摘 要 ：文章討論了當前大功率軋機主傳動采用的交流調速系統(tǒng)，比較了交—交變頻，交—直—交變頻，IGCT/IGBT三電平PWM變頻等交流調速系統(tǒng)的特點。文章還介紹了中國大功率軋機主傳動交流調速系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展。 1 引言 中國的鋼產(chǎn)量已連續(xù)多年居世界第一，并每年以20%以上的高速度在增長。2004年的鋼產(chǎn)量是2.73億噸，2005年將超過3億噸，占世界鋼產(chǎn)量的1/3。作為制造業(yè)基礎的鋼鐵工業(yè)，現(xiàn)在正在進行大規(guī)模建設和技術改造。有資料顯示，50萬噸以上的鋼廠全面盈利，這吸引了眾多民營企業(yè)進入這個領域，出現(xiàn)了“大煉鋼鐵”的局面。然而中國鋼鐵工業(yè)的問題也非常突出。它的能耗水平高，對環(huán)境的污染嚴重，能夠生產(chǎn)高檔次鋼材的企業(yè)少，如用于電機行業(yè)的硅鋼片、高檔汽車用的鋼板每年還需要大量從國外進口。 電力電子的變流器在鋼鐵方面的應用主要有兩個方面:一個是大型軋機傳動，由交流調速取代直流調速，提高軋鋼能效；另外一方面是環(huán)保節(jié)能的傳動，例如鋼鐵工業(yè)中的高爐鼓風機，冶煉除塵風機和水泵等等，現(xiàn)在大多數(shù)還是采用檔板截流的調節(jié)方式，采用高壓變頻調速將產(chǎn)生較大的節(jié)能效益，市場前景廣闊。當前在軋機主傳動中應用的交流調速技術主要是交—交變頻調速，IGCT/IGBT三電平交—直—交變頻調速。 大功率軋鋼機主傳動要求電氣傳動系統(tǒng)具有很高動態(tài)響應和相當高的過載能力。這一領域長期以來一直被直流電動機傳動所壟斷，由于直流電機存在著換向問題和換向器、電刷等部件維護工作量較大，使其在提高單機大容量、提高過載能力、降低轉動慣量以及簡化維護等方面受到了限制，已不能滿足軋鋼機向大型化、高速化方面的發(fā)展。隨著電力電子技術、微電子技術以及現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，該技術受到國內外鋼鐵工業(yè)和電氣傳動學術界的極大關注。70年代以后，隨著交流電機矢量控制理論的產(chǎn)生及其應用技術的推廣，世界工業(yè)發(fā)達國家都投入大量人力物力對交—交變頻軋鋼機主傳動進行研究。到目前，在世界上已有上千臺交流變頻軋機主傳動投入工業(yè)應用，在工業(yè)發(fā)達國家新建1000kW以上的軋機主傳動，無論是初軋機，中板軋機還是熱、冷連軋機，無一例外全部采用交流變頻調速。在大功率軋鋼機主傳動領域已出現(xiàn)交流調速傳動取代直流傳動的趨勢。 2 交—交變頻器 1987年湖南湘潭鋼鐵廠從西門子公司引進了交—交變頻的軋鋼機，拉開了我國軋鋼機采用交流傳動的序幕。這套軋鋼機投入運用后，湘潭鋼鐵廠的噸鋼能耗節(jié)約了30%。此后，交流調速技術在鋼鐵領域得到了大力推廣。 2.1 交—交變頻的特點 交—交變頻調速系統(tǒng)如圖1所示，由三組反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成，它沿續(xù)著晶閘管變流器的電網(wǎng)自然換流原理，具有過載能力強、效率高、輸出波形好等優(yōu)點，但同時也存在著輸出頻率低（最高頻率小于1/2電網(wǎng)頻率），電網(wǎng)功率因數(shù)低，旁頻諧波影響等缺點。交—交變頻區(qū)分為有環(huán)流和無環(huán)流方式，可驅動同步電機或異步電機。 2.2 交、直流調速的比較 軋鋼機交流傳動較傳統(tǒng)的直流傳動有許多優(yōu)點： （1）交流電機的單機容量不受限制，而直流電機的極限是5000kW/500r/min； （2）同等功率情況下，交流電機的轉動慣量比直流電機的要小得多，如寶鋼有臺2×4500kW的直流電機，它的轉動慣量GD2=76.8tm2，而9MW交流同步電機單電機傳動，GD2=17.2tm2，為直流電機的1/4.5。