VLU（Voltage Limiter Unit）
VLU主要包括一个IGCT模块和一组由IGCT通断来控制投入和切除的大功率电阻。其作用是在过压情况下，可以吸收部分电压能量，实时地对直流回路电容进行放电，使直流回路降至额定电压水平，保护系统中整流单元和逆变单元中的各类电力电子器件。
3 ACS6000的技术特点
3.1 核心特点
3.1.1 高可靠性
ACS6000的可靠性基于三点：一是采用专为中压变频器开发的IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristors）技术，集成了GTO和IGBT的优点，拥有更快的开关能力的同时无需缓冲电路，使所需的功率元器件数目更少，运行的可靠性更高。二是无熔断器设计，熔断器在谐波、非周期性负载和老化情况下很容易损坏，而且一般熔断器的保护时间约为100ms，无熔断器的设计避免使用不可靠熔断器的同时大大降低了保护时间（<25μs），提高了整体可靠性。三是使用更先进的自愈式电容，相比老式的电解介质电容器，其具有高工作场强、低介质损耗以及体积小、容量大、损耗低、安全可靠的特点，拥有更长的使用寿命。
3.1.2 卓越的性能
（1）基于DTC技术的快速而精确的过程控制保证了高而稳定的产品质量、最小的原材料损耗以及最小的机械磨损。 （2）功率电路的简化和硬件的模块化设计，使得本系统拥有极高的利用率。
（3）ARU在整个运行范围内将功率因数控制为1，即使在低速范围也是如此。传动无功功率的消耗可以忽略不计，供电系统仅需按有功功率消耗进行设计，无需无功功率补偿装置。
3.2 关键技术
3.2.1 直接转矩控制DTC（Direct Torque Control）
DTC是一种直接基于电机电磁状态来控制转矩和速度的交流调速控制方式。通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，把转矩测量值与给定值作比较，使转矩波动限制在一定容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。用于同步电机的DTC方框图如图4。
图4 同步电机的DTC方框图
如图所示，每25?s将测量的电机电流值和直流回路电压值输入到一个自适应的电机模型，并精确的计算出电机转矩和磁通。比较器把实际值与控制器计算的给定值进行比较。根据磁滞控制器的输出，每50?s由开关逻辑控制器直接决定逆变器的开关位置。
与传统的交流传动技术相比较，DTC技术拥有以下性能优势：
（1）转矩响应：DTC控制在40HZ以下典型的转矩响应时间在1～2ms，而带编码器的矢量控制和直流传动响应时间在10～20ms之间，开环的PWM传动响应时间超过100ms。
（2）低频下的精确转矩控制：DTC控制可以在频率低于0.5HZ的情况下提供100%转矩。
（3）静态速度精度：DTC控制的速度精度为电机滑差的10%。
（4）动态速度精度：DTC开环动态精度在0.3%～0.4%s之间。而其它开环控制的交流传动，动态精度一般在3%s左右。
这些优势在实际应用中通过改善过程控制使得产品质量更一致，同时让电机的运行更稳定，即使在负载突变情况下也能快速的回复到稳定状态，减小了故障概率，从而达到提升经济效益的目的。
3.2.2 IGCT功率器件（Integrated Gate Commutated Thyristo）
IGCT（集成门极换流晶闸管）是一种为中压变频器开发的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件。它是以 GTO（门极关断晶闸管）为基础进行改进的器件，是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点。IGCT可由门极控制瞬时使导通的晶闸管转为晶体管，所以无需缓冲电路，因而所需的功率元件数目更少，运行的可靠性大大增高。
表1 IGCT与GTO和IGBT的性能比较
4 结束语
ACS6000中压传动系统的动态响应快、范围调速宽，不仅提高了传动控制设备的先进性、可靠性，而且由于应用了三电平交—直—交变频传动技术控制同步电机，改善了电网质量，提高了功率因数，省略了谐波补偿装置。该系统在调试期间性能稳定可靠，动态速度波动精度小于1%，在热负荷试车时成功轧制出符合工艺要求的各种规格铝合金板材。
参考文献：
[1]ABB Switzerland Ltd.ACS6000 Medium Voltage Variable Speed Drive [M].ABB，2002.
[2]ACS6000中压交流传动，3-27MVA同步电机和异步电机的速度和转矩控制，技术样本，北京ABB电气传动系统有限公司，2003.
