交流變頻調(diào)速在鋼鐵工業(yè)中的進(jìn)展、問題與展望
鋼鐵工業(yè)是材料工業(yè)，由于鋼鐵具有良好的物理和化學(xué)性能，故鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的金屬材料，是建筑、汽車、鐵路、航運(yùn)、電器、電力、食品等工業(yè)不可缺少的材料。
?。?）鋼鐵工業(yè)耗電量極大，我國電工產(chǎn)品耗電約占全國總發(fā)電量的70%，而冶金系統(tǒng)年耗電量約占全國發(fā)電量的9.3%左右[1>，驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)占很大一部分，其中要求調(diào)速的占80%以上（據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼鐵工業(yè)要求調(diào)速的電動(dòng)機(jī)從數(shù)量上說約為20%，而容量上說卻占80%），故其有效操作和節(jié)能降耗是至關(guān)重要的。（2）鋼鐵工業(yè)產(chǎn)量大、經(jīng)濟(jì)效益大，要求作業(yè)率高。如板帶熱連軋廠年產(chǎn)量大都超過600萬噸，稍有故障停車，損失就很大，故提高作業(yè)率極為重要。鋼鐵企業(yè)使用的電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，由于許多要求調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電氣控制系統(tǒng)有一定的要求，如調(diào)速范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、靜差度等，過去直流電動(dòng)機(jī)一直占主導(dǎo)地位，但直流電動(dòng)機(jī)有一系列缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)上有換向器及電刷使日常維護(hù)量增加、電刷與整流子經(jīng)常產(chǎn)生火花而要求安裝環(huán)境較好及不能用于易燃易爆場所、與同容量交流電動(dòng)機(jī)比體積和重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都較大、價(jià)格也較高、效率比交流電動(dòng)機(jī)低2～3%等，交流電動(dòng)機(jī)則無直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，維護(hù)量較少，作業(yè)率較高。特別是近十多年隨著電力電子和微電子技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)代控制理論應(yīng)用，使交流調(diào)速迅速發(fā)展，其調(diào)速特性與直流調(diào)速性能完全一樣甚至超過，完全可代替直流電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)。（3）變頻調(diào)速經(jīng)濟(jì)效益高。交流調(diào)速有多種方法（異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，液力耦合器調(diào)速、機(jī)械差動(dòng)調(diào)速、變頻調(diào)速等），但主流是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的變頻電源有旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組和靜止變頻裝置。前者由異步或同步電動(dòng)機(jī)—直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)—同步發(fā)電機(jī)兩套機(jī)組組成。后者則由電力電子器件和微電子器件組成，無可動(dòng)部分。由于旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組設(shè)備龐大、有可動(dòng)部分、維護(hù)量大、效率低和性能差，故已被靜止變頻裝置代替?，F(xiàn)在所指的變頻調(diào)速是指靜止變頻調(diào)速裝置（變頻器）。據(jù)統(tǒng)計(jì)使用靜止變頻調(diào)速以后，可節(jié)電1～3%。因此交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和變頻調(diào)速在鋼鐵廠已廣泛應(yīng)用[2>，特別是新建的機(jī)組，甚至大功率（單機(jī)達(dá)10000kw）、要求嚴(yán)格的帶鋼熱連軋機(jī)也使用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流調(diào)速。
