变频器在钢铁工业的应用

1、http:/bbs.go ngko 中国工控网， 工控家园工控论坛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， 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。（1）钢铁工业耗电量极大，中国电工产品耗电约占全国总发电量的70%，而冶金系统年耗电量约占全国发电量的 9.3%左右，驱动的电动机占很大一部分，其 中要求调速的占80%以上（据统计，钢铁工业要求调速的电动机从数量上说约 为20%，而容量上说却占80%），故其有效操作和节能降耗是至关重要的。（2） 钢铁工业产量大、经济效益大，要求作业率高。如板带热连轧厂年产量大

2、都超过 600万吨，稍有故障停车，损失就很大，故提高作业率极为重要。钢铁企业使用 的电动机有直流电动机和交流电动机，由于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安装环境较好及不能用于易燃易爆场 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、效率比交流电动机低2至3%等，交流电动机则无直流电动机的缺点，维护量较少，作 业率较高。特别是近十多年随着电力电子和微电子技术发展及现代控制理论应 用，使交流调速迅速发

3、展，其调速特性与直流调速性能完全一样甚至超过，完全可代替直流电动机及其调速系统。（3）变频调速经济效益高。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一直流发 电机和直流电动机一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，无可动部分。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。 现在所指的变频调速是指静止变频 调速装置（变频器）。据统计使用静止变

4、频调速以后，可节电 1 至 3%。因此交 流电动机驱动和变频调速在钢铁厂已广泛应用， 特别是新建的机组， 甚至大功率 （单机达 10,000 千瓦）、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。交流调速及变频器在钢铁工业应用的进展变频调速在钢铁工业的应用， 经过多个 阶段。交流调速开始为节能而用于风机、 水泵代替要耗能的恒速运行但调节阀门 的方法，到上世纪 80 年代初日本川崎钢铁公司首先在连铸车间全交流化，取得 了良好的效果，以后，不但在连铸车间使用，而且推及到各工序、各车间全交流 化。由于由于热轧板带轧机要求严格、产量大（年产 600 万吨以上），稍有故障 或性能达不到要求，损

5、失就很大 ,故直到数字控制技术和矢量控制技术完全实用 化（矢量控制的电动机轴上装有脉冲发生器， 并以此进行速度反馈构成闭环系统， 用数字控制方式进行速度控制或力矩控制， 因而调速范围宽， 调速精度高， 动态 性能已达到直流调速。而 vvvf控制为开环系统，按照电压/频率（v/f） 定， 用模拟技术进行控制，因而调速范围小，约为 1:40 ，调速精度受限制，动态性 能不如直流调速，尤其是小容量、低速情况下不理想） ，才为热轧板带轧钢厂轧 机主传动交流化创造基础， 但开始仍只限于在要求没有串列的精轧机严格的粗轧 机，然后经过试验和多年后才用于精轧机。要求严格、 技术复杂和产量大的热轧板带轧机工厂实

6、现全交流化， 事实上钢铁工 业全交流化就已实现，冷板带连轧机、中厚板轧机、线棒轧机、型钢轧机、钢管 轧机包括主、辅传动都相继使用交流变频调速。直接连接（非高 低高变换） 式的高压交流变频调速装置的研制成功， 使那些 需要调速 6kv 的高压电动机， 如矿井提升机也得到解决。 由于传动装置和变频装 置是工业控制的基础环节，在 cims 系统六级结构中属于 l1 级，要实现全线或部 分自动化，需要与pic或工业控制器相连，也开发了 传动一pic 体化”它一般通过现场总线相连。交流调速及变频器实际应用中要注意的几个问题。 变频装置主要分为交 直交 变频和交 交变频两大类， 交直 交变频又可分为电压型

7、和电流型两大类， 交 交变频多为电压型， 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，gateturn-offthyristor ）、 igbt （绝缘栅双极晶体管，insulated-gatebipolartransistor ）、igct （集成门极换流 晶闸管， integratedgateco 毫米 utatedthyristor ，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

8、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、脉冲宽度调制（ pwm ）或脉冲幅度调制（ pam ）等；电压也有高压（ 3 至 6kv，主要是大容量的同步或异步电动机）、中压或抵压（如一般的小功率 380v 和轧钢辅传动的电动机）等。此外，变频调速还有变极调速，无级调速还有矢量 控制方式、变压变频（vvvf）控制方式等，价格极为不同，如何选择是一大问题。 表 3 示出了中国宝钢从日本引进的于 1989 年投产的 1900 毫米板坯连铸全交流 方式。从表中可以看出，变频调速采用变极、 vvvf 和矢量变换控制三种方式，在 调速要求不需无

