冶金工業(yè)的變頻器應(yīng)用與維護(hù)（五）

浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李方園

1 前言

軋機(jī)主傳動(dòng)要求電氣傳動(dòng)具有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和相當(dāng)高的過(guò)載能力，這一領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)一直被直流電機(jī)傳動(dòng)所壟斷，但由于直流電機(jī)存在換向問(wèn)題，造成換向器、電刷等部件的維護(hù)工作量大增，而且直流電機(jī)在提高單機(jī)大容量、提高過(guò)載能力、降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及簡(jiǎn)化維護(hù)方面都受到了很大限制，已經(jīng)不能滿足軋機(jī)向大型化、高速化方向的發(fā)展。

自20世紀(jì)70年代起，隨著交流傳動(dòng)矢量控制理論的產(chǎn)生及其應(yīng)用的推廣，世界發(fā)達(dá)國(guó)家都投入大量的人力物力對(duì)軋機(jī)主傳動(dòng)進(jìn)行研究，到目前，在世界上已經(jīng)有數(shù)百臺(tái)1000kW以上的交流變頻軋機(jī)投入工作，至于中小軋機(jī)采用變頻器的更是不計(jì)其數(shù)。

2 軋機(jī)傳動(dòng)對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的要求

電氣傳動(dòng)系統(tǒng)作為電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的需要，同時(shí)又要適應(yīng)電網(wǎng)的要求，實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行和高水平生產(chǎn)。在選擇軋機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮以下因素：

2.1 滿足工藝要求和傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)

電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)滿足軋制材料的生產(chǎn)所要求的軋制功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、調(diào)速范圍，根據(jù)軋制的最大負(fù)荷確定傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)載能力，同時(shí)要考慮電機(jī)是否可逆運(yùn)轉(zhuǎn)、加減速時(shí)間、恒轉(zhuǎn)矩和恒功率運(yùn)行的范圍等。而作為電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，還應(yīng)考慮電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)、速度控制精度、轉(zhuǎn)矩或電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、速度控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。

軋機(jī)按照生產(chǎn)工藝大致可分為中厚板軋機(jī)、熱連軋機(jī)、冷連軋機(jī)、高速線材軋機(jī)和冷軋加工線。由表1可見(jiàn)，中厚板和熱連軋機(jī)的粗軋機(jī)屬于低速大容量可逆軋機(jī)，要求大轉(zhuǎn)矩大過(guò)載能力，電機(jī)功率5MW～12MW，轉(zhuǎn)速在50rpm左右，過(guò)載2.5倍以上，但對(duì)速度精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求不高。熱連軋精軋機(jī)傳動(dòng)功率大，電機(jī)功率5MW～10MW，但轉(zhuǎn)速不高于600rpm，電機(jī)單方向連續(xù)運(yùn)行，過(guò)載1.5倍，要求傳動(dòng)系統(tǒng)具有0.1%的速度精度和高于30rad/s的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。而連軋機(jī)功率2MW～6MW，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求最高，速度精度為0.01%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)到60rad/s。冷連軋加工線傳動(dòng)的功率都不大，但系統(tǒng)性能指標(biāo)要求與冷連軋相同。型鋼軋機(jī)由于是靠孔形來(lái)保證產(chǎn)品的精度和形狀，故對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求不高，見(jiàn)表1。

2.2 適應(yīng)電網(wǎng)要求

根據(jù)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)和電力電子變換器的能量變換效率，電力電子變換器注入電網(wǎng)的電流諧波和功率因素是否滿足供電系統(tǒng)的規(guī)定和要求，考慮是否增加諧波濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置。

2.3 自動(dòng)化控制要求

自動(dòng)化控制是保證軋機(jī)生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵，以棒、線材軋機(jī)的連軋控制系統(tǒng)為例，它包含以下幾個(gè)控制要點(diǎn)：

（1）速度級(jí)聯(lián)控制

在鋼材連軋機(jī)中，為保證成品質(zhì)量，以成品機(jī)架—末機(jī)架為基準(zhǔn)機(jī)架，保持其速度不變，并作為基準(zhǔn)速度設(shè)定，其前面機(jī)架速度根據(jù)金屬秒流量相等的原理，自動(dòng)按比例設(shè)定；在軋制過(guò)程中來(lái)自活套閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)量、手動(dòng)干預(yù)調(diào)節(jié)量，依次按逆軋制方向?qū)ζ淝懊娴母鳈C(jī)架速度作增減，實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)控制。在軋制不同規(guī)格的鋼材時(shí)，從軋制表中得到指定的末機(jī)架號(hào)，和該末機(jī)架在此規(guī)格最高軋制線速度VLMax，及當(dāng)前選擇的軋制總量百分比VL%，計(jì)算出末機(jī)架速度。

