交流调速及变频器在钢铁工业的应用分析

    （1）钢铁工业耗电量极大，中国电工产品耗电约占全国总发电量的70%，而冶金系统年耗电量约占全国发电量的9.3%左右，驱动的电动机占很大一部分，其中要求调速的占80%以上（据统计，钢铁工业要求调速的电动机从数量上说约为20%，而容量上说却占80%），故其有效操作和节能降耗是至关重要的。（2）钢铁工业产量大、经济效益大，要求作业率高。如板带热连轧厂年产量大都超过600万吨，稍有故障停车，损失就很大，故提高作业率极为重要。钢铁企业使用的电动机有直流电动机和交流电动机，由于许多要求调速的生产机械对电气控制系统有一定的要求，如调速范围、动态响应、静差度等，过去直流电动机一直占主导地位，但直流电动机有一系列缺点，如结构上有换向器及电刷使日常维护量增加、电刷与整流子经常产生火花而要求安装环境较好及不能用于易燃易爆场所、与同容量交流电动机比体积和重量及转动惯量都较大、价格也较高、效率比交流电动机低2至3%等，交流电动机则无直流电动机的缺点，维护量较少，作业率较高。特别是近十多年随着电力电子和微电子技术发展及现代控制理论应用，使交流调速迅速发展，其调速特性与直流调速性能完全一样甚至超过，完全可代替直流电动机及其调速系统。（3）变频调速经济效益高。交流调速有多种方法（异步电动机的变极调速、调压调速、转子串电阻调速、电磁转差离合器调速，液力耦合器调速、机械差动调速、变频调速等），但主流是变频调速。变频调速的变频电源有旋转变频机组和静止变频装置。前者由异步或同步电动机—直流发电机和直流电动机—同步发电机两套机组组成。后者则由电力电子器件和微电子器件组成，无可动部分。由于旋转变频机组设备庞大、有可动部分、维护量大、效率低和性能差，故已被静止变频装置代替。现在所指的变频调速是指静止变频调速装置（变频器）。据统计使用静止变频调速以后，可节电1至3%。因此交流电动机驱动和变频调速在钢铁厂已广泛应用，特别是新建的机组，甚至大功率（单机达10,000千瓦）、要求严格的带钢热连轧机也使用交流电动机驱动和交流调速。

    交流调速及变频器在钢铁工业应用的进展变频调速在钢铁工业的应用，经过多个阶段。交流调速开始为节能而用于风机、水泵代替要耗能的恒速运行但调节阀门的方法，到上世纪80年代初日本川崎钢铁公司首先在连铸车间全交流化，取得了良好的效果，以后，不但在连铸车间使用，而且推及到各工序、各车间全交流化。由于由于热轧板带轧机要求严格、产量大（年产600万吨以上），稍有故障或性能达不到要求，损失就很大,故直到数字控制技术和矢量控制技术完全实用化（矢量控制的电动机轴上装有脉冲发生器，并以此进行速度反馈构成闭环系统，用数字控制方式进行速度控制或力矩控制，因而调速范围宽，调速精度高，动态性能已达到直流调速。而vvvf控制为开环系统，按照电压／频率（v/f）一定，用模拟技术进行控制，因而调速范围小，约为1:40，调速精度受限制，动态性能不如直流调速，尤其是小容量、低速情况下不理想），才为热轧板带轧钢厂轧机主传动交流化创造基础，但开始仍只限于在要求没有串列的精轧机严格的粗轧机，然后经过试验和多年后才用于精轧机。

    要求严格、技术复杂和产量大的热轧板带轧机工厂实现全交流化，事实上钢铁工业全交流化就已实现，冷板带连轧机、中厚板轧机、线棒轧机、型钢轧机、钢管轧机包括主、辅传动都相继使用交流变频调速。

    直接连接（非高—低—高变换）式的高压交流变频调速装置的研制成功，使那些需要调速6kv的高压电动机，如矿井提升机也得到解决。由于传动装置和变频装置是工业控制的基础环节，在cims系统六级结构中属于l1级，要实现全线或部分自动化，需要与plc或工业控制器相连，也开发了“传动—plc一体化”，它一般通过现场总线相连。

    交流调速及变频器实际应用中要注意的几个问题。变频装置主要分为交—直—交变频和交—交变频两大类，交—直—交变频又可分为电压型和电流型两大类，交—交变频多为电压型，也有少量使用电流型。变频控制方式分为电压型、电流型、脉冲宽度调制型等。其主回路的拓扑、控制策略都有多种方式可以选择，如功率器件有scr（晶闸管，thyristor）、gto（门极关断晶闸管，gateturn-offthyristor）、igbt（绝缘栅双极晶体管，insulated-gatebipolartransistor）、igct（集成门极换流晶闸管，integratedgateco毫米utatedthyristor，是一种新型半导体功率器件，在gto的基础发展起来的）等；主回路的拓扑结构可选择两电平、三电平、负载换相式scr电流型变频器等，控制策略可选择v/f控制、矢量控制、直接转矩控制、脉冲宽度调制（pwm）或脉冲幅度调制（pam）等；电压也有高压（3至6kv，主要是大容量的同步或异步电动机）、中压或抵压（如一般的小功率380v和轧钢辅传动的电动机）等。此外，变频调速还有变极调速，无级调速还有矢量控制方式、变压变频（vvvf）控制方式等，价格极为不同，如何选择是一大问题。表3示出了中国宝钢从日本引进的于1989年投产的1900毫米板坯连铸全交流方式。从表中可以看出，变频调速采用变极、vvvf和矢量变换控制三种方式，在调速要求不需无级的只须有限变速的采用变极控制方式，要求速度控制不严格的如辊道速度控制采用变压变频（vvvf）方式，要求速度控制严格的才采用矢量变换控制方式，这样目的是节约投资和简化维护，这种按工艺要求选择变频器的方法可作为为其他车间交流化作为准则，如烧结的全交流化，其配料的变频器采用vvvf方式，台车采用矢量变换控制方式。

