冶金工業的變頻器應用與維護（五）

浙江工商職業技術學院 李方園

1 前言

軋機主傳動要求電氣傳動具有很高的動態響應和相當高的過載能力，這一領域長期以來一直被直流電機傳動所壟斷，但由于直流電機存在換向問題，造成換向器、電刷等部件的維護工作量大增，而且直流電機在提高單機大容量、提高過載能力、降低轉動慣量以及簡化維護方面都受到了很大限制，已經不能滿足軋機向大型化、高速化方向的發展。

自20世紀70年代起，隨著交流傳動矢量控制理論的產生及其應用的推廣，世界發達國家都投入大量的人力物力對軋機主傳動進行研究，到目前，在世界上已經有數百臺1000kW以上的交流變頻軋機投入工作，至于中小軋機采用變頻器的更是不計其數。

2 軋機傳動對電氣傳動系統的要求

電氣傳動系統作為電能與機械能的轉換環節，應滿足生產工藝的需要，同時又要適應電網的要求，實現高效率運行和高水平生產。在選擇軋機主傳動電機調速系統時應考慮以下因素：

2.1 滿足工藝要求和傳動系統的性能指標

電機調速系統應滿足軋制材料的生產所要求的軋制功率、轉矩、轉速、調速范圍，根據軋制的最大負荷確定傳動系統的過載能力，同時要考慮電機是否可逆運轉、加減速時間、恒轉矩和恒功率運行的范圍等。而作為電氣傳動系統，還應考慮電機調速控制系統的性能指標、速度控制精度、轉矩或電流控制的動態響應、速度控制的動態響應等。

軋機按照生產工藝大致可分為中厚板軋機、熱連軋機、冷連軋機、高速線材軋機和冷軋加工線。由表1可見，中厚板和熱連軋機的粗軋機屬于低速大容量可逆軋機，要求大轉矩大過載能力，電機功率5MW～12MW，轉速在50rpm左右，過載2.5倍以上，但對速度精度和動態響應的要求不高。熱連軋精軋機傳動功率大，電機功率5MW～10MW，但轉速不高于600rpm，電機單方向連續運行，過載1.5倍，要求傳動系統具有0.1%的速度精度和高于30rad/s的動態響應。而連軋機功率2MW～6MW，對傳動系統的性能指標要求最高，速度精度為0.01%，動態響應達到60rad/s。冷連軋加工線傳動的功率都不大，但系統性能指標要求與冷連軋相同。型鋼軋機由于是靠孔形來保證產品的精度和形狀，故對電氣傳動系統的性能指標要求不高，見表1。

2.2 適應電網要求

根據電氣傳動系統中電機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的電流諧波和功率因素是否滿足供電系統的規定和要求，考慮是否增加諧波濾波與無功補償裝置。

2.3 自動化控制要求

自動化控制是保證軋機生產工藝的關鍵，以棒、線材軋機的連軋控制系統為例，它包含以下幾個控制要點：

（1）速度級聯控制

在鋼材連軋機中，為保證成品質量，以成品機架—末機架為基準機架，保持其速度不變，并作為基準速度設定，其前面機架速度根據金屬秒流量相等的原理，自動按比例設定；在軋制過程中來自活套閉環控制的調節量、手動干預調節量，依次按逆軋制方向對其前面的各機架速度作增減，實現級聯控制。在軋制不同規格的鋼材時，從軋制表中得到指定的末機架號，和該末機架在此規格最高軋制線速度VLMax，及當前選擇的軋制總量百分比VL%，計算出末機架速度。

（2）活套控制

在鋼材連軋線中，為保證成品質量，避免由于各種原因導致的推鋼、活套是由于在機架間存儲了多余軋線長度的軋件而引起的，也正是由于這些多余的軋件，起到了對軋件推拉的有效緩沖。在控制過程中，以活套套量為目標，以速度調節為手段，即可達到控制活套的目的。具體方法為：當活套套量超過設定值時，就降低上游機架的速度；反之，則升高上游機架的速度。

（3）微張力控制

微張力控制采用電流記憶法。當一根鋼頭部咬入第n架軋機，電動機動態速降恢復后，直到該塊鋼咬入第n+1架前這段時間。對于第n架軋機而言，相當于無前張力的自由軋制，濾波后采樣此時的軋制電流即視為自由軋制電流。當該塊鋼咬入第n+1架，且動態速降恢復后，濾波后再次采樣此時電流，若兩機架間存在張力偏差，必然有電流的偏差，根據電機學的有關公式，可以得到張力差，根據張力偏差對速度進行修證，調節第n架及其以前的軋機速度，達到微張力狀態，根據坯料的前進過程依次按照上述過程不斷調節，全線所有微張力閉環控制的軋機達到微張力狀態。

表1 各軋機工藝對電氣傳動技術性能的要求

3 交交變頻器在大型軋機中的應用

首先成功應用于軋機的交流傳動是交-交變頻器同步電動機傳動，它應用于我國多套軋機，如鞍鋼初軋機、大型材軋機、寶鋼連軋機、邯鋼板坯連鑄軋機、攀鋼連軋機等。交-交變頻器主回路本質上是三套可逆反并聯直流晶閘管調速裝置，每相一套。輸出的波形是正負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，其調速范圍、調速精度、動態響應均能滿足軋鋼工藝的要求。

