交直流调速方案优缺点浅析.docx

交直流调速方案优缺点浅析发布日期：2011-09-1660-100万吨棒材生产机组传动控制系统交直流调速方案优缺点浅析随着国民经济的日益发展及国家“十二五”规划的要求，市场对螺纹钢、圆钢等的需求越来越多，近几年国内各企业拟建或在建的60-100万吨/年棒材机组有数十条，其中18机架主轧机电机及控制方案的选型对整条机组的造价及日后的机组产量、质量、产品精度及运行的综合成本至关重要，先对目前国内外流行的直流调速和交流变频调速系统的优缺点做一个简单的概述及分析，不足之处请给予批评指教：一、 直流调速方案：1、直流电机及控制系统的优缺点： 调速性能好、调速范围广，易于平滑调节 起动、制动转矩大，易于快速起动、停车 过载能力强、能承受较频繁的冲击负荷 线路简单、控制方便、 电控系统总体造价（包括直流电机及其配套的直流调速装置）相对较低，设计、制造、调试周期短 国内外控制方案成熟、工程应用广泛鉴于以上优点，加之晶闸管技术的高速发展，在冶金工业领域、特别是对速度控制要求迅速、准确调整的带钢冷连轧机组等一些高性能的电气传动系统中，晶闸管整流供电的直流传动系统一直被长期、广泛地采用，以满足和实现工艺对电机的调速性能要求。虽然直流传动有以上诸多优点，但仍有不足之处，主要表现在： 由于采用相控整流技术，在晶闸管换向时会产生谐波，污染电网，须对谐波进行治理 在低速启动时，因为晶闸管导通角，导致功率因数较低，无功分量较大，须对功率因数进行补偿 与同容量、转速的交流电机相比，直流电机的造价高、体积大、重量重、转动惯量大 日常维护量大，须定期检查、更换炭刷，整流子表面保养 由于换向的限制，在结构发展上欲制造大容量、高电压及高转速的直流电机工艺上比较困难。现阶段直流电机单机容量最大只能达到11000kw左右，电压也只能做到1200V左右，这样一些大容量的不得不做成双电机、三电机甚至四电机结构，直接影响了直流电机的广泛应用，发展交流变频势在必行2、 西门子/ABB等国外原装产品与DB系列扩容全数字直流控制器在控制精度及造价方面的比较鉴于直流电机的以上优缺点，目前国内还是有许多厂家（特别是一些民营企业和一些中小型国企）在新建项目时，为了节省投资、压缩工期，还是选择主传动系统采用直流方案（特别是单台功率600-800KW）据初步统计，目前已经建成的棒材机组有近60% 采用的是直流方案（因为一般情况下此类机组初轧、预精轧、精轧电机功率均在900-1300KW），目前国内大部分厂家选择的直流控制器为西门子公司的6RA70系列（60%左右）、ABB公司的DCS600系列（25%左右）和其他的一些国外品牌。随着国内晶闸管器件及其组成的整流系统的制造技术已经成熟，对这些大功率直流电机的晶闸管整流部分采用国产系统，其可控硅功率单元由国内制造，控制核心（包括控制板、通讯板等）还是采用国外产品，即目前所说的“扩容或小托大”，这种方式不仅控制性能与国外同类产品几乎完全相同，但价格、供货周期等优势明显，经过10余年的运行已得到国内大部分厂家（90%）的认可，广泛应用于国内冶金行业，已基本完全替代国外原装产品，二者对比情况如下：序号比较内容国外原装国产扩容备注1控制精度静态速度稳定精度0.1动态速度稳定精度1通讯板、控制板采用国外原装（西门子/ABB），功率部分国内配套，各项指标与原装相近扩容系统目前国内各企业广泛应用2设备造价价格昂贵原装造价的0.3-0.5倍3供货周期6-8周，大容量10-12周 4-6周西门子6RA70原装装置已很少采用，接近淘汰4备品备件很难采购方便采购3、 直流调速方案所需的配套设备：1）谐波治理：由于直流调速控制原理采用的是相控整流技术，避免不了对电网产生谐波污染，高次谐波不仅对电网质量造成影响。最直接的表现可能使变压器、电缆、电动机发热、破坏绝缘，更有甚者可能会影响电气设备的使用寿命，造成不安全隐患，现在国家越来越重视此方面的预防和治理工作，不久的将来各地供电部门必会将谐波的治理作为各企业的动力部门的重要考核指标（像考核功率因数那样）而在全国范围内全面推广！2）功率因数补偿设备：因直流电机在低速启动时，要求的晶闸管导通角较大，导致功率因数较低（cos），无功分量较大，须对功率因数进行补偿，否则当地供电部门将进行罚款！我公司与国内知名院校联合开发的有源无功补偿及滤波装置，采用高性能数字处理器（DSP）和现代测控技术，在低压侧与用电设备并联运行，既实现功率因数的就地动态补偿，又可对用电设备产生的5、7、11次谐波进行滤波处理，特别适合于功率因数变化范围大的用电设备，性能优越。按照60万吨/年的产量，全部电控设备的装机容量在20000KW左右，需要无功补偿容量18000-22000Kvar此部分的预算投资在280万左右。