[3]ABB传动，直接转矩控制—世界领先的交流传动技术，技术指导.北京ABB电气传动系统有限公司，2010.
【关键词】ACS6000；变频器；传动系统；DTC；IGCT
1 引言
广西南南铝加工中厚板热轧厂粗轧机主传动电机采用2台7000KW（AC3.16KV）交流同步电机驱动。ACS6000交—直—交变频传动系统作为电气传动系统，采用三电平技术、电力电子元件IGCT以及DTC技术。整流装置由三套11MVA有源整流单元并联组成；逆变装置有两组，每组两套11MVA逆变单元并联组成；IGCT相模块为电力电子元件。两套可控硅整流桥和独立的励磁变压器组成两套励磁单元，分别为两台电机提供励磁电源。
2 ACS6000的硬件组成和功能
本厂使用的ACS6000中压交流传动系统包括2个励磁单元、2个水冷单元、3个有源整流单元、4个逆变单元、3个控制单元、2个电容器组单元、4个终端接线单元、1个电压限幅单元和两台交流同步电机。
2.1 励磁单元EXU（Exciter Unit）
用于同步电机励磁的EXU有两种型号可供选择，直接励磁和无刷式励磁，本厂采用的是直接励磁方式。EXU主要结构包括由晶闸管组成的整流桥和由大电阻组成的过压保护装置OVP（Overvoltage Protection），用来保护瞬时大电流对整流桥的冲击。OVP中使用了击穿二极管BOD（Break Over Diode），作为过电压保护器件。
2.2 水冷单元WCU（Water Cooling Unit）
WCU的作用是向主功率元器件（IGBT相模块等）提供内循环冷却水，将功率元器件产生的热量与外循环系统冷却水进行热交换。主要部件有两台泵（一备一用）、一个热交换器，并配有水流量、压力、液位、温度等检测。两台泵定时进行运行和备用模式的自动切换，即使系统处于运行状态，也可对其进行维护。
2.3 有源整流单元ARU（Active Rectifier Unit）
本厂使用的ARU采用最大的11MVA模块，三套并联，构成33MVA的最高功率容量。
ARU是将变压器二次侧的交流电压整流为直流电压，给传动系统母排供电，并给直流母排回路中的大容量电容组充电。ARU采用IGCT自换流技术，每个整流单元由三组标准化IGCT相模块组成，构建起了一个3-电平结构、4-象限运行、6-脉波、自换流的电压源逆变器。ARU电路图如图1。
图1 ARU电路图
根据电机的运行模式（电动或制动），ARU从电网获取能量或向电网注入能量来实现能量流动，保证在电网电压存在波动的情况下，直流母排回路的电压均能保持恒定不变[1]。ARU原理图如图2。
图2 ARU原理图
2.4 逆变单元INU（Inverter Unit）
本厂使用的INU采用最大的11MVA模块，两套逆变单元为一组，共两组，分别给上、下工作辊电机提供交流电。
INU将直流母排上的直流电压逆变为交流电压，用来驱动电机。除抗饱和设备仅用于ARU外，INU的结构和ARU是一样的，只是能量流向相反，输入侧是直流母排，输出侧是三相交流电。
2.5 控制单元COU（Control Unit）
COU是ACS6000系统的核心控制单元，具有监控整个变频传动系统以及水冷却系统的功能。其主要部件包括：AMC3控制器、S800 I/O模块、编码器和过程控制系统接口。其中AMC3控制器是整个控制系统的核心。硬件拓扑如图3。
图3 COU硬件拓扑图
2.6 电容器组单元CBU（Capacitor Bank Unit）
本厂使用的ACS6000系统包含两个电容单元（CUB1和CUB2）。分别安装在阳极与中性点之间，以及阴极与中性点之间，通过存储部分能量来削峰平谷，达到平滑母排中间直流电压的作用，使直流电压在负载变化较大的情况下依旧保持平稳。
2.7 终端接线单元TEU（Terminal Wiring Unit）
TEU的作用是连接主电源和电机功率电缆。它可以是单独的机柜，也可以集成在其它机柜内。本厂使用了1个单独机柜的TEU和3个集成在其它机柜内的TEU。
2.8 电压限幅单元VLU（Voltage Limiter Unit）
VLU主要包括一个IGCT模块和一组由IGCT通断来控制投入和切除的大功率电阻。其作用是在过压情况下，可以吸收部分电压能量，实时地对直流回路电容进行放电，使直流回路降至额定电压水平，保护系统中整流单元和逆变单元中的各类电力电子器件。
3 ACS6000的技术特点
3.1 核心特点
3.1.1 高可靠性
