大功率轧机主传动交流调速技术.doc

大功率轧机主传动交流调速技术李崇坚冶金工业部自动化研究院1. 前 言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，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。轧钢机是大容量高过载，快速响应的生产机械，交流变频调速不仅具有直流传动同样优越的调速性能，还有许多优于直流传动的特点。1) 单机容量不受限制众所周知，直流电机由于换向器的换向能力限制了电机的容量和速度，直流电动机的极限容量和速度之积约为106kW r/min，例如厚板轧机主传动直流电机功率28000kW(50/100r/min)已达到极限值，而交流电机单机容量可以突破这一限制，达到211000kW，为设备提供更大的动力。2) 体积小、重量轻、占地面积小由于交流电机结构简单、体积小、重量轻、占地面积大大减少。而直流电机不仅单机体积大，为了减少转动惯量，常常采用双电枢或三电枢串联方式，占地面积很大。日本某钢厂采用交交变频同步电机替代了原三电枢直流电机，电机功率同为11250kW，交流电机仅用了原直流电机1/3的占地面积。交流电动机由于结构简单、坚固，因此有可能与机械合为一体，形成机电一体化产品，例如轧钢地下卷取机的卷取芯棒就作为同步电机的转子。3) 转动惯量小以宝钢2050mm热连轧机为例，直流主传动电动机24500kW(250/578r/min)双电枢传动，转动惯量76.8tm2，而交流主传动电动机9000kW(250/578r/min)单电枢传动，转动惯量17.2TM2，仅为直流电机的1/4.5。4) 动态响应好由于交流电机转动惯量大大减少，并且交流电机没有换向火花对过载能力的限制，电机可以具有更大的动态加速电流。因此，交交变频同步电机较直流电机有更好的动态响应特性，宝钢2050mm热连轧机交流电机的速度响应时间由120ms提高到80ms。5) 维护简单化由于交流电机无需换向器，维护量大大减少，德国厚板轧机直流主传动年维修工作量145h，而采用交流传动后只需36h，仅为直流传动的1/4。6) 节约能源交流同步电机的效率比直流电机提高23%，以包钢1150初轧机改造为例，原直流传动24500kW，功率消耗2343kW，消耗冷却水2110t3 /h；而采用交流传动，电机容量增大到25000kW，功率消耗仅2186.7kW，减少功率损耗46%，冷却水消耗为259t3 /h，仅为原直流电机的54%，采用交流传动后，每吨钢电耗节约15%以上，而产量则提高30%。正是由于交流变频调速具有上述优点，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，在世界上已有数百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2000kW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。2. 交交变频调速系统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。图1 交交变频同步电机调速系统70年代初，随着交流电机矢量控制理论的产生及其应用技术的推广，国际上各大电气公司都投入大量人力物力对交交变频同步电机传动进行试验研究，期望这一技术可以应用于高性能要求的轧机主传动及矿井提升机传动。1981年西门子公司研制成功第一台4000kW初轧机交交变频同步电机传动系统，使大容量交流调速系统登上了高性能调速的台阶。1982年日本富士电机公司研制成功日本第一台2500kW初轧机交交变频同步电机主传动系统。日本东芝公司1988年为川崎制铁公司研制了世界上第一套交交变频异步电机调速高精度冷连轧机，速度响应达到60弧度/s，速度控制精度为0.004，超过了直流调速的指标，但由于同步电机变频调速对于大容量轧机主传动具有许多异步机所不及的优点，日本80年代末又开始研制同步电机变频调速装置，三菱电机公司1990年推出世界最大转矩交交变频同步电机轧机主传动，7000kW，35/79r/min，1992年又陆续制造23台同步电机轧机主传动装置。