大功率变流技术在钢铁工业中的应用

　1、前言

　　我国的钢产量已连续多年居世界第一，并每年以20%以上的高速度在增长。2004年的钢产量是2.73亿吨，2005年将超过3亿吨，占世界钢产量的1/3。作为制造业基础的钢铁工业，现在正在进行大规模建设和技术改造。有资料显示，50万吨以上的钢厂全面盈利，这吸引了众多民营企业进入这个领域，出现了“大炼钢铁”的局面。然而中国钢铁工业的问题也非常突出。它的能耗水平高，对环境的污染严重，能够生产高档次钢材的企业少，如用于电机行业的硅钢片、高档汽车用的钢板每年还需要大量从国外进口。

　　变流器在钢铁方面的应用主要有两个方面:一个是大型轧机传动，由交流调速取代直流调速，提高轧钢能效;另外一方面是环保节能的传动，例如钢铁工业中的高炉鼓风机，冶炼除尘风机和水泵等等，现在大多数还是采用档板截流的调节方式，采用高压变频调速将产生较大的节能效益，市场前景广阔。当前在轧机主传动中应用的交流调速技术主要是交—交变频调速，IGCT/IGBT三电平交—直—交变频调速。

　　大功率轧钢机主传动要求电气传动系统具有很高动态响应和相当高的过载能力。这一领域长期以来一直被直流电动机传动所垄断，由于直流电机存在着换向问题和换向器、电刷等部件维护工作量较大，使其在提高单机大容量、提高过载能力、降低转动惯量以及简化维护等方面受到了限制，已不能满足轧钢机向大型化、高速化方面的发展。随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的迅速发展，该技术受到国内外钢铁工业和电气传动学术界的极大关注。70年代以后，随着交流电机矢量控制理论的产生及其应用技术的推广，世界工业发达国家都投入大量人力物力对交—交变频轧钢机主传动进行研究。到目前，在世界上已有上千台交流变频轧机主传动投入工业应用，在工业发达国家新建1000kW以上的轧机主传动，无论是初轧机，中板轧机还是热、冷连轧机，无一例外全部采用交流变频调速。在大功率轧钢机主传动领域已出现交流调速传动取代直流传动的趋势。

　　2、交—交变频器

　　1987年湖南湘潭钢铁厂从西门子公司引进了交—交变频的轧钢机，拉开了我国轧钢机采用交流传动的序幕。这套轧钢机投入运用后，湘潭钢铁厂的吨钢能耗节约了30%。此后，交流调速技术在钢铁领域得到了大力推广。

　　2.1交—交变频的特点

　　交—交变频调速系统如图1所示，由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成，它沿续着晶闸管变流器的电网自然换流原理，具有过载能力强、效率高、输出波形好等优点，但同时也存在着输出频率低(最高频率小于1/2电网频率)，电网功率因数低，旁频谐波影响等缺点。交—交变频区分为有环流和无环流方式，可驱动同步电机或异步电机。

　　2.2交、直流调速的比较

　　轧钢机交流传动较传统的直流传动有许多优点:

　　(1)交流电机的单机容量不受限制，而直流电机的极限是5000kW/500r/min;

　　(2)同等功率情况下，交流电机的转动惯量比直流电机的要小得多，如宝钢有台2×4500kW的直流电机，它的转动惯量GD2=76.8tm2，而9MW交流同步电机单电机传动，GD2=17.2tm2，为直流电机的1/4.5。因此交流电机的加速性能要大大超过直流电机;

　　(3)交流调速的动态性能好，速度响应由直流的15～30rad/s提高到40～100rad/s;

　　(4)交流电机的效率比直流电机提高2～3%;采用交流调速可提高生产效率，综合节能30%(耗电/吨钢);

　　(5)交流调速体积小、重量轻、占地面积小，维护简单。

　　采用交流调速对宝钢2050热连轧和武钢1700热连轧进行改造，用一台1万多kW的电机来取代原来的3台直流电机，体积减小了2/3。总体来说在钢铁领域交流调速取代直流调速已经形成了一个趋势。

　　2.3交—交变频器的国产化研究

　　国家把大型轧机主传动装备国产化列入“七五”、“八五”、“九五”国家重大技术攻关项目。国家要求大功率交流调速系统技术尽快产业化，以改变大型工业机械传动装备长期依赖于进口的局面。原冶金部和机械部把交—交变频列为重点科研项目。冶金自动化院、天津电气传动研究所对该技术进行攻关，同时，清华大学、浙江大学等高校参与了项目的研制和理论分析，哈尔滨电机厂、东方电机厂、上海电机厂等企业则研制用于交—交变频调速系统的同步电机。