圖1所示為1450主傳動交交變頻全數字矢量控制系統，它主要由6個交交變頻主柜、1個勵磁柜、1個SIMADYND控制柜、一個繼開柜、3個吸收柜組成。主傳動控制系統主回路中，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、無負荷隔離開關、交流同步電機等組成；而轉子(激磁)主回路由斷路器、進線電抗器、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，這使變壓器二次側繞組相位相差一定的電角度，這樣做可以減少電網的諧波。電動機的激磁繞組(即轉子繞組)由4臺整流變壓器供電，有兩臺分別為粗軋R2的上下輥的勵磁供電;2臺給精軋F1-F6的勵磁供電，這2臺互為備用，正常情況下1臺運行，每臺電機轉子激磁回路由單獨的六脈沖整流橋供電。每套變頻器由6個可控硅柜組成，2套變頻器并聯組成一相變頻器，分為主從柜，每個變頻柜是一套三相橋式無環流反并聯連接的單相輸出的交-交變頻器，由6個單相交-交變頻器柜組成一套輸出Y連接方式的三相交-交變頻器。電動機采用東電(粗軋)和哈爾濱(精軋)直流激磁凸極式轉子交流同步電機。R2機架上/下輥傳動各有一臺電機傳動，功率均為5000kW，精軋每個機架各有一臺電機傳動，F1-F4功率為5000kW，F5-F6功率為4000kW；所有電機都采用Y形接線方式。

圖1 交－交高壓變頻器在軋機中的應用

4 高壓交－直－交變頻器在軋機中的應用

隨著PWM技術的發展，現代變頻器均以PWM為核心，輸出波形好，頻率調節范圍寬，控制算法簡單，其開關器件為IGBT，這種變頻器在低壓獲得廣泛應用，普通的PWM變頻器輸入側為不可控的全波整流橋，不能實現能量回饋，電動機不能實現四象限運行，為了制動，一般采用直流環節加裝能耗制動電阻的辦法。對于軋機電動機電壓一般為3.3kV或6kV，需要有高壓變頻器，如圖2所示。

另外為了軋機快速性的要求，即快速正反轉運行，高壓變頻器需要四象限運行，因此發展一種輸入輸出雙向對稱的變頻系統，也稱AFE，如圖3所示。

整流橋與逆變橋為相同的結構，整流橋供電側串聯電感，控制直流電壓水平，達到調節功率因數的作用，電動狀態從電源取得功率，調節支流電壓使電流與輸入電壓同相，即cosφ=1；再生發電時，電動機的能量回饋給直流環節，整流橋逆變回饋電網，同樣控制直流電壓水平，使回饋電流與電網輸入電壓反相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與直流環節電壓成正比例。I為交流相電流。

所謂三電平，即將直流環節用電容分隔成兩半，形成P(UDC+)，Z(0)，N(UDC-)三個電平，每個半橋臂由二極管將串聯的2個開關管中點箝位于Z(0)上。當上橋臂的上下兩管同時導通時輸出UDC+，當上管截止，下管導通，而且下橋臂的上管也導通(下管截止)時，輸出Z(0)，即0電平。下半橋臂同樣，如兩管同時導通時，輸出UDC-，只有這三種導通狀態。這樣輸出電壓波形成臺階狀，電壓波形接近正弦波，電流正弦波，如圖4所示。

圖2 3300V雙向對稱三電平功率橋

圖3 AFE單相等值電路

圖4 輸出電壓電流波形

這樣的系統最大優點就是保證輸入功率因數為1，電網無諧波干擾，清潔能源。這樣使用這種變頻器完全省去了動態補償裝置，大大節省了投資，也減少運行費用。這樣的系統是比較理想的。

這樣系統的關鍵技術在于開關器件，首先使用的是GTO(門極可關斷晶閘管)在鞍鋼熱連軋機組上采用日本三菱公司生產的MELVEC-3000系統10套總容量70MW。GTO器件雖然是可關斷器件，但是關斷功率大，損耗大，di/dt，dv/dt吸收回路復雜。

ABB公司在GTO的基礎上研制出一種IGCT(門極集成換流晶閘管)把門極控制回路集成在器件上，用戶只須提供一個電源（20V、15W）和光導纖維控制信號就可以工作了，開關頻率為1kHz，該器件采用特殊的緩沖層結構，使其導通壓降特別小，開、關損耗小，承受的di/dt，dv/dt大，并且反向同一個芯片上造一個逆導兩極管。該器件串聯使用時均勻性好，可以無吸收電路工作。

5 結束語

在軋機系統中采用變頻器，穩定性和可靠性高，調節特性好。變頻調速使電機運行狀況明顯改善，維護量大大減少，同時大大減少機械系統的變速機構和控制機構，使系統更加方便操作，設備工作效率更高。軋機變頻系統采用過流、過壓、瞬時斷電、短路、欠壓、缺相等多種保護，避免了因此造成電機燒損而影響生產所帶來的直接和間接經濟損失。更為重要的是它的節能效果好，取得了可觀的經濟效益。

[1] 李方園. 變頻器行業應用實踐[M]. 北京: 中國電力出版社, 2006.

[2] 高壓變頻器在軋機上的應用, www.ca800.com.

[3] 大功率變流技術在鋼鐵工業中的應用, www.ca800.com.