东芝公司制造了日本最大容量11250kW交交变频同步电机轧机主传，1992年投入运行。1989年，西门子公司第一次将交交变频同步电机传动应用于热连轧的精轧机主传动，使大容量同步电机变频调速终于达到并超过了直流调速的性能。屹今为止，世界上已经有近500套轧机传动采用了交交变频调速。针对交交变频功率因数低，谐波污染等缺点，世界各国在主回路接线，多重化技术，控制方法上不断改进，尤其是东芝和ABB公司提出的动态无功功率控制方案，使轧机主传动交交变频调速对电网的影响大为改善，使其超过直流传动的水平。我国近年来从德国和美国引进数10套轧机主传动交交变频同步电机调速系统，鞍钢、包钢1150初轧机宝钢1420mm冷连轧机，包钢、邯郸、珠江钢厂的三条薄板坯连铸板坯连铸连轧生产线，以及首钢2160mm热连轧均采用该技术。3. 交直交同步电机调速系统图2为交直交同步电机调速系统，也称为无换向器电机调速，采用晶闸管变流器和逆变器，运用同步电机转子过激磁的容性无功功率来提供晶闸管换流。它具有结构简单，输出频率高等优点，但也存在着方波输出，低频转矩脉动大，过载能力低(一般小于150%)等缺点。图2 交直交同步电机变频调速系统交直交同步电机调速系统主要用于过载能力不大，速度高的不可逆轧机主传动，例如高速线材精轧主传动驱动60008000kW同步电机。在我国天津、湘潭、昆明、武汉等钢厂高速线材精轧机主传动均采用该技术。值得一提的是，1991年德国AEG公司在交直交同步电机控制原理上下功夫，研制成功低频正弦波输出，高频再切换到方波的CC/CSI技术，并制造了6000kW，CC/CSI交直交同步电机应用于意大利阿维迪薄板坯连铸连轧(ISP)主传动。4. GTO脉宽调制变频调速进入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，重量轻等显著优点。在大功率高电压变频调速领域，GTO元件目前占主要地位。进入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，鞍钢1780mm热连轧机也将采用该技术，目前，日本日立、东芝，德国西门子等公司也相继推出4000- 7000 kWGTO同步电机调速系统应用于轧机主传动。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。因此，GTO变频调速在轧机主传动领域受到争议。图3 GTO交直交多电平PWM变频调速系统5. IGBT脉宽调制变频调速场控器件在80年代中后期开始出现，并取得了飞速发展，最令人瞩目的是IGBT出现与实用化。IGBT比GTR开关速度快，达到1030kHz，损耗小，耐压高(达到3000V)，驱动功率小，保护系统简单。近几年世界各国均积极开发应用IGBT变频器，时至今日，世界各大电气公司的中小容量PWM变频器已全部实现了IGBT化。日本和德国的城市轻轨列车4001500kW，交流调速牵引应用IGBT变频器；钢铁工业连铸及钢材加工线传动也普遍采用IGBT变频调速，尤其是德国西门子公司近期为我国大冶钢厂棒材连轧生产线推出全线IGBT交流调速系统。该生产线的10个机架分别由10台交流异步电机驱动，功率为650850kW，660V，由于采用并联母线供电，集中回馈能量，可实现快速四象限运行，完全达到并超过直流调速的性能指标。日本东芝公司为我国莱芜钢厂小型钢连轧机提供1500kW，1200V IGBT三电平交直交PWM变频调速，随着IGBT元件的电压、电流容量迅速增大，(已达到1000A/3000V)，IGBT变频器已可以驱动3000kW轧机主传动。中功率轧机主传动将逐步被采用IGBT元件的交流电机变频调速所占领。图4为IGBT交直交PWM变频调速。图4 IGBT交直交多电平PWM变频调速系统6. 轧机主传动交流调速技术应用范围现代大功率轧机根据工艺不同划分为开坯初轧机，中厚板轧机，型钢轧机，热带钢连轧机，冷带钢连轧机，单机架可逆冷轧机，以及棒线材连轧机等。不同轧机要求主传动满足不同的工艺要求，例如，可逆运转，调速范围，调速动态指标等等。表1列出不同轧机对主传动工艺要求及交流调速技术的应用范围。7. 