    对于变频器生产，国外电气公司都已产业化了，如德国西门子、法国阿尔斯通、瑞典abb、美国ge、意大利ansoldo、日本日立、日本三菱、日本安川等公司都生产各种容量、不同电压的通用变频器可供选用，选择时可适当参照其业绩及在类似或同样机组使用情况和经验与效果。变频所用电动机也需注意，一般1,000千瓦以下的电动机，采用异步电动机性能价格比较好，对于容量较大的可采用同步电动机或异步电动机。异步电动机一般采用线绕电机，而容量较小的电动机一般采用鼠笼电机。由于传动控制系统一般采用pwm变频器，故电机也须特殊设计，以满足pwm变频调速的要求（按不同机组情况，包括允许过载%、过载时间、工作制、绝缘等级、保护等级、额定电压等）。一般来说，还须考虑电源污染对电网造成的影响问题，特别对容量特大并使用交—交变频装置的场合，考虑装设无功动态补偿装置（svc）是要认真考虑的。

    交流调速及变频器国产化与产业化。交流变频调速装置在钢铁工业占重要地位，无论从生产需要或经济效益，其重要性是不言而喻。但大多是引进，特别是大功率的轧钢主传动，从早期引进的宝钢2,050毫米热连轧r2、包钢1,150毫米初轧机、鞍钢1,150毫米初轧机到“十一五”建设的宝钢1,880毫米热连轧。

    这需要花大量外汇和资金，据统计，国产的交—交变频器，价格约为500元rmb/kva（不包括整流变压器），而引进约为1.5倍国产价格，而一个大型板带热连轧厂主传动可达100,000千瓦，因此国产化、产业化和可靠性以及有所创造是关键问题。国内许多单位，如天津电气传动研究设计所、冶金自动化研究设计院(前身为冶金部自动化研究院)等远在上世纪70年代末，就已致力于交流变频调速的研究和国产化与实用化工作。大概可分为三个阶段。第一阶段为上世纪70年代末至1985年。开始从事交流调速研究及工业试验与应用，并在实用化取得初步成绩，例如1983年研制成功线绕型感应电动机双馈变频调速装置并在15吨冷拔机组中良好使用。第二阶段为1985年至1993年。在这阶段是研究各种交流变频调速机理、特性与工业应用以及数字调节器等，同时引进单体变频器自行设计系和完全设计和制造国产化和具有自己知识产权的交流变频调速系统和装置，其中典型的是冶金部自动化研究院的1988年4月成功地投产湘钢金属制品分厂的24号6/350活套拉丝机变频调速系统（pwm逆变器），1988年10月成功地投产轧钢厂辊道控制的电流型变频调速系统和装置。1993年2月制成大功率交—交变频矢量控制的双馈变频调速装置，并用于首钢带钢厂直径500毫米窄带热连轧主传动650千瓦交流电动机上。1993年制成第一套国产的2,500千瓦交—交变频同步电动机调速系统（获冶金科技进步一等奖），并用于包钢轨梁厂850型钢轧机。第三阶段为1993年至现在。其特点是现代化、高性能化、全数字化和产业化，并大力应用于实际工业现场中。在钢铁工业中代表是1996年制成第一套国产的全数字的4,000千瓦交—交变频调速系统，并用于重钢五厂2,450毫米中板轧机；1999年制成第一套国产的双机传动的交—交变频调速系统，并用于武钢轧板厂中板轧机；2000年制成第一套热连轧机传动的交—交变频调速系统，并用于攀枝花钢铁公司轧板厂；2001年完成第一套特大型全数字交—交变频主井提升装置。此外，2003年投产的营口中板厂精轧机2乘4,200千瓦主电机交—交变频调速系统；2004年投产的胜利油田临盘采油厂560千瓦注水泵电动机的高压直接变频调速系统（交—直—交方式，h桥串联式）以及多套棒线轧机主辅传动交流变频调速系统都是国产化例子。在这阶段交—交变频调速系统有较大的发展，例如冶金自动化研究设计院的交—交变频调速技术与在钢铁工业应用规模已超过美国ge、法国alston、意大利ansaldo，达到siemens、toshiba、abb的世界先进水平。各项技术性能指标与国外siemens、toshiba相同，达到国际先进水平；该院交—交变频占国产化市场的80％左右，单机功率也最大（4,000千瓦），大功率交—交变频装置已为国内提供208套，容量共2,000mw，占全国首位。该院还在交—交变频调速系统有所突破：

