1 引言
济钢1700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×900～1550mm 的中宽带，一期工程年产量250万吨，在该项目中采用了多项新工艺新技术，其中轧机主传动实现全数字化、全交流化便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，功率单元由国内的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。
全线主传动由一架带有立辊的粗轧机和6台精轧机组成，主要电机技术数据见附表。
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约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，电机定子绕组为星接、变频功率装置为星接，星点各自独立的接线方式，采用这种接线方式同时带来了利用交流偏置技术，减少整流变二次电压，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 济钢1700热连轧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sd柜组成，晶闸管采用2500a/4000v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)。
附表 主要电机技术数据
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，相当于三台可逆整流装置按照星形连接后，对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，带来了一些特殊性:
(1) 至少要有不同输出相的正反两组桥中的4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2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°)，以保证任一时刻触发换向时，同时有4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做为联锁判断条件，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需的检测延时和安全延时时间，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。
(5) 相对于直流传动的可逆整流装置，交－交变频电路不但会对供电电网产生动态无功和典型的(6k±1)fi次谐波，而且会产生(6k±1)fi + 6nfo及fi+6nfo次旁频谐波，从而给滤波器组的设计带来困难。
三相交交变频电路的典型输出波形如图2所示。
图2 三相交交变频电路的典型输出波形
在实测波形中给出了a相电压、电流及经过平均值滤波处理后的波形，如图3所示。
图3 a相电压、电流及经过平均值滤波处理后的实测波形
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4所示。
图4 系统控制原理图
气隙磁场定向矢量控制的关键就是如何正确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:
图5 单变量闭环求解的电流模型
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，通过单变量闭环求解,如图5所示，其主要思路仍然是利用设定值计算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，图中用到的气隙磁通和计算公式如下:
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