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交流調速及變頻器在鋼鐵工業(yè)的應用分析
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http://china-zesir.com 發(fā)稿日期:2008-7-11
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鋼鐵工業(yè)是材料工業(yè)，由于鋼鐵具有良好的物理和化學性能，故鋼鐵是現代工業(yè)中應用最廣、發(fā)展最快的金屬材料，是建筑、汽車、鐵路、航運、電器、電力、食品等工業(yè)不可缺少的材料。
（1）鋼鐵工業(yè)耗電量極大，中國電工產品耗電約占全國總發(fā)電量的70%，而冶金系統(tǒng)年耗電量約占全國發(fā)電量的9.3%左右，驅動的電動機占很大一部分，其中要求調速的占80%以上（據統(tǒng)計，鋼鐵工業(yè)要求調速的電動機從數量上說約為20%，而容量上說卻占80%），故其有效操作和節(jié)能降耗是至關重要的。（2）鋼鐵工業(yè)產量大、經濟效益大，要求作業(yè)率高。如板帶熱連軋廠年產量大都超過600萬噸，稍有故障停車，損失就很大，故提高作業(yè)率極為重要。鋼鐵企業(yè)使用的電動機有直流電動機和交流電動機，由于許多要求調速的生產機械對電氣控制系統(tǒng)有一定的要求，如調速范圍、動態(tài)響應、靜差度等，過去直流電動機一直占主導地位，但直流電動機有一系列缺點，如結構上有換向器及電刷使日常維護量增加、電刷與整流子經常產生火花而要求安裝環(huán)境較好及不能用于易燃易爆場所、與同容量交流電動機比體積和重量及轉動慣量都較大、價格也較高、效率比交流電動機低2至3%等，交流電動機則無直流電動機的缺點，維護量較少，作業(yè)率較高。特別是近十多年隨著電力電子和微電子技術發(fā)展及現代控制理論應用，使交流調速迅速發(fā)展，其調速特性與直流調速性能完全一樣甚至超過，完全可代替直流電動機及其調速系統(tǒng)。（3）變頻調速經濟效益高。交流調速有多種方法（異步電動機的變極調速、調壓調速、轉子串電阻調速、電磁轉差離合器調速，液力耦合器調速、機械差動調速、變頻調速等），但主流是變頻調速。變頻調速的變頻電源有旋轉變頻機組和靜止變頻裝置。前者由異步或同步電動機—直流發(fā)電機和直流電動機—同步發(fā)電機兩套機組組成。后者則由電力電子器件和微電子器件組成，無可動部分。由于旋轉變頻機組設備龐大、有可動部分、維護量大、效率低和性能差，故已被靜止變頻裝置代替�，F在所指的變頻調速是指靜止變頻調速裝置（變頻器）。據統(tǒng)計使用靜止變頻調速以后，可節(jié)電1至3%。因此交流電動機驅動和變頻調速在鋼鐵廠已廣泛應用，特別是新建的機組，甚至大功率（單機達10,000千瓦）、要求嚴格的帶鋼熱連軋機也使用交流電動機驅動和交流調速。
交流調速及變頻器在鋼鐵工業(yè)應用的進展變頻調速在鋼鐵工業(yè)的應用，經過多個階段。交流調速開始為節(jié)能而用于風機、水泵代替要耗能的恒速運行但調節(jié)閥門的方法，到上世紀80年代初日本川崎鋼鐵公司首先在連鑄車間全交流化，取得了良好的效果，以后，不但在連鑄車間使用，而且推及到各工序、各車間全交流化。由于由于熱軋板帶軋機要求嚴格、產量大（年產600萬噸以上），稍有故障或性能達不到要求，損失就很大,故直到數字控制技術和矢量控制技術完全實用化（矢量控制的電動機軸上裝有脈沖發(fā)生器，并以此進行速度反饋構成閉環(huán)系統(tǒng)，用數字控制方式進行速度控制或力矩控制，因而調速范圍寬，調速精度高，動態(tài)性能已達到直流調速。而vvvf控制為開環(huán)系統(tǒng)，按照電壓／頻率（v/f）一定，用模擬技術進行控制，因而調速范圍小，約為1:40，調速精度受限制，動態(tài)性能不如直流調速，尤其是小容量、低速情況下不理想），才為熱軋板帶軋鋼廠軋機主傳動交流化創(chuàng)造基礎，但開始仍只限于在要求沒有串列的精軋機嚴格的粗軋機，然后經過試驗和多年后才用于精軋機。