（2）活套控制

在鋼材連軋線中，為保證成品質(zhì)量，避免由于各種原因?qū)е碌耐其摗⒒钐资怯捎谠跈C(jī)架間存儲(chǔ)了多余軋線長(zhǎng)度的軋件而引起的，也正是由于這些多余的軋件，起到了對(duì)軋件推拉的有效緩沖。在控制過(guò)程中，以活套套量為目標(biāo)，以速度調(diào)節(jié)為手段，即可達(dá)到控制活套的目的。具體方法為：當(dāng)活套套量超過(guò)設(shè)定值時(shí)，就降低上游機(jī)架的速度；反之，則升高上游機(jī)架的速度。

（3）微張力控制

微張力控制采用電流記憶法。當(dāng)一根鋼頭部咬入第n架軋機(jī)，電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)速降恢復(fù)后，直到該塊鋼咬入第n+1架前這段時(shí)間。對(duì)于第n架軋機(jī)而言，相當(dāng)于無(wú)前張力的自由軋制，濾波后采樣此時(shí)的軋制電流即視為自由軋制電流。當(dāng)該塊鋼咬入第n+1架，且動(dòng)態(tài)速降恢復(fù)后，濾波后再次采樣此時(shí)電流，若兩機(jī)架間存在張力偏差，必然有電流的偏差，根據(jù)電機(jī)學(xué)的有關(guān)公式，可以得到張力差，根據(jù)張力偏差對(duì)速度進(jìn)行修證，調(diào)節(jié)第n架及其以前的軋機(jī)速度，達(dá)到微張力狀態(tài)，根據(jù)坯料的前進(jìn)過(guò)程依次按照上述過(guò)程不斷調(diào)節(jié)，全線所有微張力閉環(huán)控制的軋機(jī)達(dá)到微張力狀態(tài)。

表1 各軋機(jī)工藝對(duì)電氣傳動(dòng)技術(shù)性能的要求

3 交交變頻器在大型軋機(jī)中的應(yīng)用

首先成功應(yīng)用于軋機(jī)的交流傳動(dòng)是交-交變頻器同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，它應(yīng)用于我國(guó)多套軋機(jī)，如鞍鋼初軋機(jī)、大型材軋機(jī)、寶鋼連軋機(jī)、邯鋼板坯連鑄軋機(jī)、攀鋼連軋機(jī)等。交-交變頻器主回路本質(zhì)上是三套可逆反并聯(lián)直流晶閘管調(diào)速裝置，每相一套。輸出的波形是正負(fù)可變的緩慢變化的直流波形，輸出的頻率為電源頻率的1/3以下。交交變頻采用矢量控制，其調(diào)速范圍、調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)均能滿足軋鋼工藝的要求。

圖1所示為1450主傳動(dòng)交交變頻全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)，它主要由6個(gè)交交變頻主柜、1個(gè)勵(lì)磁柜、1個(gè)SIMADYND控制柜、一個(gè)繼開(kāi)柜、3個(gè)吸收柜組成。主傳動(dòng)控制系統(tǒng)主回路中，定子主回路由高壓斷路器、整流變壓器、三相交-交變頻器、快開(kāi)、無(wú)負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)、交流同步電機(jī)等組成；而轉(zhuǎn)子(激磁)主回路由斷路器、進(jìn)線電抗器、激磁整流器等組成。整流變壓器采用不同形式的連接方式，即d/d0和d/y11，這使變壓器二次側(cè)繞組相位相差一定的電角度，這樣做可以減少電網(wǎng)的諧波。電動(dòng)機(jī)的激磁繞組(即轉(zhuǎn)子繞組)由4臺(tái)整流變壓器供電，有兩臺(tái)分別為粗軋R2的上下輥的勵(lì)磁供電;2臺(tái)給精軋F(tuán)1-F6的勵(lì)磁供電，這2臺(tái)互為備用，正常情況下1臺(tái)運(yùn)行，每臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子激磁回路由單獨(dú)的六脈沖整流橋供電。每套變頻器由6個(gè)可控硅柜組成，2套變頻器并聯(lián)組成一相變頻器，分為主從柜，每個(gè)變頻柜是一套三相橋式無(wú)環(huán)流反并聯(lián)連接的單相輸出的交-交變頻器，由6個(gè)單相交-交變頻器柜組成一套輸出Y連接方式的三相交-交變頻器。電動(dòng)機(jī)采用東電(粗軋)和哈爾濱(精軋)直流激磁凸極式轉(zhuǎn)子交流同步電機(jī)。R2機(jī)架上/下輥傳動(dòng)各有一臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)，功率均為5000kW，精軋每個(gè)機(jī)架各有一臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)，F(xiàn)1-F4功率為5000kW，F(xiàn)5-F6功率為4000kW；所有電機(jī)都采用Y形接線方式。

