如今全球能源緊缺,，如何保護(hù)資源和減少能源消耗成為科研和工業(yè)界的當(dāng)務(wù)之急,，尤其
是耗能大戶冶金鋼鐵、石油化工,、傳統(tǒng)制造等領(lǐng)域,。因此，對工業(yè)電機(jī),、風(fēng)機(jī),、泵、壓縮機(jī)等負(fù)載使用變頻器改造成為了一種行之有效的節(jié)能方式,。本文主要介紹高性能大功率變頻器在熱軋領(lǐng)域的應(yīng)用,，并提出幾點思考。

研究對象工藝說明


圖1交交變頻調(diào)速驅(qū)動交流同步電動機(jī)單線圖

(1)熱軋領(lǐng)域：本文主要是介紹黑色冶金行業(yè)（鋼鐵行業(yè)）熱軋帶鋼領(lǐng)域,，包括常規(guī)熱連軋,、短流程CSP、爐卷軋機(jī),、中厚板軋機(jī)等使用的高性能大容量變頻裝置,。但是由于常規(guī)帶鋼熱連軋技術(shù)和產(chǎn)品要求最嚴(yán)格，因此本文重點闡述帶鋼產(chǎn)品寬度在1000mm及以上,，厚度在1.2mm—21mm的熱連軋生產(chǎn)線,。

(2)主機(jī)：在帶鋼熱連軋生產(chǎn)線中，一般其粗軋機(jī)和精軋機(jī)（連軋機(jī)）定義為主軋機(jī)（或主機(jī)）,，其對應(yīng)的變頻調(diào)速裝置稱為主傳動裝置,。

(3)大容量：指電機(jī)的額定功率在2500kW以上，或變頻裝置的額定容量在6MVA以上（無統(tǒng)一說法）,。

(4)高性能：一般上述設(shè)備因其容量大且是產(chǎn)品生產(chǎn)（含產(chǎn)量和質(zhì)量）的核心裝備,，其裝置控制性能要求非常高；響應(yīng)速度快,；靜態(tài)速度控制精度高（小于萬分之一）,；電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動小,；動態(tài)速降小(小于0.3%S),；裝置效率高（大于97%）。

電機(jī)：一般而言，現(xiàn)在的主機(jī)用的電機(jī)均采用交流同步電動機(jī),，電機(jī)容量如下：粗軋機(jī)電機(jī)額定功率：2500kW—9000kW,，  精軋機(jī)電機(jī)額定功率：6000kW—11000kW：

裝置：2008年以后，幾家大容量高性能的變頻調(diào)速裝置制造商一般采用交直交電壓型變頻裝置,，其裝置的額定輸出容量根據(jù)電機(jī)額定功率以及過載倍數(shù)的不同而不同,，但是裝置基本上分檔制成標(biāo)準(zhǔn)的主回路組件，其對應(yīng)的額定大容量有4種：6MVA,、8MVA,、10MVA、12MVA,。

據(jù)不完全統(tǒng)計,，中國從1957年引進(jìn)前蘇聯(lián)的鞍鋼2800/1700mm板帶連軋機(jī)到今天準(zhǔn)備籌建的寶鋼湛江工程，其引進(jìn)和自主設(shè)計的寬薄熱連軋機(jī)(寬度大于1000mm)不少于60條生產(chǎn)線,，其中寶鋼8條(2050,、1 580、1 780(上),、1 422,、1 880、1 780（梅））,；鞍鋼4條
（2800/1700,、1 780、21 50,、1 700（鞍凌））,；武鋼3條（不含柳鋼等，1700,、2250,、1580）

全國僅帶鋼寬度在2000mm熱連軋機(jī)生產(chǎn)線就有1 0條：寶鋼2050，武鋼,、太鋼,、馬鋼、邯鋼,、漣鋼的2250,，以及本鋼的2300，首鋼21 60,，日鋼和鞍鋼的2150等,。此外還有CSP、中厚板軋機(jī)等各類熱軋生產(chǎn)線,。

裝置技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展歷程

我們主要從電機(jī),、功率器件、變頻方式,、控制技術(shù)等方面來了解這些裝置的技術(shù)與發(fā)展歷程,。

電機(jī)：已經(jīng)從直流電機(jī)發(fā)展到同步電動機(jī)；

功率器件：已經(jīng)從可控硅發(fā)展到門控晶閘管( GTO),，再發(fā)展到IGCT( H-IGBT)和IEGT,；

變頻方式：已經(jīng)從交交變頻發(fā)展到如今的交直交電壓型變頻；

控制技術(shù)：從矢量控制發(fā)展到直接轉(zhuǎn)矩控制,。

目前正在使用的主傳動變頻裝置的代表產(chǎn)品與制造商：

(1)  交交變頻的應(yīng)用配置（寶鋼分公司）（1 6套）（元器件均為SCR）（交交變頻調(diào)速驅(qū)動交流同步電動機(jī)單線圖見圖1）,；

(2)  交直交三電平PWM變頻的應(yīng)用配置（寶鋼分公司）（46套）。

3.典型產(chǎn)品／技術(shù)介紹

現(xiàn)以寶鋼1 880熱軋和日本TMEIC產(chǎn)品TM-70為例作介紹,。

主電機(jī)有粗軋機(jī)R1上下輥,、R2上下輥（同步電機(jī)）、精軋機(jī)Fl-F7（同步電機(jī)）,、飛剪CS（異步機(jī)）,，板坯大側(cè)壓裝置SP(異步機(jī))共1 1臺。

