变频调速技术在二辊轧机压下系统中的应用2

轧钢主机变频调速传动技术综述摘要：本文对现代化轧钢主机交流变频传动的最新技术进展作综述介绍，涉及轧机特点分类、电气传动方案的比较、电力电子器件的进展、控制方案的比较、变频主机电机有关问题以及变频调速系统实际应用等。谨为钢铁行业的建设改造工程项目的实施提供借鉴参考。关键词：交-交变频交-直-交三电平PWM变频GTOGCT矢量控制主电机1轧钢主机按运行特点的分类现代轧钢都具备大型化、高速化、连续化、自动化的特点。近年来随着新型电力电子器件的开发应用，变频技术的成熟完善，数字化技术的新颖先进化，轧钢主机的变频传动控制装备的技术进展呈现一派崭新的景象。我国钢铁待业大规模设备改造与技术振兴面临着令人向往的乐观形势。按生产工艺的装备要求及运行特点，轧钢主机归类如表1。表1运行分类低速可逆中高速不可逆中高速可逆轧机型式*开坯初轧机*板坯粗轧机*中厚板轧机*带钢热连轧精轧机*带钢冷连轧机*线材高速连轧精轧机*钢管热连轧机*型钢热连轧机*单机架可逆冷轧机*森吉米尔轧机电机功率范围（KW）3000～100002000～100001000～5000500～50001000～5000转速范围（r/min）0～1200～1200～10000～15000～1800控制要求*调速范围广*频繁起制动正反转*动态响应快*调速范围广*控制精度高*负载扰动动态响应快*调速范围广*负载扰动动态响应快2轧钢主机电气传动方案的比较为适应各类轧机的工艺运行、电机容量配置及控制特性的要求，电气传动方案随着技术的发展在演变。可控硅直流传动技术成熟，性能良好，但直流电机的制造维修麻烦及电源谐波问题即将使它退出历史舞台；采用可硅负载换流、同步电动机位置检测的自控电流型逆变的无换向电动机一度用于轧钢主传动，系统简单，但由于转矩脉动问题、谐波问题，主轧机应用已不是主流，仅高速线材轧机应用有所报道。目前基本上存在二种电气传动控制方案，实用成熟，技术性能优良，在应用市场中竞争较量：即采用可控硅的交-交变频方案与采用大功率可关断器件的交-直-交三电平PWM变频方案。2.1交-交变频方案最适宜应用于低速（低频）大功率电机驱动的低速轧机，一般配用同步机，亦可配用异步机。直接变频的可控硅反并联交流结构有采用无环流方式（输出频率最大可为1/2电源频率），采用有环流方式（输出频率最大可达4/5电源频率）。据电机容量大小，降低电源谐波的需要，可采用72臂或36臂的可控硅桥组的组合结构无环流方式功率因数较低（0.65），必须配置庞大的无功补偿装置，有环流方式用可控环流进行无功控制使功率因数接近为1。交-交变频的不足之处在于不可避免地采用专用的谐波滤波装置与无功补偿装置，在于多绕组的整流变压器结构复杂，容量配置大，电缆施工最大，在于主回路附属设备（平波电抗器、快速开关）繁多，设备占地面积相对较大。2.2交-直-交三电平PWM变频方案采用可关断电力电子器件（GTO、或IGCT、或HVIGBT）构成交-直-交电压相同，主回路结构简练；三电平PWM可充分利用元件的容量规格，可降低PWM载波频率（一般可为1kHz），减少开关损耗，不存在谐波问题；采用高阻抗（20%）输入变压器，通过整流器的无功控制使功率因数可为1；整个系统不必设置庞大的无功补偿与谐波滤波的专用装置。容量的配置：4000KW以上电机采用超大功率的GTO或GCT元件（6KV/6VA）；7000KW以上电机采用双重化系统：4000KW以下电机可采用4KV/4.5KA的GTO或GCT元件、或HV-IGBT元件。交-直-交三电平PWM变频方案的输入变压器的设计制造有其特殊性，国内供货未见报道。变频装置的内部结构紧凑但十分复杂，用户的维护及备件更换难度甚高。2.3电气传动方案的技术与经济的综合比较见表2。