国产轧机主传动交流调速技术的现状我国从70年代就开始交交变频调速技术的研究，80年代初已研制成功交交变频同步电机的实验样机，并制成交交变频异步电机调速工业试验样机。但大功率交交变频调速装置到90年代才得到长足的进展。1) 大功率轧机主传动交交变频同步电机调速系统攻关成功2500kW轧机主传动同步电机交交变频调速系统是由冶金部、机械部两部下达的重大科研攻关项目。该项目在冶金部自动化研究院、哈尔滨电机厂和包头钢铁稀士公司紧密配合下，克服了重重困难，终于1993年8 月安装在包钢轨梁厂850轧机上，一次试车成功。该系统独创性地提出了交交变频同步电机阻尼磁链定向控制原理及系统；在国内首次研制成功具有国际先进水平的1650V变频高压主柜；研究并使用了不依赖于电机模拟器的交交变频同步电机矢量控制系统在线调整原理和方法。该系统各项技术性能指标达到了国外进口同类设备的水平，半年的生产运行表明，该装置设计合理，结构紧凑，维护方便，运行可靠，故障率低，完全满足生产工艺要求。该项目产生了较大的经济效益和社会效益。全年综合经济效益可达990万元。该系统填补了国内空白，达到80年代国际先进水平，标志着我国在大功率交交变频调速系统的理论研究，控制技术和设备制造水平已跨入世界先进行列。2) 天津中板厂5000kW全数字控制交交变频同步电机调速系统投运成功由冶金部自动化研究院、上海电机厂联合研制的5000kW，60/120r/min交交变频同步电机调速系统于1994年11月在天津中板厂2400中板轧机上投产运行; 交交变频器10000kVA为国内最大容量轧机主传动调速系统; 该控制系统与德国AEG公司合作制造，采用先进的全数字矢量控制系统LOGDYN D。3) 重钢五厂4000kW全数字控制同步电机调速系统研制成功冶金部自动化研究院继2500kW、5000kW同步电机轧机主传动系统研制成功之后，与东方电机厂合作研制国内最大转矩的轧钢同步电机4000kW，40r/min，该系统计算机硬件采用德国西门子公司全数字控制系统SIMADYN D，工程软件、系统设计与调试由自动化院承担。该系统投资仅为进口设备的1/4，是天津中板技术合作模式的1/2，是一种即具有当代国际水平，又投资少，国产化率高，独具中国特色的高科技项目，受到国家和企业的普遍观注。该项目已于1996年6月在重钢五厂2450中板轧机上投入运行。表2列出我国交交变频调速系统的实例。目前济钢、武钢、营口等中板轧机已准备采用国产交交变频调速装备，在国家和冶金部的领导和支持下，国内科研单位正积极取把该技术推广到连轧机主传动。表2 国产轧机主传动交流变频调速实例时间项目名称使用单位设计单位1986280kW交交变频异步电机北京稀土研究所轧机北京钢铁设计院1990440kW交交变频异步机第一重机厂轧机天津电气传动设计所1991630kW交交变频双馈电机首钢带钢厂中轧冶金部自动化研究院19931250kW交交变频异步电机长钢初轧机天津电气传动设计所19932500kW交交变频同步电机包钢轨梁厂850轧机冶金部自动化研究院19936301000kW 5机架热连轧 交交变频双馈电机首钢带钢厂热连轧机冶金部自动化研究院19945000kW*2交交变频同步电机天津中板厂中板轧机冶金部自动化研究院1994630800kW 5机架棒材连轧 交交变频双馈电机宣钢小型厂棒材连轧机冶金部自动化研究院19962500kW交交变频异步电机天津无缝钢管厂轧机天津电气传动设计所19964000kW交交变频同步电机重钢中板轧机冶金部自动化研究院8. 结 束 语从以上分析可以得出下列结论：1) 大功率轧机主传动的发展趋势是交流电机变频调速取代直流调速。2) 我国电工行业已可以制造交交变频同步电机轧机主传动装备，在该领域的理论研究、控制技术和设备制造水平已跨入世界先进行列。全数字控制技术是当今交交变频调速系统科研攻关的重点之一，冶金部自动化院在重钢五厂4000kW交交变频调速项目中仅引进计算机核心硬件的方案，使该系统既具有国际先进水平，又达到国产化率高、投资少的特点，值得大力推广。同时，应积极组织力量研制中国自己的计算机硬件，尽快推出完全国产化的全数字交交变频调速系统。国产交交变频调速系统在大功率单机架可逆轧机主传动上已取得了成功，国家和企业应积极创造条件，让中国交交变频调速系统尽快应用于连轧机主传动，使交交变频调速这一项高新技术