因此交流電機的加速性能要大大超過直流電機； （3）交流調速的動態(tài)性能好，速度響應由直流的15～30rad/s提高到40～100rad/s； （4）交流電機的效率比直流電機提高2～3%；采用交流調速可提高生產(chǎn)效率，綜合節(jié)能30%（耗電/噸鋼）； （5）交流調速體積小、重量輕、占地面積小,維護簡單。 采用交流調速對寶鋼2050熱連軋和武鋼1700熱連軋進行改造，用一臺1萬多kW的電機來取代原來的3臺直流電機，體積減小了2/3。總體來說在鋼鐵領域交流調速取代直流調速已經(jīng)形成了一個趨勢。 2.3 交—交變頻器在熱連軋機上的應用 圖2是一個熱連軋鋼機驅動的典型圖例。 圖2中一共有7臺電機，第一、二機架是8500kW的，第三到第七機架是10000kW的，如附表。熱連軋機傳動的電機功率大，裝備規(guī)模大，技術性能要求高。在國際上只有少數(shù)幾家知名電氣公司可以承接該項目，我國熱連軋機等大型機械傳動裝備一直依賴于進口。 附表 熱連軋鋼機的傳動配置 2.4 交—交變頻器的國產(chǎn)化研究 國家把大型軋機主傳動裝備國產(chǎn)化列入“七五”、“八五”、“九五”國家重大技術攻關項目。國家要求大功率交流調速系統(tǒng)技術盡快產(chǎn)業(yè)化，以改變大型工業(yè)機械傳動裝備長期依賴于進口的局面。原冶金部和機械部把交—交變頻列為重點科研項目。冶金自動化院、天津電氣傳動研究所對該技術進行攻關，同時，清華大學、浙江大學等高校參與了項目的研制和理論分析，哈爾濱電機廠、東方電機廠、上海電機廠等企業(yè)則研制用于交—交變頻調速系統(tǒng)的同步電機。 1993年第一套國產(chǎn)的2500kW交—交變頻同步電機調速系統(tǒng)研制成功，應用于包鋼軌梁廠850型鋼軋機；1996年第一套4000kW國產(chǎn)全數(shù)字控制交—交變頻調速系統(tǒng)問世，應用于重鋼中板軋機主傳動；1999年第一套國產(chǎn)雙機傳動交—交變頻調速系統(tǒng)研制成功，應用于武鋼軋板廠中板軋機；2000年第一套熱連軋機交—交變頻調速的在攀枝花鋼鐵公司投入運行。據(jù)統(tǒng)計從1996年至2005年，我國大功率交—交變頻軋機傳動系統(tǒng)共263套，其中國內制造171套，占65%。我國大功率交—交變頻的技術水平與應用規(guī)模已超過美國GE、法國Alstom、意大利Ansaldo，達到世界先進水平；徹底扭轉了大型工業(yè)軋鋼傳動裝備長期依賴于進口的局面。 3 交—直—交變頻器 3.1 交—直—交變頻器的特點 進入80年代以來，打破晶閘管元件一統(tǒng)天下的自關斷電力半導體器件，大功率晶體管GTR，可關斷晶閘管GTO以及場控器件絕緣柵雙極晶體管IGBT相繼問世，開始了一個以自關斷電力半導體器件為核心的新時代，與傳統(tǒng)的半可控晶閘管器件相比，采用自關斷電力半導體器件的電氣傳動裝置具有節(jié)約原材料，變換器裝置結構簡單，體積小，重量輕，功率因數(shù)高，諧波污染小等顯著優(yōu)點。 3.2 交—直—交變頻器在軋鋼傳動中應用 在大功率高電壓變頻調速領域，GTO元件曾占主要地位。20世紀90年代，GTO變頻調速繼在鐵路牽引機車上普遍應用之后，世界各國開始研制軋機主傳動GTO變頻調速系統(tǒng)。日本三菱公司率先研制成功6000V/6000A大功率GTO元件，并將世界最大功率7000kW，3kV，GTO同步電機變頻調速成功地應用于我國寶鋼1580mm熱連軋機和鞍鋼1780mm熱連軋機。圖3為GTO交—直—交多電平PWM變頻調速系統(tǒng)，該系統(tǒng)為電壓型變頻器，電源測變流器亦采用GTO脈寬調制技術，控制輸入電流的相角可以達到功率因數(shù)始終為1，并減少輸入電流的諧波。該變頻器采用三電平GTO元件串聯(lián)控制技術，使變頻器輸入和輸出電壓可達到3300V。