轧钢主机变频调速传动技术综述1

轧钢主机变频调速传动技术综述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 GTO GCT 矢量控制 主电机 1 1轧钢主机按运行特点的分类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 表表 1 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 表表 2 2 轧轧钢钢主主机机电电气气传传动动方方案案比比较较 交流变频调速 1分类 交 交变频 有环流 无换向电动机GTO PWM 电压型变频 直流调速 2路线结构 3 换流主元 件 晶闸管 72 臂晶闸管 24 臂GTO 12 2 臂晶闸管 24 臂 容量SM或1M 10000KW 以上 SM 10000KW 以上 SM 或 1M 10000KW 以上 DCM 6000KW 电压AC 3 3KVAC 3 3KVAC3 3KVDC1200V4 适 用 电 机 转速最大 1500r min 最大 1500r min 3000 最大 1500r min 最大 60 900r min 5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 COS 控制 全数字化控制 ACR ASR 全数字化控制 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 60 rad S30 rad S80 rad S 20 30 rad S 转矩 响应 600 rad S 100 rad S800 rad S100 rad S 6 控 制 特 性 转矩 脉动 0 1 0 5 0 50 0 7 配 套 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 设 备 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 电源 COS 0 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 8 综 合 特 性 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 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 表表 3 3 电机功率装置输出电压使用可控硅元件装置结构 10 000KW3 3 KV4 000V 1 500A72 桥臂 20 000KW5 5 KV6 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 6KA GTO 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 GCT IGCT Integrated Gate Commulated Thyristor 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 Gate Commulated Turn off Thyristor 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 IEGT HV IGBT 称高压 IGBT 模块式 三菱最新报道有 3 3KV 2 4KA 产品 IEGT Injection Enhanced IGBT 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 3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 C0S 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 4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 则输出至电动机的谐波主要出现在调制载波的频 率上 一般通过特定的输出交流电抗器滤波处理 对电动机的影响甚小 交 交变频的谐波滤波比较复杂 不易处理 电动机的设计与结构必须考虑 谐波引起的附加损耗 温升问题及转矩脉动问题要采取相应对策 变频工作由于器件的导通关断产生 dv dt 浪涌电压 迫使电动机的绝缘结 构与材料采取特殊设计 但交 交变频的可控硅换向工作的开关频率与开关时间 比较交 直 交 PWM 变频的 GTO IGBT 或 IGCT 载波开关频率与开关时间大不相 同 后者产生的影响比前者更为剧烈 由于变频输出产生磁路不平衡及静电感应在主电机上产生轴电压 也可能 损害轴承油膜 要采取相应措施 为适应矢量控制高性能的需要 某些关键的电机参数有目的地选定 如减 小定子漏感 异步机减小转子电阻也是电机设计的重要问题 轧钢变频主机近年国产化已有进展 设计制造从货基本解决 5轧钢主机变频调速系统实例 各种类型的轧机中 尤以带钢热轧机 板坯粗轧机 七机架连续精轧机 与 带钢冷连轧机 即五机架冷连轧 的特性要求最高 动态响应 控制精度 电 动机的容量最大 自动化控制最复杂 可属电气传动设备之最 90 年代以来轧钢主机的变频传动与控制技术已进入完善成熟的阶段 但市 场的激烈竞争迫使世界上各大电气厂商不断地推出最新技术 近年 宝钢三期 建设及宝钢集团上钢系统的大规模改造机遇逢时 引进的新颖电控盛大设备代 表着当今世界先进水平 6 16 1 工程实例 宝钢集团 表工程实例 宝钢集团 表 4 4 序项目设备系统配置 交 交变频 控制投产供货 轧机R3 粗轧机 同步机9000KW 1 台 变频装置可控硅元件 3200V 2200A 2P 36 臂 1 宝钢 2050 热轧 R3 粗轧机 变压器3 5700KVA 矢量控制 ASR ACR AFR 模拟量控制 88 年西门子 轧机F1 F5 五机架连轧 同步机2000KW 2 台 上下辊 5 变频装置2 套 5 2 宝钢 1420 冷轧机 变压器2 台 5 矢量控制 ASR ACR AFR 全数字化制 98 年西门子 轧机粗轧机上辊 下辊精轧机 F1 F7 同步机7000KW 2 台7500KW 7 台 变频装置16920KVA 2 台11 290KVA 7 台 3 一钢公司 1780 不锈钢热轧 变压器13500KVA 2 台12 500KVA 7 台 矢量控制 ASR ACR AFR 全数字化制 招标中西门子 系统配置 交 直 交三电平 PWM 变频 轧机SPR1R2F1 F2F3 F5F6F7 异步机3400350060007000650060005600 变频装置 GTO GTO INV 标称 10000KVA 10 台 4 宝钢 1580 热轧 变压器8400KVA 10 台 矢量控制 ASR ACR AFR 全数字化 96 年三菱 轧机F1 F5 五机架连轧 异步机2000KW 2 台 上下辊 5 台 变频装置 IGBT IGBT INV 2 套 5 5 宝钢 1550 冷连轧 变压器2 台 5 矢量控制 ASR ACR 全数字化 2000年日立 轧机F1F2 F3F4 F5 6 益昌薄板 冷连轧异步机3800KW 1 台3800KW 2 台3800KW 2 台 矢量控制 ASR ACR 全数字化 2001年三菱 变频装置 GTO CONV5000KW 1 台 INV 4000KVA 1 台 CONV9100KW 1 台 INV 5700KVA 2 台 CONV9100KW CONV9100KW INV 5700KVA 2台 变压器10000KVA 1 台10000KVA 1 台10000KVA 1 台 轧机粗轧机上辊 下辊精轧机 F1 F7 同步机7500KW 2 台7500KW 7 台 变频装置 GCT GCT 8730KVA 2 台GCT 8420KVA 7 台 7 一钢公司 1780 不锈钢热轧 变压器9000KVA 2 台9000KVA 7 台 矢量控制 ASR ACR AFR 全数字化 招标中三菱 6 2 交 直 交三电平 PWM 变频同步机调速系统的简要介绍 三菱产品 三电平 PWM 变频原理见图 1 逆变器和整流器均为 GCT 中性占钳位式三电平 PWM 变频的对称结构 属电压型 逆变器 或整流器 12 只元件的通断工作次 序与状态由菱形 PWM 调制图表示 对于逆变器 菱形图在空间矢量平面上 元 件工作状态可由工作表排列组合为 33 27 种 但由于重复点实际只有 19 种状 态 矢量控制系统的输出控制变量 电枢电压三相合成矢量 VX在菱形图上旋 转 VX在内面六角形内为二电平 PWM VX在外面六角形 18 个小三角形 之内 则工作为三电平 PWM 二电平时输出脉冲辐幅值可为 Ed 三电平时输出幅值可 为 2Ed 菱形图中 VX矢量落在外面小三角形区内 则 12 只 GCT 元件通断顺序为 PP0 PON PPN OON 即 VX由 V1 V2 V3 V4合成 这 4 个状态的元件导通时 间 T1 T2 T3 T4分别为 4 个分矢量的幅值 按此调制规律 三菱开发 逆变器输出 3 相电压即可为等效的正弦波 见图 2 但是 整流器的菱形图属于有功功率与无功功率 d q 轴 的矢量平面 PWM 工作原理与逆变器完全相同 控制变量矢量则为整流器输入电压 逆变器采用同步矢量控制 见图 3