要求嚴格、技術復雜和產量大的熱軋板帶軋機工廠實現全交流化，事實上鋼鐵工業(yè)全交流化就已實現，冷板帶連軋機、中厚板軋機、線棒軋機、型鋼軋機、鋼管軋機包括主、輔傳動都相繼使用交流變頻調速。
直接連接（非高—低—高變換）式的高壓交流變頻調速裝置的研制成功，使那些需要調速6kv的高壓電動機，如礦井提升機也得到解決。由于傳動裝置和變頻裝置是工業(yè)控制的基礎環(huán)節(jié)，在cims系統(tǒng)六級結構中屬于l1級，要實現全線或部分自動化，需要與plc或工業(yè)控制器相連，也開發(fā)了“傳動—plc一體化”，它一般通過現場總線相連。
交流調速及變頻器實際應用中要注意的幾個問題。變頻裝置主要分為交—直—交變頻和交—交變頻兩大類，交—直—交變頻又可分為電壓型和電流型兩大類，交—交變頻多為電壓型，也有少量使用電流型。變頻控制方式分為電壓型、電流型、脈沖寬度調制型等。其主回路的拓撲、控制策略都有多種方式可以選擇，如功率器件有scr（晶閘管，thyristor）、gto（門極關斷晶閘管，gateturn-offthyristor）、igbt（絕緣柵雙極晶體管，insulated-gatebipolartransistor）、igct（集成門極換流晶閘管，integratedgateco毫米utatedthyristor，是一種新型半導體功率器件，在gto的基礎發(fā)展起來的）等；主回路的拓撲結構可選擇兩電平、三電平、負載換相式scr電流型變頻器等，控制策略可選擇v/f控制、矢量控制、直接轉矩控制、脈沖寬度調制（pwm）或脈沖幅度調制（pam）等；電壓也有高壓（3至6kv，主要是大容量的同步或異步電動機）、中壓或抵壓（如一般的小功率380v和軋鋼輔傳動的電動機）等。此外，變頻調速還有變極調速，無級調速還有矢量控制方式、變壓變頻（vvvf）控制方式等，價格極為不同，如何選擇是一大問題。表3示出了中國寶鋼從日本引進的于1989年投產的1900毫米板坯連鑄全交流方式。從表中可以看出，變頻調速采用變極、vvvf和矢量變換控制三種方式，在調速要求不需無級的只須有限變速的采用變極控制方式，要求速度控制不嚴格的如輥道速度控制采用變壓變頻（vvvf）方式，要求速度控制嚴格的才采用矢量變換控制方式，這樣目的是節(jié)約投資和簡化維護，這種按工藝要求選擇變頻器的方法可作為為其他車間交流化作為準則，如燒結的全交流化，其配料的變頻器采用vvvf方式，臺車采用矢量變換控制方式。
對于變頻器生產，國外電氣公司都已產業(yè)化了，如德國西門子、法國阿爾斯通、瑞典abb、美國ge、意大利ansoldo、日本日立、日本三菱、日本安川等公司都生產各種容量、不同電壓的通用變頻器可供選用，選擇時可適當參照其業(yè)績及在類似或同樣機組使用情況和經驗與效果。變頻所用電動機也需注意，一般1,000千瓦以下的電動機，采用異步電動機性能價格比較好，對于容量較大的可采用同步電動機或異步電動機。異步電動機一般采用線繞電機，而容量較小的電動機一般采用鼠籠電機。由于傳動控制系統(tǒng)一般采用pwm變頻器，故電機也須特殊設計，以滿足pwm變頻調速的要求（按不同機組情況，包括允許過載%、過載時間、工作制、絕緣等級、保護等級、額定電壓等）。一般來說，還須考慮電源污染對電網造成的影響問題，特別對容量特大并使用交—交變頻裝置的場合，考慮裝設無功動態(tài)補償裝置（svc）是要認真考慮的。
交流調速及變頻器國產化與產業(yè)化。交流變頻調速裝置在鋼鐵工業(yè)占重要地位，無論從生產需要或經濟效益，其重要性是不言而喻。但大多是引進，特別是大功率的軋鋼主傳動，從早期引進的寶鋼2,050毫米熱連軋r2、包鋼1,150毫米初軋機、鞍鋼1,150毫米初軋機到“十一五”建設的寶鋼1,880毫米熱連軋。
