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文／寶鋼股份公司歐湘貴 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(duì)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(duì)象工藝說(shuō)明 
圖1交交變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)交流同步電動(dòng)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(duì)應(yīng)的變頻調(diào)速裝置稱為主傳動(dòng)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(wú)統(tǒng)一說(shuō)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(wàn)分之一）；電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小；動(dòng)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(dòng)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(guò)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(duì)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(guó)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(guó)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(lèi)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(lái)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(dòng)機(jī)； 功率器件：已經(jīng)從可控硅發(fā)展到門(mén)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(dòng)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(dòng)交流同步電動(dòng)機(jī)單線圖見(jiàn)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(tái)。 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(dòng)裝置均采用日本TMEIC的TM-70的8MVA的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jiàn)圖2、3）規(guī)格對(duì)照表見(jiàn)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)椴皇褂秒娊?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/電容" target="_blank" class="relatedlink">電容器，所以不易出故障； 容易維護(hù)：拆卸容易，無(wú)需專(zhuān)業(yè)工具就能快速拆卸
圖3單組變頻器 功率IEGT Stack； 對(duì)電網(wǎng)影響小。 4．幾點(diǎn)思考 4.1雙系統(tǒng)并聯(lián)驅(qū)動(dòng) 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(duì)于特大牽引交通負(fù)載，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)將會(huì)更大。在現(xiàn)有的大容量功率器件下，一個(gè)功率回路( bank)無(wú)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(wèn)題，有兩種典型方法：多繞組電機(jī)法和驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)照表 4.2同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 日本三菱電機(jī)的MELVEC3000系統(tǒng)和德國(guó)西門(mén)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(lì)磁驅(qū)動(dòng)裝置一般都采用可控硅全波整流。 這幾家采用的勵(lì)磁主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差不多，但為防止勵(lì)磁回路能量釋放引起的過(guò)電壓，各方設(shè)計(jì)的過(guò)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(lì)磁保護(hù)過(guò)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(cuò)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(jiǎn)單且使用實(shí)效性好，系統(tǒng)運(yùn)行近16年，從未出現(xiàn)過(guò)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(duì)應(yīng)的變頻裝置控制頻率也不會(huì)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(duì)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(guò)軋制的板坯讓系統(tǒng)產(chǎn)生共振，輕者引起系統(tǒng)跳電，無(wú)法軋鋼，重者會(huì)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(guò)日方專(zhuān)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(chǎng)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(gòu)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。 |