圖1 交－交高壓變頻器在軋機(jī)中的應(yīng)用

4 高壓交－直－交變頻器在軋機(jī)中的應(yīng)用

隨著PWM技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代變頻器均以PWM為核心，輸出波形好，頻率調(diào)節(jié)范圍寬，控制算法簡(jiǎn)單，其開(kāi)關(guān)器件為IGBT，這種變頻器在低壓獲得廣泛應(yīng)用，普通的PWM變頻器輸入側(cè)為不可控的全波整流橋，不能實(shí)現(xiàn)能量回饋，電動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，為了制動(dòng)，一般采用直流環(huán)節(jié)加裝能耗制動(dòng)電阻的辦法。對(duì)于軋機(jī)電動(dòng)機(jī)電壓一般為3.3kV或6kV，需要有高壓變頻器，如圖2所示。

另外為了軋機(jī)快速性的要求，即快速正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，高壓變頻器需要四象限運(yùn)行，因此發(fā)展一種輸入輸出雙向?qū)ΨQ的變頻系統(tǒng)，也稱AFE，如圖3所示。

整流橋與逆變橋?yàn)橄嗤慕Y(jié)構(gòu)，整流橋供電側(cè)串聯(lián)電感，控制直流電壓水平，達(dá)到調(diào)節(jié)功率因數(shù)的作用，電動(dòng)狀態(tài)從電源取得功率，調(diào)節(jié)支流電壓使電流與輸入電壓同相，即cosφ=1；再生發(fā)電時(shí)，電動(dòng)機(jī)的能量回饋給直流環(huán)節(jié)，整流橋逆變回饋電網(wǎng)，同樣控制直流電壓水平，使回饋電流與電網(wǎng)輸入電壓反相180°，cosφ=1。其工作原理向量圖如圖3所示。其中UN為電網(wǎng)電壓；UB為整流橋段電壓；UL為輸入電抗壓降（包括變壓器漏抗）；UB與直流環(huán)節(jié)電壓成正比例。I為交流相電流。

所謂三電平，即將直流環(huán)節(jié)用電容分隔成兩半，形成P(UDC+)，Z(0)，N(UDC-)三個(gè)電平，每個(gè)半橋臂由二極管將串聯(lián)的2個(gè)開(kāi)關(guān)管中點(diǎn)箝位于Z(0)上。當(dāng)上橋臂的上下兩管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)輸出UDC+，當(dāng)上管截止，下管導(dǎo)通，而且下橋臂的上管也導(dǎo)通(下管截止)時(shí)，輸出Z(0)，即0電平。下半橋臂同樣，如兩管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出UDC-，只有這三種導(dǎo)通狀態(tài)。這樣輸出電壓波形成臺(tái)階狀，電壓波形接近正弦波，電流正弦波，如圖4所示。

圖2 3300V雙向?qū)ΨQ三電平功率橋

圖3 AFE單相等值電路

圖4 輸出電壓電流波形

這樣的系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)就是保證輸入功率因數(shù)為1，電網(wǎng)無(wú)諧波干擾，清潔能源。這樣使用這種變頻器完全省去了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，大大節(jié)省了投資，也減少運(yùn)行費(fèi)用。這樣的系統(tǒng)是比較理想的。

這樣系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于開(kāi)關(guān)器件，首先使用的是GTO(門(mén)極可關(guān)斷晶閘管)在鞍鋼熱連軋機(jī)組上采用日本三菱公司生產(chǎn)的MELVEC-3000系統(tǒng)10套總?cè)萘?0MW。GTO器件雖然是可關(guān)斷器件，但是關(guān)斷功率大，損耗大，di/dt，dv/dt吸收回路復(fù)雜。

ABB公司在GTO的基礎(chǔ)上研制出一種IGCT(門(mén)極集成換流晶閘管)把門(mén)極控制回路集成在器件上，用戶只須提供一個(gè)電源（20V、15W）和光導(dǎo)纖維控制信號(hào)就可以工作了，開(kāi)關(guān)頻率為1kHz，該器件采用特殊的緩沖層結(jié)構(gòu)，使其導(dǎo)通壓降特別小，開(kāi)、關(guān)損耗小，承受的di/dt，dv/dt大，并且反向同一個(gè)芯片上造一個(gè)逆導(dǎo)兩極管。該器件串聯(lián)使用時(shí)均勻性好，可以無(wú)吸收電路工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

在軋機(jī)系統(tǒng)中采用變頻器，穩(wěn)定性和可靠性高，調(diào)節(jié)特性好。變頻調(diào)速使電機(jī)運(yùn)行狀況明顯改善，維護(hù)量大大減少，同時(shí)大大減少機(jī)械系統(tǒng)的變速機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)更加方便操作，設(shè)備工作效率更高。軋機(jī)變頻系統(tǒng)采用過(guò)流、過(guò)壓、瞬時(shí)斷電、短路、欠壓、缺相等多種保護(hù)，避免了因此造成電機(jī)燒損而影響生產(chǎn)所帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。更為重要的是它的節(jié)能效果好，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 李方園. 變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2006.

[2] 高壓變頻器在軋機(jī)上的應(yīng)用, www.ca800.com.

[3] 大功率變流技術(shù)在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用, www.ca800.com.