?。步涣髡{(diào)速及變頻器在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)展變頻調(diào)速在鋼鐵工業(yè)的應(yīng)用，經(jīng)過多個(gè)階段。
交流調(diào)速開始為節(jié)能而用于風(fēng)機(jī)、水泵代替要耗能的恒速運(yùn)行但調(diào)節(jié)閥門的方法，到上世紀(jì)80年代初日本川崎鋼鐵公司首先在連鑄車間全交流化，取得了良好的效果，以后，不但在連鑄車間使用，而且推及到各工序、各車間全交流化。由于由于熱軋板帶軋機(jī)要求嚴(yán)格、產(chǎn)量大（年產(chǎn)600萬噸以上），稍有故障或性能達(dá)不到要求，損失就很大,故直到數(shù)字控制技術(shù)和矢量控制技術(shù)完全實(shí)用化（矢量控制的電動(dòng)機(jī)軸上裝有脈沖發(fā)生器，并以此進(jìn)行速度反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，用數(shù)字控制方式進(jìn)行速度控制或力矩控制，因而調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高，動(dòng)態(tài)性能已達(dá)到直流調(diào)速。而vvvf控制為開環(huán)系統(tǒng)，按照電壓／頻率（v/f）一定，用模擬技術(shù)進(jìn)行控制，因而調(diào)速范圍小，約為1:40，調(diào)速精度受限制，動(dòng)態(tài)性能不如直流調(diào)速，尤其是小容量、低速情況下不理想），才為熱軋板帶軋鋼廠軋機(jī)主傳動(dòng)交流化創(chuàng)造基礎(chǔ)，但開始仍只限于在要求沒有串列的精軋機(jī)嚴(yán)格的粗軋機(jī)，然后經(jīng)過試驗(yàn)和多年后才用于精軋機(jī)。
要求嚴(yán)格、技術(shù)復(fù)雜和產(chǎn)量大的熱軋板帶軋機(jī)工廠實(shí)現(xiàn)全交流化，事實(shí)上鋼鐵工業(yè)全交流化就已實(shí)現(xiàn)，冷板帶連軋機(jī)、中厚板軋機(jī)、線棒軋機(jī)、型鋼軋機(jī)、鋼管軋機(jī)包括主、輔傳動(dòng)都相繼使用交流變頻調(diào)速。
直接連接（非高—低—高變換）式的高壓交流變頻調(diào)速裝置的研制成功，使那些需要調(diào)速6kv的高壓電動(dòng)機(jī)，如礦井提升機(jī)也得到解決。由于傳動(dòng)裝置和變頻裝置是工業(yè)控制的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在cims系統(tǒng)六級(jí)結(jié)構(gòu)中屬于l1級(jí)，要實(shí)現(xiàn)全線或部分自動(dòng)化，需要與plc或工業(yè)控制器相連，也開發(fā)了“傳動(dòng)—plc一體化”，它一般通過現(xiàn)場總線相連。
3 交流調(diào)速及變頻器實(shí)際應(yīng)用中要注意的幾個(gè)問題
變頻裝置主要分為交—直—交變頻和交—交變頻兩大類，交—直—交變頻又可分為電壓型和電流型兩大類，交—交變頻多為電壓型，也有少量使用電流型。變頻控制方式分為電壓型、電流型、脈沖寬度調(diào)制型等。其主回路的拓?fù)洹⒖刂撇呗远加卸喾N方式可以選擇，如功率器件有scr（晶閘管，thyristor）、gto（門極關(guān)斷晶閘管，gateturn-offthyristor）、igbt（絕緣柵雙極晶體管，insulated-gatebipolartransistor）、igct（集成門極換流晶閘管，integratedgatecommutatedthyristor，是一種新型半導(dǎo)體功率器件，在gto的基礎(chǔ)發(fā)展起來的）等；主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可選擇兩電平、三電平、負(fù)載換相式scr電流型變頻器等，控制策略可選擇v/f控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、脈沖寬度調(diào)制（pwm）或脈沖幅度調(diào)制（pam）等；電壓也有高壓（3～6kv，主要是大容量的同步或異步電動(dòng)機(jī)）、中壓或抵壓（如一般的小功率380v和軋鋼輔傳動(dòng)的電動(dòng)機(jī)）等。