這需要花大量外匯和資金，據統(tǒng)計，國產的交—交變頻器，價格約為500元rmb/kva（不包括整流變壓器），而引進約為1.5倍國產價格，而一個大型板帶熱連軋廠主傳動可達100,000千瓦，因此國產化、產業(yè)化和可靠性以及有所創(chuàng)造是關鍵問題。國內許多單位，如天津電氣傳動研究設計所、冶金自動化研究設計院(前身為冶金部自動化研究院)等遠在上世紀70年代末，就已致力于交流變頻調速的研究和國產化與實用化工作。大概可分為三個階段。第一階段為上世紀70年代末至1985年。開始從事交流調速研究及工業(yè)試驗與應用，并在實用化取得初步成績，例如1983年研制成功線繞型感應電動機雙饋變頻調速裝置并在15噸冷拔機組中良好使用。第二階段為1985年至1993年。在這階段是研究各種交流變頻調速機理、特性與工業(yè)應用以及數字調節(jié)器等，同時引進單體變頻器自行設計系和完全設計和制造國產化和具有自己知識產權的交流變頻調速系統(tǒng)和裝置，其中典型的是冶金部自動化研究院的1988年4月成功地投產湘鋼金屬制品分廠的24號6/350活套拉絲機變頻調速系統(tǒng)（pwm逆變器），1988年10月成功地投產軋鋼廠輥道控制的電流型變頻調速系統(tǒng)和裝置。1993年2月制成大功率交—交變頻矢量控制的雙饋變頻調速裝置，并用于首鋼帶鋼廠直徑500毫米窄帶熱連軋主傳動650千瓦交流電動機上。1993年制成第一套國產的2,500千瓦交—交變頻同步電動機調速系統(tǒng)（獲冶金科技進步一等獎），并用于包鋼軌梁廠850型鋼軋機。第三階段為1993年至現在。其特點是現代化、高性能化、全數字化和產業(yè)化，并大力應用于實際工業(yè)現場中。在鋼鐵工業(yè)中代表是1996年制成第一套國產的全數字的4,000千瓦交—交變頻調速系統(tǒng)，并用于重鋼五廠2,450毫米中板軋機；1999年制成第一套國產的雙機傳動的交—交變頻調速系統(tǒng)，并用于武鋼軋板廠中板軋機；2000年制成第一套熱連軋機傳動的交—交變頻調速系統(tǒng)，并用于攀枝花鋼鐵公司軋板廠；2001年完成第一套特大型全數字交—交變頻主井提升裝置。此外，2003年投產的營口中板廠精軋機2乘4,200千瓦主電機交—交變頻調速系統(tǒng)；2004年投產的勝利油田臨盤采油廠560千瓦注水泵電動機的高壓直接變頻調速系統(tǒng)（交—直—交方式，h橋串聯(lián)式）以及多套棒線軋機主輔傳動交流變頻調速系統(tǒng)都是國產化例子。在這階段交—交變頻調速系統(tǒng)有較大的發(fā)展，例如冶金自動化研究設計院的交—交變頻調速技術與在鋼鐵工業(yè)應用規(guī)模已超過美國ge、法國alston、意大利ansaldo，達到siemens、toshiba、abb的世界先進水平。各項技術性能指標與國外siemens、toshiba相同，達到國際先進水平；該院交—交變頻占國產化市場的80％左右，單機功率也最大（4,000千瓦），大功率交—交變頻裝置已為國內提供208套，容量共2,000mw，占全國首位。該院還在交—交變頻調速系統(tǒng)有所突破：
（1）提出同步電機磁場定向控制理論與方法，阻尼磁鏈定向發(fā)明專利，提高了交—交變頻系統(tǒng)的技術性能；
（2）提出電機、電網、系統(tǒng)一體化理論與仿真，解決了大型交流調速對電網影響問題；
（3）研制了現代控制理論的負荷觀測器，解決了熱連軋機電振蕩問題；
（4）建立了交—交變頻工程設計與調試方法，使工程規(guī)范化，推廣應用規(guī)模化;
（5）研制成功4英寸大功率晶閘管及大功率變流裝置，功率全范圍覆蓋，單機達到20mw；
（6）樹立了國產化樣板，第一套熱連軋交流調速，第一套礦井提升機交流傳動;
（7）在863項目支持下，研制成功7,500千瓦的igct變流器，完成了3600千瓦同步電機的工業(yè)試驗。
并研發(fā)電子控制器。
在產業(yè)化方面也是效果顯著。除了低壓、中小容量的變頻調速系統(tǒng)及其相關元器件已系列化、產品化和商品化以外，高壓直接變頻調速系統(tǒng)及裝置夜已有多家公司系列化、產品化。
