钢铁工业及变频器的应用

      1 钢铁工业流程简述

      钢铁工业是材料工业，由于钢铁具有良好的物理和化学性能，生铁坚硬，耐磨，铸造性能好，但生铁脆，不能锻压。钢有较高的机械强度和韧性，耐热，耐腐蚀，耐磨，电磁性能好，容易焊接加工，可满足多方面需要和特殊性能要求。此外，钢铁价格便宜，储量丰富（铁元素的地壳丰度为5.6%），加之冶炼和加工方法简单，效率高，规模大，产量高而成本低，虽然面临其他材料激烈竞争（包括代用材料和塑料、水泥和铝等竞争），但国内外都是以大型化、新工艺、新设备、临海钢铁厂、自动化和电子计算机的应用等手段，使钢铁工业不断技术进步，而保持多年价格不变，故钢铁是现代工业中应用最广，发展最快的金属材料，是建筑、汽车、铁路、航运、电器、电力、食品等工业不可缺少的材料。

      钢铁企业大都由一系列工厂组成，规模大。钢铁工业如图1所示，是联合企业型式，包括采矿、选矿、然后把选得的精矿烧结或制成球团，造成适合于高炉所需块度的原料，经高炉炼成钢，铸成锭以后，经各式轧机轧成板材、管材、型材和线材等，生产过程十分复杂，设备极其不同。

      由矿石到钢材的生产有多种流程，但主要是下列两种流程 [1]：烧结球团和焦化-高炉-转炉-轧机流程、直接还原或熔融还原-电炉-轧机流程。前者被称为长流程（见图1，是目前的主流程），后者则被称为短流程。两者都是由一系列分厂或车间组成的钢铁总厂，前者一般分为原料场，烧结、球团、焦化（或炼焦、化工）、炼铁、炼钢（含铁水预处理、转炉、炉外精炼、连续铸钢）和各类轧钢（钢管、热轧带钢、冷轧板带、线棒材、型钢、轨梁、中厚板等）等分厂；此外还有一些辅助分厂，如动力部（包括发电、供电、煤气、氧气、给水等分厂）。选矿厂一般在矿山附近（一般与采矿合为矿山公司），只有矿山较近时才设在钢铁厂内。后者没有烧结、球团、焦化分厂（图1 中直接还原以下的流程）。

      2 交流调速及变频器在钢铁工业应用简介

      我国电工产品耗电约占全国发电量的70%，而冶金系统年耗电量约占全国发电量的9.3%左右（包括电弧炉、铁合金电炉等），而驱动的电动机占很大一部分，因此其有效操作和节能降耗是至关重要的。

      钢铁企业使用的电动机有直流电动机和交流电动机，由于有许多要求调速的生产机械对电气控制系统有一定的要求，如调速范围、动态响应、静差度等，过去由于交流电动机控制系统不能满足这些要求，因此直流电动机一直占主导地位，但直流电动机有一系列缺点，如结构上有换向器及电刷使日常维护量增加、电刷与整流子经常产生火花而要求较好的安装环境及不能用于易燃易爆和环境恶劣的场所、与同容量交流电动机比体积和重量及转动惯量都较大价格也较高、效率低比交流电动机低2~3%等，而交流电动机近十多年随着电力电子技术、微电子技术发展和现代控制理论应用，使交流调速迅速发展，它克服了直流电动机的缺点，且调速特性与直流调速性能完全一样甚至超过，如过渡过程快等。故近来主要是使用交流电动机驱动和交流调速，特别是新建的机组，甚至大功率（单机达9000kW）、要求严格的带钢热连轧机也使用交流电动机驱动和交流调速（参看表1）。

      交流调速有多种方法（异步电动机的变极调速、调压调速、转子串电阻调速、电磁转差离合器调速，液力耦合器调速、机械差动调速、变频调速等），但主流是变频调速。变频调速的变频电源有旋转变频机组和静止变频装置。前者由异步或同步电动机-支流发电机和直流电动机-同步发电机两套机组组成。后者则由电力电子器件和微电子器件组成，吴可动部分。由于旋转变频机组设备庞大、有可动部分、维护量大、效率低和性能差，故已被静止变频装置代替。

      静止变频装置就是现在广泛使用的变频装置，可分为交-直-交变频和交-交变频两大类，交-直-交变频又可分为电压型和电流型两大类，交-交变频多位电压型、也有少量使用电流型。变频控制方式分为电压型、电流型、脉冲宽度调制型等。其主回路的拓扑、控制策略都有多种方式可以选择，如功率器件有SCR(晶闸管，Thyristor)、GTO(门极关断晶闸管，Gate Turn-Off Thyristor)、IGBT(绝缘栅双极晶体管，Insulated-Gate Bipolar Transistor)、IGCT（集成门极换流晶闸管，Integrated Gate Commutated Thyristor，是一种新型半导体功率器件，在GTO的基础发展起来的）等；主回路的拓扑结构可选择两电平、三电平、负载换相式SCR电流型变频器等，控制策略可选择V/f控制、矢量控制、直接转矩控制、脉冲宽度控制（PWM）或脉冲幅度调制（PAM）等，电压也有高压（3~6kV，主要是大容量的同步或异步电动机）、中压或低压（如一般的小功率380V和轧钢辅传动的电动机）等，一般地说，1000kW以下的电动机较适合采用IGBT的通用变频器。国外电气公司，如德国西门子、法国阿尔斯通、瑞典ABB、美国GE、意大利ANSOLDO、日本日立、日本三菱、日本安川等公司都生产各种容量、不同电压的通用变频器可供选用，选择时可适当参照其业绩及在类似或同样机组使用情况和经验与效果。

      变频所用电动机也需注意，一般1000kW以下的电动机，采用异步电动机性能价格比较好，对于容量较大的可采用同步电动机或异步电动机。异步电动机一般采用线绕电机，而容量较小的电动机一般采用鼠笼电机。由于传动控制系统一般采用PWM变频器，故电机也须特殊设计，以满足PWM变频调速的要求（按不同机组情况，包括允许过载%、过载时间、工作制、绝缘等级、保护等级、额定电压等）。

      钢铁企业许多机械要求调速，传统的用阀门调节流量的风机、水泵为节能也要求调速，此外，不要求调速的大功率的同步电动机（如功率达40000kW的高炉电动鼓风机，功率超过7600kW的烧结主抽鼓风机等）和异步电动机（如选矿的球磨机等）也需要使用调速的软启动和停车，因此要求调速的电动机，特别从容量来说，占绝大部分（据统计，钢铁工业要求调速的电动机从数量上说大致为20%，而容量上说，却占80%）。

      表2列出了交流变频装置在钢铁工业主要机组典型应用地点。