9、级的只须有限变速的采用变极控制方式， 要求速度控制不严格的 如辊道速度控制采用变压变频（vvvf）方式，要求速度控制严格的才采用矢量变 换控制方式， 这样目的是节约投资和简化维护， 这种按工艺要求选择变频器的方 法可作为为其他车间交流化作为准则， 如烧结的全交流化， 其配料的变频器采用 vvvf 方式，台车采用矢量变换控制方式。对于变频器生产，国外电气公司都已产业化了，如德国西门子、法国阿尔斯通、瑞典abb、美国ge、意大利an soldo、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

10、所用电动机也需注意，一般 1,000 千瓦以下的电动机， 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） 。一般来说，还须考虑电源污 染对电网造成的影响问题， 特别对容量特大并使用交 交变频装置的场合， 考虑 装设无功动态补偿装置（SVC ）是要认真考虑的。交流调速及变频器国产化与产业化。交流变频调速装置在钢铁工

11、业占重要地位， 无论从生产需要或经济效益， 其重要性是不言而喻。 但大多是引进， 特别是大功 率的轧钢主传动，从早期引进的宝钢2,050毫米热连轧r2、包钢1,150毫米初轧机、鞍钢 1,150 毫米初轧机到 “十一五”建设的宝钢 1,880 毫米热连轧。这需要花大量外汇和资金，据统计，国产的交 交变频器，价格约为 500 元 rmb/kVa （不包括整流变压器） ，而引进约为 1.5 倍国产价格，而一个大型板带热 连轧厂主传动可达 100,000 千瓦，因此国产化、产业化和可靠性以及有所创造 是关键问题。 国内许多单位， 如天津电气传动研究设计所、 冶金自动化研究设计 院 （前身为冶金部自动

12、化研究院 ）等远在上世纪 70 年代末，就已致力于交流变频 调速的研究和国产化与实用化工作。大概可分为三个阶段。第一阶段为上世纪 70 年代末至 1985 年。开始从事交流调速研究及工业试验与应用， 并在实用化取 得初步成绩，例如 1983 年研制成功线绕型感应电动机双馈变频调速装置并在 15 吨冷拔机组中良好使用。第二阶段为 1985 年至 1993 年。在这阶段是研究各种 交流变频调速机理、 特性与工业应用以及数字调节器等， 同时引进单体变频器自 行设计系和完全设计和制造国产化和具有自己知识产权的交流变频调速系统和 装置，其中典型的是冶金部自动化研究院的 1988 年4 月成功地投产湘钢金

13、属制 品分厂的 24 号 6/350 活套拉丝机变频调速系统（ pwm 逆变器）， 1988 年 10 月 成功地投产轧钢厂辊道控制的电流型变频调速系统和装置。 1993 年 2 月制成大 功率交 交变频矢量控制的双馈变频调速装置，并用于首钢带钢厂直径500 毫米窄带热连轧主传动 650 千瓦交流电动机上。 1993 年制成第一套国产的 2,500 千瓦交 交变频同步电动机调速系统（获冶金科技进步一等奖） ，并用于包钢轨 梁厂 850 型钢轧机。第三阶段为 1993 年至现在。其特点是现代化、高性能化、 全数字化和产业化，并大力应用于实际工业现场中。在钢铁工业中代表是 1996 年制成第一套国

14、产的全数字的 4,000 千瓦交 交变频调速系统，并用于重钢五厂 2,450 毫米中板轧机； 1999 年制成第一套国产的双机传动的交 交变频调速系 统，并用于武钢轧板厂中板轧机； 2000 年制成第一套热连轧机传动的交 交变 频调速系统，并用于攀枝花钢铁公司轧板厂； 2001 年完成第一套特大型全数字 交 交变频主井提升装置。此外， 2003 年投产的营口中板厂精轧机 2 乘 4,200 千瓦主电机交 交变频调速系统； 2004 年投产的胜利油田临盘采油厂 560 千瓦 注水泵电动机的高压直接变频调速系统（交 直交方式， h 桥串联式）以及多 套棒线轧机主辅传动交流变频调速系统都是国产化例子