與采用晶閘管元件的交—交變頻調速系統(tǒng)相比，GTO變頻器具有輸出頻率不受限，電網(wǎng)諧波污染小，功率因數(shù)高等顯著優(yōu)點，但也存在著GTO元件開關損耗較大，效率低，需要水冷卻，維護困難等問題，同時電力半導體領域一直對GTO元件看法不一，期待更新型的場控器件來取代它。 近幾年，高電壓大功率電力半導體器件的研制是世界各國在軋機傳動領域的競爭熱點，由瑞士ABB公司研制成功的門極可關斷晶閘管IGCT，是在GTO元件基礎上進行創(chuàng)新的一種新型大功率電力半導體器件。它在器件的結構設計中減少了控制門極回路電感,將驅動電路集成到器件旁，使IGCT的開關損耗較GTO減少一個數(shù)量級，提高了開關速度，取消了緩沖吸收電路，大大簡化了變頻器結構并提高了系統(tǒng)效率。ABB，GE，ANSALDO，以及西門子公司已研制成功采用4000A/4500V, IGCT元件的大功率三電平PWM變頻器用于軋機主傳動。我國本溪鋼鐵公司1700軋機改造采用了GE公司的IGCT三電平變頻器，電機功率7MW/6kV。IGCT已成為GTO的換代器件。 日本東芝公司近期研制成功高電壓大功率的IEGT元件，即電子促進絕緣柵雙極晶體管，4000A/4500V。IEGT是IGBT的一種形式，具有IGBT元件電壓驅動, 開關速度快，可自保護等優(yōu)點，東芝公司已將采用IEGT元件的7MW/3kV大功率三電平變頻器應用于我國鏈源鋼鐵公司薄板坯連鑄連軋主傳動中。 3.3 交—直—交變頻器存在的問題 盡管交—直—交變頻器具有輸出頻率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點，但交—直—交變頻器仍存在許多待改進的問題： （1）當前大功率高電壓電力電子器件處在發(fā)展期，GTO元件面臨淘汰，IGBT，IGCT尚待成熟； （2）采用IGCT（或者GTO）、IECT的變流器，器件故障造成直通短路的保護還是難題；電源側變流器如果發(fā)生直通短路會造成電網(wǎng)短路，所以變流器必須采用高漏抗輸入變壓器，一般要求15%，甚至高達20%； （3）交—直—交變頻器低頻運行時過載能力減低，一般運行在5Hz以下時變頻器過載能力減半； （4）交—直—交變頻器輸出PWM調制電壓波形的電壓變化率du/dt很高，容易造成電機和電器的絕緣疲勞損傷；輸出導線較長時，共模反射電壓會在電機側產(chǎn)生很高的電壓，如果是兩電平的變流器，這個電壓的峰值是直流電壓的兩倍，如果是三電平的變流器，這個電壓的峰值是中間一半電壓的三倍； （5）交—直—交變頻器PWM調制將產(chǎn)生諧波、噪聲、軸電流等問題。 3.4 交—直—交變頻器的國產(chǎn)化研究 國產(chǎn)的交—交變頻調速系統(tǒng)已成功應用于低速、大轉矩的大型熱軋機主傳動，但對于高轉速的冷軋機交—交變頻器顯然不具優(yōu)勢，冷軋機應采用交—直—交變頻器。因此，大功率交—直—交變頻驅動的冷連軋機國產(chǎn)化已作為國家“十一五”重大裝備攻關項目。 冶金自動化院在國家863項目的支持下，研制成功一臺5000kW的IGCT變流器，完成了驅動3600kW同步電機的工業(yè)性試驗。目前，課題組通過充分分析國外IGCT變流器電路拓撲和結構，研制降低電路雜散電感的結構布置，使國產(chǎn)IGCT變流器能力已經(jīng)達到了10MVA，而且體積大大縮小。 4 發(fā)展展望 總體來說，目前鋼鐵行業(yè)、礦山、牽引（包括船舶推進）、油氣輸送都急需要大功率的交—直—交變頻的研制。我國軋機傳動交—交變頻調速系統(tǒng)能取得長足進步，是因為依托了中國多年積累的晶閘管技術基礎。因此，在交—直—交變頻器國產(chǎn)化研制過程中，如果沒有我國自己的器件作為基礎，不可能形成國產(chǎn)大功率交—直—交變頻器產(chǎn)業(yè)。希望國內科研單位加速研制和完善我國自主創(chuàng)新的IGCT器件，協(xié)同國內其它相關單位一起把大功率交—直—交變頻器的國產(chǎn)化工作做好。