　　1993年第一套国产的2500kW交—交变频同步电机调速系统研制成功，应用于包钢轨梁厂850型钢轧机;1996年第一套4000kW国产全数字控制交—交变频调速系统问世，应用于重钢中板轧机主传动;1999年第一套国产双机传动交—交变频调速系统研制成功，应用于武钢轧板厂中板轧机;2000年第一套热连轧机交—交变频调速的在攀枝花钢铁公司投入运行。据统计从1996年至2005年，我国大功率交—交变频轧机传动系统共263套，其中国内制造171套，占65%。我国大功率交—交变频的技术水平与应用规模已超过美国GE、法国Alstom、意大利Ansaldo，达到世界先进水平;彻底扭转了大型工业轧钢传动装备长期依赖于进口的局面。

　　3、交—直—交变频器

　　3.1交—直—交变频器的特点

　　进入80年代以来，打破晶闸管元件一统天下的自关断电力半导体器件，大功率晶体管GTR，可关断晶闸管GTO以及场控器件绝缘栅双极晶体管IGBT相继问世，开始了一个以自关断电力半导体器件为核心的新时代，与传统的半可控晶闸管器件相比，采用自关断电力半导体器件的电气传动装置具有节约原材料，变换器装置结构简单，体积小，重量轻，功率因数高，谐波污染小等显著优点。

　　3.2交—直—交变频器在轧钢传动中应用

　　在大功率高电压变频调速领域，GTO元件曾占主要地位。20世纪90年代，GTO变频调速继在铁路牵引机车上普遍应用之后，世界各国开始研制轧机主传动GTO变频调速系统。日本三菱公司率先研制成功6000V/6000A大功率GTO元件，并将世界最大功率7000kW，3kV，GTO同步电机变频调速成功地应用于我国宝钢1580mm热连轧机和鞍钢1780mm热连轧机。图3为GTO交—直—交多电平PWM变频调速系统，该系统为电压型变频器，电源测变流器亦采用GTO脉宽调制技术，控制输入电流的相角可以达到功率因数始终为1，并减少输入电流的谐波。该变频器采用三电平GTO元件串联控制技术，使变频器输入和输出电压可达到3300V。与采用晶闸管元件的交—交变频调速系统相比，GTO变频器具有输出频率不受限，电网谐波污染小，功率因数高等显著优点，但也存在着GTO元件开关损耗较大，效率低，需要水冷却，维护困难等问题，同时电力半导体领域一直对GTO元件看法不一，期待更新型的场控器件来取代它。

　　近几年，高电压大功率电力半导体器件的研制是世界各国在轧机传动领域的竞争热点，由瑞士ABB公司研制成功的门极可关断晶闸管IGCT，是在GTO元件基础上进行创新的一种新型大功率电力半导体器件。它在器件的结构设计中减少了控制门极回路电感,将驱动电路集成到器件旁，使IGCT的开关损耗较GTO减少一个数量级，提高了开关速度，取消了缓冲吸收电路，大大简化了变频器结构并提高了系统效率。ABB，GE，ANSALDO，以及西门子公司已研制成功采用4000A/4500V, IGCT元件的大功率三电平PWM变频器用于轧机主传动。我国本溪钢铁公司1700轧机改造采用了GE公司的IGCT三电平变频器，电机功率7MW/6kV。IGCT已成为GTO的换代器件。

　　 GTO交—直—交三电平PWM变频调速系统主电路

　　日本东芝公司近期研制成功高电压大功率的IEGT元件，即电子促进绝缘栅双极晶体管，4000A/4500V。IEGT是IGBT的一种形式，具有IGBT元件电压驱动,开关速度快，可自保护等优点，东芝公司已将采用IEGT元件的7MW/3kV大功率三电平变频器应用于我国链源钢铁公司薄板坯连铸连轧主传动中。

　　3.3交—直—交变频器存在的问题

　　尽管交—直—交变频器具有输出频率高、功率因数高等优点，但交—直—交变频器仍存在许多待改进的问题:

　　(1)当前大功率高电压电力电子器件处在发展期，GTO元件面临淘汰，IGBT，IGCT尚待成熟;

　　(2)采用IGCT(或者GTO)、IECT的变流器，器件故障造成直通短路的保护还是难题;电源侧变流器如果发生直通短路会造成电网短路，所以变流器必须采用高漏抗输入变压器，一般要求15%，甚至高达20%;

　　(3)交—直—交变频器低频运行时过载能力减低，一般运行在5Hz以下时变频器过载能力减半;

　　(4)交—直—交变频器输出PWM调制电压波形的电压变化率du/dt很高，容易造成电机和电器的绝缘疲劳损伤;输出导线较长时，共模反射电压会在电机侧产生很高的电压，如果是两电平的变流器，这个电压的峰值是直流电压的两倍，如果是三电平的变流器，这个电压的峰值是中间一半电压的三倍;

　　(5)交—直—交变频器PWM调制将产生谐波、噪声、轴电流等问题。

　　3.4交—直—交变频器的国产化研究

　　国产的交—交变频<