電機(jī)額定功率具體如下：

R1:2500kW×2,；

R2:9000kW×20

F1 - F5:10000kW×5,；

F6 - F7: 9000kW×20

SP:3300kW×1；

CS:2500kW×1,。

上述主傳動裝置均采用日本TMEIC的TM-70的8MVA的驅(qū)動裝置,，其整流器和逆變器都是用IEGT作為其功率元件的交直交電壓型3電平PWM全數(shù)字矢


圖2 IEGT變頻器機(jī)柜

量控制傳動系統(tǒng)。這種控制方式真正實現(xiàn)了正弦波輸出,，減少了高次諧波和力矩紋波,，不需要采用SVG濾波裝置；同時高電壓輸出減少了電纜和導(dǎo)線的成本,。

R2上下輥和精軋機(jī)F1-F7由于其電機(jī)額定容量在9000kW到10000kW之間,，故一套裝置不夠用，必須同時使用兩套IEGT裝置,，容量在8MVA的TM-70裝置才行,。

而R1上下輥、GS,、SSP由于其電機(jī)容量在2500kW到3300kW之間,，故只需要一套IEGT裝置，容量在8MVA的TM-70裝置即可,。

IGCT,、IEGT變頻器（實物圖見圖2、3）規(guī)格對照表見表1,。

如今,，IEGT三電平整流器逆變器應(yīng)用更廣泛，其主要性能為：

高效率：大于98.5%；

高可靠性：因為不使用電解電容器,，所以不易出故障,；

    容易維護(hù)：拆卸容易，無需專業(yè)工具就能快速拆卸
 


圖3單組變頻器

功率IEGT Stack,；

對電網(wǎng)影響小,。

4．幾點思考

4.1雙系統(tǒng)并聯(lián)驅(qū)動

冶金行業(yè)（特別是寬帶鋼的熱連軋生產(chǎn)線軋）在高速軋制高強(qiáng)度薄帶鋼時，需要電機(jī)額定功率在
10000kW以上,，對于特大牽引交通負(fù)載,，其驅(qū)動電機(jī)將會更大。在現(xiàn)有的大容量功率器件下,，一個功率回路( bank)無法滿足上述負(fù)載的需要,。因此存在兩個并聯(lián)甚至三個或四個回路并聯(lián)情況。如何解決這一問題,，有兩種典型方法：多繞組電機(jī)法和驅(qū)動回路并聯(lián)法,。

采用多繞組電機(jī)法以日本東芝三菱公司TM-70為典型，采用驅(qū)動回路并聯(lián)法以日本原三菱電機(jī)產(chǎn)品MELVEC-3000系列及東芝4并系統(tǒng)最為典型,。表1IGCT,、IEGT變頻器規(guī)格對照表

4.2同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)

日本三菱電機(jī)的MELVEC3000系統(tǒng)和德國西門子SM-150、日本TMEIC的TM-70產(chǎn)品在給同步電機(jī)供電時,，其同步機(jī)勵磁驅(qū)動裝置一般都采用可控硅全波整流,。

這幾家采用的勵磁主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差不多，但為防止勵磁回路能量釋放引起的過電壓,，各方設(shè)計的過電壓保護(hù)回路差別較大,。

日本TMEIC公司的TM-70設(shè)計配套的勵磁保護(hù)過電壓回路非常復(fù)雜，因其硬件設(shè)計欠周到和其控制PLC軟件編程錯誤,，導(dǎo)致多次燒壞二極管和電阻,。而日本三菱電機(jī)設(shè)計的非常簡單且使用實效性好，系統(tǒng)運(yùn)行近16年,，從未出現(xiàn)過故障,。

4.3軋機(jī)機(jī)電共振控制功能

由于軋機(jī)的速度不是很高( 20rpm—6580rpm)，因此其對應(yīng)的變頻裝置控制頻率也不會太高,。根據(jù)N=60×f/P,，考慮電機(jī)制作難易程度以及電機(jī)的工作效率、成本,，其電機(jī)極對數(shù)在4—8之間,。故控制速度的逆變器輸出頻率在2.6—44Hz之間。由于機(jī)械自身固有頻率也比較低,，當(dāng)軋制高強(qiáng)鋼時,，系統(tǒng)通過軋制的板坯讓系統(tǒng)產(chǎn)生共振,，輕者引起系統(tǒng)跳電，無法軋鋼,，重者會損壞設(shè)備,。寶鋼1 880熱軋的粗軋機(jī)R1就是典型的例子。盡管TM - 70具有抑制系統(tǒng)扭振功能SFC．但是由于多方面原因,，即使通過日方專家多次調(diào)試和系統(tǒng)優(yōu)化,，并使用了SFC功能,，其效果還是不



能滿足現(xiàn)場實際的需要,。容易出現(xiàn)共振的軋機(jī)有：R1軋機(jī)、F3和F4軋機(jī),。

4.4其他

采用何種高性能大功率變頻器還要考慮采購成本,、配件成本、維護(hù)維修成本,，在技術(shù)方面要考量功率器件和裝置制造技術(shù),、裝配技術(shù)、調(diào)試技術(shù),、維修技術(shù)等綜合因素,。