2）变压器：为了解决直流电机在咬钢时的负荷冲击、及其自身控制方面的要求，相对应的变压器容量要求是电动机容量的1.5-1.6倍进行选定（较交流变频方案大20-30%左右），造成此部分投资的增加。另外直流电机的日常维护量较大，需定期对电机清扫、更换碳刷，运行、维护和人工成本较高。二、 交流调速方案：1、交流变频电机及控制系统的优缺点：二十世纪70年代末期，随着电力电子学、微电子及自动控制技术的突飞猛进发展，近代交流调速传动有了飞跃的进展。特别是近些年半导体元器件取得了突破性发展，一大批高压大功率化，高频化，模块化，智能化的半导体器件如GTR，GTO，IGBT，IGCT，IEGT等在工程中的成功应用，更加快了交流变频技术的发展。同时随着自动控制理论的发展，特别是矢量控制技术在工程上的成熟应用，为改善交流传动系统的性能提供了一种新的、有效的控制方法，采用矢量控制的交流调速装置，其控制性能可与晶闸管直流调速系统相媲美，它具有以下特点： 交流电机结构简单，便于日常维护 交流电机坚固耐用、重量轻、GD2小，需要动态响应高的场合（精密、高速控制）时优势显著 调速的动态性能好，经济可靠 功率因数高、谐波小；电机效率高、节能效果好（相比直流综合节电率在15-25%）虽然交流调速传动有优点，但它也存在以下不足之处有待提高： 线路复杂，控制难度大 交流变频调速装置初期投入成本略高2、 西门子/ABB等国外原装产品与DB系列扩容变频器/逆变器在控制精度及造价方面的比较（目前一般均选用690V变频电机）鉴于交、直流电机的以上优缺点，通过综合比较，国内很多厂家（近些年已开始大量选择交流变频方案），目前国内大部分厂家选择的控制器为德国西门子公司的6SE70/S120系列（50%左右）、瑞典ABB公司的ACS800系列（30%左右）和其他的一些品牌。DB系列扩容变频器/逆变器简介：北京东标电子有限公司研制的DB系列变频器/逆变器采用矢量控制单元控制核心，结合我公司大功率变频在各领域应用的成功经验，所有部件均符合VDE、IEC、NEMA及CSA标准的要求。组合成更适合要求单柜功率大，体积小、控制及维护简单、性价比高的领域。东标高性能大功率系列变频器为空间矢量控制，其电路型式为交-直-交型式，交流变换直流采用整流回馈单元，使母线电压恒定，逆变部分为空间矢量控制。东标高性能大功率系列变频器，具备直流母线电压保护制动单元。东标中压大功率变频器系统由整流回馈系统和逆变器组成，驱动多台异步交流大功率电动机，整体流畅大气。东标中压大功率变频控制电源为不间断电源系统，其电池为免维护胶体电池，使用年限100年，DC/DC电源模块为瑞典爱立信公司电源模块。保障系统在控制电失电的情况下有效的进行系统保护。东标中压大功率变频器系统采用空间矢量控制方式，具备多种标准通讯接口、标准PROFIBUS、CAN、SIMOLINK、USS、点对点等多种通讯接口，实现总线控制，主从控制，电子插板标准扩展接口。为用户控制选择多种充分控制方案。东标中压大功率变频器系统工作功率因数在0.95以上,功率因数高。东标中压大功率变频器系统自身具备不间断控制电源，母线保护制动控制单元。充分考虑用户各种供电、生产工艺意外情况。东标大功率标准传动系统主冷却系统采用水冷系统，水冷系统进水、出水总管采用不锈钢水管，与用户法兰连接，内部水嘴为无氧铜镀镍工艺，每一水路独立控制。冷却水系统采用纯水冷却装置，具备自动水温控制，保障变频装置冷却需要和避免结露的控制。东标中压大功率变频器系统采用光纤驱动避免高频大功率的干扰。变频传动主要器件组成及品牌：IGBT 品牌 Infineon 德国英飞凌电解电容 品牌 EPCOS 德国EPCOS驱动模块 品牌 CONCEPP 瑞士CONCEPP控制电源 品牌 西门子 德国西门子DC/DC模块 品牌 爱力信 瑞典爱力信整流晶闸管 襄樊台基快速熔断器 西安熔断器 DB系列变频器、逆变器、整流回馈单元自09年投入市场以来，已成功运用到国内湖北宜昌三峡全通五机架全连续冷连轧机组（主电机690V 14台，最高速度960米/分，电机最大功率2500KW，09年10月投产1条机组，10年3月投产1条机组，11年4月投产1条机组，目前正在调试1条机组，11年下半年再上2条机组）山东鲁丽集团100万吨棒材机组电控系统总包（主电机690V 共18机架，最高速度18米/秒，电机最大功率1500KW，10年10月投产至今运行良好、稳定）；山西西美钢铁有限公司60万吨棒材机组电控系统总包（主电机690V 共18机架，最高速度14米/秒，电机最大功率1200KW，正在设计、制造，今年10月底交货）序号 比较内容国外原装国产扩容备注 1控制精度静态速度稳定精度0.1动态速度稳定精度1通讯板、控制板采用国外原装（西门子/ABB），功率部分国内配套，各项指标与原装相近 扩容系统目前国内各企业广泛应用2设备造价价格昂贵原装造价0.6倍左右100万吨国外原装3000万左右3冷却方式 风冷风冷/水冷水