大功率變頻器的綜合因素考慮及在熱軋領(lǐng)域的應(yīng)用分析

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(diǎn)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(diǎn)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(jì)，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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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?yàn)椴皇褂?a target="_blank">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(diǎn)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(shí)，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(gè)功率回路( bank)無法滿足上述負(fù)載的需要。因此存在兩個(gè)并聯(lián)甚至三個(gè)或四個(gè)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(shí)，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(jì)的過電壓保護(hù)回路差別較大。

日本TMEIC公司的TM-70設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的非常簡單且使用實(shí)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(shí)，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(shí)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。