此外，變頻調(diào)速還有變極調(diào)速，無級(jí)調(diào)速還有矢量控制方式、變壓變頻（vvvf）控制方式等，價(jià)格極為不同，如何選擇是一大問題。表3示出了我國寶鋼從日本引進(jìn)的于1989年投產(chǎn)的1900mm板坯連鑄全交流方式。從表中可以看出，變頻調(diào)速采用變極、vvvf和矢量變換控制三種方式，在調(diào)速要求不需無級(jí)的只須有限變速的采用變極控制方式，要求速度控制不嚴(yán)格的如輥道速度控制采用變壓變頻（vvvf）方式，要求速度控制嚴(yán)格的才采用矢量變換控制方式，這樣目的是節(jié)約投資和簡化維護(hù)，這種按工藝要求選擇變頻器的方法可作為為其他車間交流化作為準(zhǔn)則，如燒結(jié)的全交流化，其配料的變頻器采用vvvf方式，臺(tái)車采用矢量變換控制方式。
對(duì)于變頻器生產(chǎn)，國外電氣公司都已產(chǎn)業(yè)化了，如德國西門子、法國阿爾斯通、瑞典abb、美國ge、意大利ansoldo、日本日立、日本三菱、日本安川等公司都生產(chǎn)各種容量、不同電壓的通用變頻器可供選用，選擇時(shí)可適當(dāng)參照其業(yè)績及在類似或同樣機(jī)組使用情況和經(jīng)驗(yàn)與效果。變頻所用電動(dòng)機(jī)也需注意，一般1000kw以下的電動(dòng)機(jī)，采用異步電動(dòng)機(jī)性能價(jià)格比較好，對(duì)于容量較大的可采用同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)一般采用線繞電機(jī)，而容量較小的電動(dòng)機(jī)一般采用鼠籠電機(jī)。由于傳動(dòng)控制系統(tǒng)一般采用pwm變頻器，故電機(jī)也須特殊設(shè)計(jì)，以滿足pwm變頻調(diào)速的要求（按不同機(jī)組情況，包括允許過載%、過載時(shí)間、工作制、絕緣等級(jí)、保護(hù)等級(jí)、額定電壓等）。一般來說，還須考慮電源污染對(duì)電網(wǎng)造成的影響問題，特別對(duì)容量特大并使用交—交變頻裝置的場合，考慮裝設(shè)無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（svc）是要認(rèn)真考慮的。
?。?）鋼鐵工業(yè)耗電量極大，我國電工產(chǎn)品耗電約占全國總發(fā)電量的70%，而冶金系統(tǒng)年耗電量約占全國發(fā)電量的9.3%左右[1>，驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)占很大一部分，其中要求調(diào)速的占80%以上（據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼鐵工業(yè)要求調(diào)速的電動(dòng)機(jī)從數(shù)量上說約為20%，而容量上說卻占80%），故其有效操作和節(jié)能降耗是至關(guān)重要的。（2）鋼鐵工業(yè)產(chǎn)量大、經(jīng)濟(jì)效益大，要求作業(yè)率高。如板帶熱連軋廠年產(chǎn)量大都超過600萬噸，稍有故障停車，損失就很大，故提高作業(yè)率極為重要。鋼鐵企業(yè)使用的電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，由于許多要求調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電氣控制系統(tǒng)有一定的要求，如調(diào)速范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、靜差度等，過去直流電動(dòng)機(jī)一直占主導(dǎo)地位，但直流電動(dòng)機(jī)有一系列缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)上有換向器及電刷使日常維護(hù)量增加、電刷與整流子經(jīng)常產(chǎn)生火花而要求安裝環(huán)境較好及不能用于易燃易爆場所、與同容量交流電動(dòng)機(jī)比體積和重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都較大、價(jià)格也較高、效率比交流電動(dòng)機(jī)低2～3%等，交流電動(dòng)機(jī)則無直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，維護(hù)量較少，作業(yè)率較高。