表2轧钢主机电气传动方案比较1分类交流变频调速直流调速交-交变频（有环流）无换向电动机GTO-PWM电压型变频2路线结构3换流主元件晶闸管72臂晶闸管24臂GTO12*2臂晶闸管24臂4适用电机容量SM或1M10000KW（以上）SM10000KW（以上）SM或1M10000KW（以上）DCM6000KW电压AC3.3KVAC3.3KVAC3.3KVDC1200V转速最大1500r/min最大1500r/min（3000）最大1500r/min最大60，900r/min5控制方式矢量控制全数字化控制ACR+ASR全数字化控制3电平PWM矢量控制高COSф控制全数字化控制ACR+ASR全数字化控制6控制特性变频1/3（或80%）工频以下60Hz（80Hz）以下60Hz以下调速0～100%（弱磁1：3以上）3～100%（弱磁1：3）0～100%（弱磁1：3）0～100%（弱磁1：3）速度精度±0.01%±0.01%±0.01%±0.01%速度响应60rad/S30rad/S80rad/S20～30rad/S转矩响应600rad/S100rad/S800rad/S100rad/S转矩脉动0.1%→0%5%0.50%0%7配套设备变压器3*3绕组（复杂体积大）1*3绕组（简单体积小）1*双绕组（体积最小）1*3绕组（体积中）电抗器平波电抗器*3台平波电抗器*2台交流输入输出电抗器（体积小）平波电抗器*2台主开关输出开关DS快开2台输出开关DS快开2（4）台无功补偿装设补偿（庞大）装设被偿无需补偿装设补偿谐波滤波11，13nf，23，25nf及旁谱11，13nf，23，25nf无需滤波（载波有）11，13nf，23，25nf滤波复杂8综合特性电源COSФ0.6（带补偿0.95）0.75＝10.72综合效率87.8%87.60%92%87.80%设备规模最大（100%）大（80%）较小（60%）大（80%）维修性复杂简单最复杂（技术）简单（电机复杂）9应用最适用低速可逆轧机（性能高）最适用高速不可逆轧机（性能一般）最适用低速高速可逆轧机（性能高）高低速可逆轧机（性能高）3大功率电力电子器件的技术发展与使用3.1可控硅元件用于交-交变频见表3（东芝报道）。表3电机功率装置输出电压使用可控硅元件装置结构10，000KW3.3KV4，000V/1，500A72桥臂20，000KW5.5KV6，000V/2，500A72桥臂3.2由于交-直-交三电平PWM变频的应用优势，国外各大厂商开发新型可关断电力电子器件，提高出力与性能，推出最新器件，使用配套进行着激烈的竞争¨GTO三菱于90年代初期首先推出超大功率（6英寸）6KV/6KAGTO元件（门极可关断晶闸管），交-直-交变频装置输出可达10000KVA（过载1.5倍1分钟），双重化可达20000KVA，可配套5000～10000KW大功率轧机主传动。市场供货40多台（套），具备独鳌头的领先优势。¨IGCT与GCTIGCT（IntegratedGate-CommulatedThyristor）集成门极换流晶闸管，门极驱动电路与GCT集成一体。GCT是GTO的改良型器件，通态压降降低，开通、关断能量大大降低，导通di/dt、关断dv/dt提高一个数量级，无需设置dv/dt缓冲保护，这促使变频装置结构更简练，出力效果更高。GCT（GateCommulatedTurn-offThyristor）称门极换向可关断晶闸管。用于电压型逆变器一般为逆导型GCT。三菱最近推出的GCT可达6KV/6KA的容量，属世界最大级规格取代GTO，人作为报价的实化产品。大功率的GTO与GCT一般用纯水冷却方式。¨HV-IGBT与IEGTHV-IGBT称高压IGBT，模块式。三菱最新报道有3.3KV/2.4KA产品。IEGT（InjectionEnhancedIGBT）即注入增强栅IGBT，采用压接式结构，又称压接式高压IGBT。东芝和三菱的最近报价应用产品推出4.5KV/4KA的规格。对于5000KVA以下的交-直-交三电平PWM变频装置，IEGT器件使用是匹配适宜的。4变频传动系统的控制技术4.1矢量控制变频调速的交流电动机（不论是同步机或异步机），必须象直流电动机那样分别地对磁通和力矩进行独立控制，这就是矢量控制的功能和目的。