ACS6000的可靠性基于三点：一是采用专为中压变频器开发的IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristors）技术，集成了GTO和IGBT的优点，拥有更快的开关能力的同时无需缓冲电路，使所需的功率元器件数目更少，运行的可靠性更高。二是无熔断器设计，熔断器在谐波、非周期性负载和老化情况下很容易损坏，而且一般熔断器的保护时间约为100ms，无熔断器的设计避免使用不可靠熔断器的同时大大降低了保护时间（<25μs），提高了整体可靠性。三是使用更先进的自愈式电容，相比老式的电解介质电容器，其具有高工作场强、低介质损耗以及体积小、容量大、损耗低、安全可靠的特点，拥有更长的使用寿命。
3.1.2 卓越的性能
（1）基于DTC技术的快速而精确的过程控制保证了高而稳定的产品质量、最小的原材料损耗以及最小的机械磨损。 （2）功率电路的简化和硬件的模块化设计，使得本系统拥有极高的利用率。
（3）ARU在整个运行范围内将功率因数控制为1，即使在低速范围也是如此。传动无功功率的消耗可以忽略不计，供电系统仅需按有功功率消耗进行设计，无需无功功率补偿装置。
3.2 关键技术
3.2.1 直接转矩控制DTC（Direct Torque Control）
DTC是一种直接基于电机电磁状态来控制转矩和速度的交流调速控制方式。通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，把转矩测量值与给定值作比较，使转矩波动限制在一定容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。用于同步电机的DTC方框图如图4。
图4 同步电机的DTC方框图
如图所示，每25?s将测量的电机电流值和直流回路电压值输入到一个自适应的电机模型，并精确的计算出电机转矩和磁通。比较器把实际值与控制器计算的给定值进行比较。根据磁滞控制器的输出，每50?s由开关逻辑控制器直接决定逆变器的开关位置。
与传统的交流传动技术相比较，DTC技术拥有以下性能优势：
（1）转矩响应：DTC控制在40HZ以下典型的转矩响应时间在1～2ms，而带编码器的矢量控制和直流传动响应时间在10～20ms之间，开环的PWM传动响应时间超过100ms。
（2）低频下的精确转矩控制：DTC控制可以在频率低于0.5HZ的情况下提供100%转矩。
（3）静态速度精度：DTC控制的速度精度为电机滑差的10%。
（4）动态速度精度：DTC开环动态精度在0.3%～0.4%s之间。而其它开环控制的交流传动，动态精度一般在3%s左右。
这些优势在实际应用中通过改善过程控制使得产品质量更一致，同时让电机的运行更稳定，即使在负载突变情况下也能快速的回复到稳定状态，减小了故障概率，从而达到提升经济效益的目的。
3.2.2 IGCT功率器件（Integrated Gate Commutated Thyristo）
IGCT（集成门极换流晶闸管）是一种为中压变频器开发的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件。它是以 GTO（门极关断晶闸管）为基础进行改进的器件，是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点。IGCT可由门极控制瞬时使导通的晶闸管转为晶体管，所以无需缓冲电路，因而所需的功率元件数目更少，运行的可靠性大大增高。
表1 IGCT与GTO和IGBT的性能比较
4 结束语
ACS6000中压传动系统的动态响应快、范围调速宽，不仅提高了传动控制设备的先进性、可靠性，而且由于应用了三电平交—直—交变频传动技术控制同步电机，改善了电网质量，提高了功率因数，省略了谐波补偿装置。该系统在调试期间性能稳定可靠，动态速度波动精度小于1%，在热负荷试车时成功轧制出符合工艺要求的各种规格铝合金板材。
参考文献：
[1]ABB Switzerland Ltd.ACS6000 Medium Voltage Variable Speed Drive [M].ABB，2002.
[2]ACS6000中压交流传动，3-27MVA同步电机和异步电机的速度和转矩控制，技术样本，北京ABB电气传动系统有限公司，2003.
[3]ABB传动，直接转矩控制—世界领先的交流传动技术，技术指导.北京ABB电气传动系统有限公司，2010.