特別是近十多年隨著電力電子和微電子技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)代控制理論應(yīng)用，使交流調(diào)速迅速發(fā)展，其調(diào)速特性與直流調(diào)速性能完全一樣甚至超過，完全可代替直流電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)。（3）變頻調(diào)速經(jīng)濟(jì)效益高。交流調(diào)速有多種方法（異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，液力耦合器調(diào)速、機(jī)械差動(dòng)調(diào)速、變頻調(diào)速等），但主流是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的變頻電源有旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組和靜止變頻裝置。前者由異步或同步電動(dòng)機(jī)—直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)—同步發(fā)電機(jī)兩套機(jī)組組成。后者則由電力電子器件和微電子器件組成，無可動(dòng)部分。由于旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組設(shè)備龐大、有可動(dòng)部分、維護(hù)量大、效率低和性能差，故已被靜止變頻裝置代替?，F(xiàn)在所指的變頻調(diào)速是指靜止變頻調(diào)速裝置（變頻器）。據(jù)統(tǒng)計(jì)使用靜止變頻調(diào)速以后，可節(jié)電1～3%。因此交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和變頻調(diào)速在鋼鐵廠已廣泛應(yīng)用[2>，特別是新建的機(jī)組，甚至大功率（單機(jī)達(dá)10000kw）、要求嚴(yán)格的帶鋼熱連軋機(jī)也使用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流調(diào)速。
?。步涣髡{(diào)速及變頻器在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)展變頻調(diào)速在鋼鐵工業(yè)的應(yīng)用，經(jīng)過多個(gè)階段。
交流調(diào)速開始為節(jié)能而用于風(fēng)機(jī)、水泵代替要耗能的恒速運(yùn)行但調(diào)節(jié)閥門的方法，到上世紀(jì)80年代初日本川崎鋼鐵公司首先在連鑄車間全交流化，取得了良好的效果，以后，不但在連鑄車間使用，而且推及到各工序、各車間全交流化。由于由于熱軋板帶軋機(jī)要求嚴(yán)格、產(chǎn)量大（年產(chǎn)600萬噸以上），稍有故障或性能達(dá)不到要求，損失就很大,故直到數(shù)字控制技術(shù)和矢量控制技術(shù)完全實(shí)用化（矢量控制的電動(dòng)機(jī)軸上裝有脈沖發(fā)生器，并以此進(jìn)行速度反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，用數(shù)字控制方式進(jìn)行速度控制或力矩控制，因而調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高，動(dòng)態(tài)性能已達(dá)到直流調(diào)速。而vvvf控制為開環(huán)系統(tǒng)，按照電壓／頻率（v/f）一定，用模擬技術(shù)進(jìn)行控制，因而調(diào)速范圍小，約為1:40，調(diào)速精度受限制，動(dòng)態(tài)性能不如直流調(diào)速，尤其是小容量、低速情況下不理想），才為熱軋板帶軋鋼廠軋機(jī)主傳動(dòng)交流化創(chuàng)造基礎(chǔ)，但開始仍只限于在要求沒有串列的精軋機(jī)嚴(yán)格的粗軋機(jī)，然后經(jīng)過試驗(yàn)和多年后才用于精軋機(jī)。
要求嚴(yán)格、技術(shù)復(fù)雜和產(chǎn)量大的熱軋板帶軋機(jī)工廠實(shí)現(xiàn)全交流化，事實(shí)上鋼鐵工業(yè)全交流化就已實(shí)現(xiàn)，冷板帶連軋機(jī)、中厚板軋機(jī)、線棒軋機(jī)、型鋼軋機(jī)、鋼管軋機(jī)包括主、輔傳動(dòng)都相繼使用交流變頻調(diào)速。