基本思想是运用交流电动机的数学模型、求解变量（电压、电流、磁通）与参数的关系，变量作为空间平面的矢量，通过矢量变换及在磁通轴和力矩轴的方向进行解耦，求得矢量控制的方程，以控制磁通与力矩，进而则可得到变频控制变量瞬态的幅值、频率与相位。完整的控制系统一定还包括：矢量控制输出之后的电流闭环控制，矢量控制输入之前的速度闭环控制及磁通控制。矢量控制目前仍为广泛实用的控制方式用于主轧机传动。4.2直接力矩控制（DTC）这是变频调速的一种最新控制方式，它直接在定子的空间坐标系统中分析电动机的数学模型，直接控制定子磁场链的辐值及该矢量相对于转子磁链的夹角，达到控制转矩的目的。为转矩的快速响应控制，采用二点式控制将转矩实际值与给定值作带滞环比较，转矩波动限制在一定容许范围之内。逆变器的开关器件的开关状态是以获得转矩动态高性能为目的；不再以获得理想正弦波电压输出，强调磁链的圆形轨迹为目的。省掉了矢量变换及PWM信号发生等处理。直接力矩控制已趋成熟，并有商品实用化的应用，例宝钢新投建的高速线材轧线18机架的异步机采用直流母线供电逆变器进行直接力矩控制。瑞典ABB供货，已正常投产运行。4.3改善系统特性的辅助控制技术例如东芝最新的工程报价资料关于交-交变频控制还增设了对称电压控制、偏压控制、模拟跟随控制（克服负荷的扰动与谐振）等，更典型有意义的是无功功率控制（AQR）。交-交变频采用环流控制，提高功率因数；交-直-交三电平PWM变频控制则利用整流器输入交流电抗器与变压器漏感隔离电网电压与整流器输入电压，通过整流器的矢量控制来控制无功电流分量为零，达到C0SФ为1。4.4全数字化控制的实现迄今，各种变频装置系统的控制都采用高速、高性能多微处理器系统，功能分担，实现变频矢量控制、PWM控制、辅助控制、操作顺控、故障自诊断保护、信号传送数据通信的全数字化控制。5轧机的变频主电机5.1交流变频传动轧机的变频主电机采用同步电动机或异步笼形电动机但二者在运行特性、结构及其设计制造、控制、应用等各方面有其不同特点。同步机功率因数可为1，效率可达98%；异步机功率因数为0.6，（依靠变频多重结构可达0.85%），效率为87.8%。因此变频装置及变压器的容量匹配，异步机相对要大。相当容量的同步机比异步机GD2小，体积小，重量轻。同步机定子可作成整体结构；大功率异步机定子一般作成分瓣结构，刚性有所降低，还需现场安装的绕组重接和绝缘处理。同步机转子有接触性电刷以供励磁，电刷的材质寿命有相当要求；异步机为铜条端环的无绝缘的简单笼形结构，抗热抗冲击性好，无刷名维护。同步机的气隙较大，便于安装维修；异步机的气隙很小，制造安装的精度要求高。变频工作的同步机的阻尼绕组比一般同步机要考虑热容量大，机械强度高，主要作用是改善系统动态稳定性，减小功角振荡，不仅是起动阻尼作用。同步机转子陷极结构多用于速度高电机，凸极结构多用于速度低的电机。采用矢量控制，由于同步机与异步机的工作机理和数学模型截然不同，则矢量控制的运算和结构大不相同。同步机和异步机的功率可设计控造达10000KW以上。据制造特点，一般大功率（5000KW以上）采用同步机，中功率（2000～5000KW）采用异步机。5.2变频运行轧机主电机的特殊问题轧机一般处于频繁起制动、正反转正作状态，或承受突加负载的冲击，则要求电机动态响应快，机械强度高，刚性好，故电机追求降低GD2，提高过载能力，克服机械振动是基本对策问题。变频的最高频率的确定：对于交-交变频，无环流方式，一般取1/3～1/2的电源频率，有环流方式，可达4/5电源频率；对于交-直-交PWM变频，一般可达50HZ（或60HZ）。谐波问题：对于交-交变频，输出至电动机的电压谐波次数不是输入频率或输出频率的整数倍，为：fn＝|6p·f1±（2n+1）f0|。（f1，f0-输入，输出频率，p＝1，2…∝，n＝0，1…∝）对于交-直-交PWM变频，则输出至电动机的