國產化的問題與展望。國產化近年來取得很大的成功和重大的經濟效益，包括國內許多公司開發(fā)的高壓直接變頻調速系統(tǒng)，但如果冷靜地分析一下，國內大多數公司和單位，大多是設計主回路，而核心技術如數字式的電子控制器和電力電子器件都是外購，其中電子控制器都是外國公司如西門子公司生產（實際上完全國產化的大功率變頻系統(tǒng)只有模擬式控制系統(tǒng)，如包鋼軌梁廠850型鋼軋機的2,500千瓦交—交變頻同步電動機調速系統(tǒng)），電力電子器件則只有晶閘管國內可生產，而第三代可關斷電力電子器件，包括gtr、gto，更不用說igbt、igct了，全部進口，國內交—交變頻之所以得到蓬勃發(fā)展，主要依托國內多年的晶閘管生產技術和較便宜的價格。無可置疑，交直交變頻特別對電源污染方面都是優(yōu)于交—交變頻方式，但igbt、igct等電力電子器件依靠國外而使交—直—交變頻發(fā)展較慢。但要開發(fā)和生產igbt、igct等電力電子器件要投入財力物力太大，一個單位難以負擔，需要國家大力投資研發(fā)和生產，并希望國家能擇優(yōu)和考慮有效投資�，F在國內電氣公司越來越多，分出來也越來越多，原因是傳動調速系統(tǒng)，經濟效益大，設計主回路，外購電子控制器和電力電子器件，然后組裝、調試，已越來越多人掌握，辦個組裝車間也非難事，但人力分散，基礎工作—電子控制器和電力電子器件卻很少人也無力致力于研發(fā)和生產。當今合并組成大型集團公司是世界也是國內趨向，我們應該效仿，這樣才能更有力量和利于發(fā)展并和西方大電氣公司競爭。目前只批判“短視行為”不足以解決，看來，只能是國家大力和有效投資研發(fā)和生產電力電子器件，把有影響的電氣傳動公司和電力電子器公司及著名的研究院所合并成大型的集團公司，才足以有此財力和人力，來進一步發(fā)展交流變頻調速技術，并和國際著名公司，如德國西門子公司等競爭，化進口為出口。目前集團公司有些不問專業(yè)而以工藝行業(yè)進行合并，例如冶金系統(tǒng)的自動化專業(yè)的研究院與工藝方面的研究院合并而成鋼鐵集團公司，看上去似乎合理，但實質上是過去冶金部、煤炭部、化工部等小而全方式，這樣很難有大的發(fā)展，反觀國外，大都是專業(yè)合并，三足鼎立——機械設備、電氣、工藝，如德國德馬克等機械公司、西門子等電氣公司、蒂森等鋼鐵公司（或其他化工、輕工等工藝公司），美國也如是，如wean-united等機械公司、ge等電氣公司、美鋼聯(lián)等鋼鐵公司（或其他如杜邦化工等工藝公司），日本也如是，如ihi、三菱重工等機械公司，東芝等電氣公司，新日鐵、日本鋼管等鋼鐵公司（或其他化工、石油等工藝公司）。因為強大的專業(yè)，無論技術、生產能力或開發(fā)才有可能最大發(fā)展，故應跳出過去工藝行業(yè)，集中組織電氣集團公司，才能和德國西門子公司、日本三菱公司、法國阿爾斯通公司、瑞典abb公司競爭。中國目前電動機裝機容量估計是6.22億千瓦，其用電量占全國發(fā)電量的60至70%，其中交流電動機約占90%，是調速的主要對象。風機、泵類和壓縮機等總容量達2.3億千瓦，其用電量占全國發(fā)電量大于30%，目前其流量調節(jié)90%以上仍用落后的調節(jié)擋板或閥門方式。據調查，交流電動機的70%應該調速運行，改造率約50%、2.6億千瓦，若以全國發(fā)電量28,344億千瓦小時為基數、平均節(jié)電率按20%計算，其節(jié)電潛力為400億千瓦小時，占全國發(fā)電量的4.4%，可相應減小發(fā)電裝機1,660萬千瓦，減小電力基建投資800億元以上，可減小發(fā)電用煤4,000萬噸，相應減少co2排放量約2,000萬噸（煤計算），減少二氧化硫排放量約40萬噸，按調速裝置造價和平均節(jié)電率計算，節(jié)電投資為500至2,500元/千瓦，僅為新建電廠造價的1/10至1/2，可見交流調速的節(jié)電潛力和社會效益相當顯著。
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