直接連接（非高—低—高變換）式的高壓交流變頻調(diào)速裝置的研制成功，使那些需要調(diào)速6kv的高壓電動(dòng)機(jī)，如礦井提升機(jī)也得到解決。由于傳動(dòng)裝置和變頻裝置是工業(yè)控制的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在cims系統(tǒng)六級(jí)結(jié)構(gòu)中屬于l1級(jí)，要實(shí)現(xiàn)全線或部分自動(dòng)化，需要與plc或工業(yè)控制器相連，也開發(fā)了“傳動(dòng)—plc一體化”，它一般通過現(xiàn)場總線相連。
3 交流調(diào)速及變頻器實(shí)際應(yīng)用中要注意的幾個(gè)問題
變頻裝置主要分為交—直—交變頻和交—交變頻兩大類，交—直—交變頻又可分為電壓型和電流型兩大類，交—交變頻多為電壓型，也有少量使用電流型。變頻控制方式分為電壓型、電流型、脈沖寬度調(diào)制型等。其主回路的拓?fù)洹⒖刂撇呗远加卸喾N方式可以選擇，如功率器件有scr（晶閘管，thyristor）、gto（門極關(guān)斷晶閘管，gateturn-offthyristor）、igbt（絕緣柵雙極晶體管，insulated-gatebipolartransistor）、igct（集成門極換流晶閘管，integratedgatecommutatedthyristor，是一種新型半導(dǎo)體功率器件，在gto的基礎(chǔ)發(fā)展起來的）等；主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可選擇兩電平、三電平、負(fù)載換相式scr電流型變頻器等，控制策略可選擇v/f控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、脈沖寬度調(diào)制（pwm）或脈沖幅度調(diào)制（pam）等；電壓也有高壓（3～6kv，主要是大容量的同步或異步電動(dòng)機(jī)）、中壓或抵壓（如一般的小功率380v和軋鋼輔傳動(dòng)的電動(dòng)機(jī)）等。此外，變頻調(diào)速還有變極調(diào)速，無級(jí)調(diào)速還有矢量控制方式、變壓變頻（vvvf）控制方式等，價(jià)格極為不同，如何選擇是一大問題。表3示出了我國寶鋼從日本引進(jìn)的于1989年投產(chǎn)的1900mm板坯連鑄全交流方式。從表中可以看出，變頻調(diào)速采用變極、vvvf和矢量變換控制三種方式，在調(diào)速要求不需無級(jí)的只須有限變速的采用變極控制方式，要求速度控制不嚴(yán)格的如輥道速度控制采用變壓變頻（vvvf）方式，要求速度控制嚴(yán)格的才采用矢量變換控制方式，這樣目的是節(jié)約投資和簡化維護(hù)，這種按工藝要求選擇變頻器的方法可作為為其他車間交流化作為準(zhǔn)則，如燒結(jié)的全交流化，其配料的變頻器采用vvvf方式，臺(tái)車采用矢量變換控制方式。
對(duì)于變頻器生產(chǎn)，國外電氣公司都已產(chǎn)業(yè)化了，如德國西門子、法國阿爾斯通、瑞典abb、美國ge、意大利ansoldo、日本日立、日本三菱、日本安川等公司都生產(chǎn)各種容量、不同電壓的通用變頻器可供選用，選擇時(shí)可適當(dāng)參照其業(yè)績及在類似或同樣機(jī)組使用情況和經(jīng)驗(yàn)與效果。變頻所用電動(dòng)機(jī)也需注意，一般1000kw以下的電動(dòng)機(jī)，采用異步電動(dòng)機(jī)性能價(jià)格比較好，對(duì)于容量較大的可采用同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)一般采用線繞電機(jī)，而容量較小的電動(dòng)機(jī)一般采用鼠籠電機(jī)。由于傳動(dòng)控制系統(tǒng)一般采用pwm變頻器，故電機(jī)也須特殊設(shè)計(jì)，以滿足pwm變頻調(diào)速的要求（按不同機(jī)組情況，包括允許過載%、過載時(shí)間、工作制、絕緣等級(jí)、保護(hù)等級(jí)、額定電壓等）。一般來說，還須考慮電源污染對(duì)電網(wǎng)造成的影響問題，特別對(duì)容量特大并使用交—交變頻裝置的場合，考慮裝設(shè)無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（svc）是要認(rèn)真考慮的。
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