    （1）提出同步电机磁场定向控制理论与方法，阻尼磁链定向发明专利，提高了交—交变频系统的技术性能；

    （2）提出电机、电网、系统一体化理论与仿真，解决了大型交流调速对电网影响问题；

    （3）研制了现代控制理论的负荷观测器，解决了热连轧机电振荡问题；

    （4）建立了交—交变频工程设计与调试方法，使工程规范化，推广应用规模化;

    （5）研制成功4英寸大功率晶闸管及大功率变流装置，功率全范围覆盖，单机达到20mw；

    （6）树立了国产化样板，第一套热连轧交流调速，第一套矿井提升机交流传动;

    （7）在863项目支持下，研制成功7,500千瓦的igct变流器，完成了3600千瓦同步电机的工业试验。

    并研发电子控制器。

    在产业化方面也是效果显著。除了低压、中小容量的变频调速系统及其相关元器件已系列化、产品化和商品化以外，高压直接变频调速系统及装置夜已有多家公司系列化、产品化。

    国产化的问题与展望。国产化近年来取得很大的成功和重大的经济效益，包括国内许多公司开发的高压直接变频调速系统，但如果冷静地分析一下，国内大多数公司和单位，大多是设计主回路，而核心技术如数字式的电子控制器和电力电子器件都是外购，其中电子控制器都是外国公司如西门子公司生产（实际上完全国产化的大功率变频系统只有模拟式控制系统，如包钢轨梁厂850型钢轧机的2,500千瓦交—交变频同步电动机调速系统），电力电子器件则只有晶闸管国内可生产，而第三代可关断电力电子器件，包括gtr、gto，更不用说igbt、igct了，全部进口，国内交—交变频之所以得到蓬勃发展，主要依托国内多年的晶闸管生产技术和较便宜的价格。无可置疑，交直交变频特别对电源污染方面都是优于交—交变频方式，但igbt、igct等电力电子器件依靠国外而使交—直—交变频发展较慢。但要开发和生产igbt、igct等电力电子器件要投入财力物力太大，一个单位难以负担，需要国家大力投资研发和生产，并希望国家能择优和考虑有效投资。现在国内电气公司越来越多，分出来也越来越多，原因是传动调速系统，经济效益大，设计主回路，外购电子控制器和电力电子器件，然后组装、调试，已越来越多人掌握，办个组装车间也非难事，但人力分散，基础工作—电子控制器和电力电子器件却很少人也无力致力于研发和生产。当今合并组成大型集团公司是世界也是国内趋向，我们应该效仿，这样才能更有力量和利于发展并和西方大电气公司竞争。目前只批判“短视行为”不足以解决，看来，只能是国家大力和有效投资研发和生产电力电子器件，把有影响的电气传动公司和电力电子器公司及著名的研究院所合并成大型的集团公司，才足以有此财力和人力，来进一步发展交流变频调速技术，并和国际著名公司，如德国西门子公司等竞争，化进口为出口。目前集团公司有些不问专业而以工艺行业进行合并，例如冶金系统的自动化专业的研究院与工艺方面的研究院合并而成钢铁集团公司，看上去似乎合理，但实质上是过去冶金部、煤炭部、化工部等小而全方式，这样很难有大的发展，反观国外，大都是专业合并，三足鼎立——机械设备、电气、工艺，如德国德马克等机械公司、西门子等电气公司、蒂森等钢铁公司（或其他化工、轻工等工艺公司），美国也如是，如wean-united等机械公司、ge等电气公司、美钢联等钢铁公司（或其他如杜邦化工等工艺公司），日本也如是，如ihi、三菱重工等机械公司，东芝等电气公司，新日铁、日本钢管等钢铁公司（或其他化工、石油等工艺公司）。因为强大的专业，无论技术、生产能力或开发才有可能最大发展，故应跳出过去工艺行业，集中组织电气集团公司，才能和德国西门子公司、日本三菱公司、法国阿尔斯通公司、瑞典abb公司竞争。中国目前电动机装机容量估计是6.22亿千瓦，其用电量占全国发电量的60至70%，其中交流电动机约占90%，是调速的主要对象。风机、泵类和压缩机等总容量达2.3亿千瓦，其用电量占全国发电量大于30%，目前其流量调节90%以上仍用落后的调节挡板或阀门方式。据调查，交流电动机的70%应该调速运行，改造率约50%、2.6亿千瓦，若以全国发电量28,344亿千瓦小时为基数、平均节电率按20%计算，其节电潜力为400亿千瓦小时，占全国发电量的4.4%，可相应减小发电装机1,660万千瓦，减小电力基建投资800亿元以上，可减小发电用煤4,000万吨，相应减少co2排放量约2,000万吨（煤计算），减少二氧化硫排放量约40万吨，按调速装置造价和平均节电率计算，节电投资为500至2,500元/千瓦，仅为新建电厂造价的1/10至1/2，可见交流调速的节电潜力和社会效益相当显著。