15、。 在这阶段交 交变频调 速系统有较大的发展， 例如冶金自动化研究设计院的交 交变频调速技术与在钢 铁工业应用规模已超过美国 ge、法国alston、意大利ansaldo，达到siemens、 toshiba 、 abb 的世界先进水平。各项技术性能指标与国外 siemens、 toshiba 相 同，达到国际先进水平；该院交 交变频占国产化市场的 80左右，单机功率 也最大（ 4,000 千瓦），大功率交 交变频装置已为国内提供 208 套，容量共 2,000mw ，占全国首位。该院还在交 交变频调速系统有所突破：（1）提出同步电机磁场定向控制理论与方法，阻尼磁链定向发明专利，提高了 交交变

16、频系统的技术性能；（ 2）提出电机、电网、系统一体化理论与仿真，解决了大型交流调速对电网影 响问题；（ 3）研制了现代控制理论的负荷观测器，解决了热连轧机电振荡问题；（4）建立了交 交变频工程设计与调试方法，使工程规范化，推广应用规模化;（ 5）研制成功 4 英寸大功率晶闸管及大功率变流装置，功率全范围覆盖，单机 达到 20mw ；6）树立了国产化样板，第一套热连轧交流调速，第一套矿井提升机交流传动（ 7）在 863 项目支持下，研制成功 7,500 千瓦的 igct 变流器，完成了 3600 千 瓦同步电机的工业试验。并研发电子控制器。在产业化方面也是效果显著。 除了低压、 中小容量的变频调

17、速系统及其相关元器 件已系列化、 产品化和商品化以外， 高压直接变频调速系统及装置夜已有多家公 司系列化、产品化。国产化的问题与展望。 国产化近年来取得很大的成功和重大的经济效益， 包括国 内许多公司开发的高压直接变频调速系统， 但如果冷静地分析一下， 国内大多数 公司和单位，大多是设计主回路， 而核心技术如数字式的电子控制器和电力电子 器件都是外购， 其中电子控制器都是外国公司如西门子公司生产 （实际上完全国 产化的大功率变频系统只有模拟式控制系统，如包钢轨梁厂 850 型钢轧机的 2,500 千瓦交 交变频同步电动机调速系统） ，电力电子器件则只有晶闸管国内 可生产，而第三代可关断电力电子

18、器件，包括 gtr、gto ，更不用说 igbt 、igct 了， 全部进口，国内交 交变频之所以得到蓬勃发展， 主要依托国内多年的晶闸管生 产技术和较便宜的价格。 无可置疑， 交直交变频特别对电源污染方面都是优于交 交变频方式，但 igbt 、igct 等电力电子器件依靠国外而使交 直交变频发展 较慢。但要开发和生产 igbt 、igct 等电力电子器件要投入财力物力太大，一个单 位难以负担，需要国家大力投资研发和生产， 并希望国家能择优和考虑有效投资。 现在国内电气公司越来越多， 分出来也越来越多， 原因是传动调速系统， 经济效 益大，设计主回路，外购电子控制器和电力电子器件，然后组装、调

19、试，已越来 越多人掌握，办个组装车间也非难事， 但人力分散， 基础工作电子控制器和电 力电子器件却很少人也无力致力于研发和生产。 当今合并组成大型集团公司是世 界也是国内趋向， 我们应该效仿， 这样才能更有力量和利于发展并和西方大电气 公司竞争。目前只批判 “短视行为 ”不足以解决，看来，只能是国家大力和有效投 资研发和生产电力电子器件， 把有影响的电气传动公司和电力电子器公司及著名 的研究院所合并成大型的集团公司， 才足以有此财力和人力， 来进一步发展交流 变频调速技术，并和国际著名公司，如德国西门子公司等竞争，化进口为出口。 目前集团公司有些不问专业而以工艺行业进行合并， 例如冶金系统的自动化专业 的研究院与工艺方面的研究院合并而成钢铁集团公司， 看上去似乎合理， 但实质 上是过去冶金部、煤炭部、化工部等小而全方式，这样很难有大的发展，反观国 外，大都是专业合并，三足鼎立 机械设备、电气、工艺，如德国德马克等机 械公司、西门子等电气公司、蒂森等钢铁公司（或其他化工、轻工等工艺公司） ， 美国也如