軋鋼系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)分析

邊 軍

(大連弘達(dá)電氣股份有限公司， 遼寧 大連 116023)

引 言

鋼鐵行業(yè)有很多要求調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，對(duì)電氣控制系統(tǒng)有嚴(yán)格要求，如調(diào)速范圍、靜差度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、恒張力等。過(guò)去，由于交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足這些要求，因此直流電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)主要地位。但是，直流電動(dòng)機(jī)有很多難以克服的缺點(diǎn)，如換向器與電刷需定期檢查、調(diào)整與更換，電刷與整流子之間經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生火花，直流電機(jī)體積大、質(zhì)量重、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，制造大容量及高轉(zhuǎn)速的直流電動(dòng)機(jī)比較困難等。而隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，交流調(diào)速系統(tǒng)不僅克服了直流調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，還充分發(fā)揮了交流調(diào)速系統(tǒng)固有的優(yōu)點(diǎn)，使其調(diào)速性能與直流調(diào)速性能完全一樣，甚至還優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)，如飛輪力矩小、交流系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程快、采用同步電動(dòng)機(jī)時(shí)主回路功率因數(shù)高等。但是，從成本來(lái)看，交流調(diào)速一般比直流調(diào)速系統(tǒng)貴，所以，在選擇傳動(dòng)方案時(shí)，宜進(jìn)行細(xì)致的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定[1]。

雖然長(zhǎng)期以來(lái)在調(diào)速領(lǐng)域里一直是直流傳動(dòng)占統(tǒng)治地位，近些年隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速與直流調(diào)速相比，交流調(diào)速采用變頻裝置增加的成本已能由采用交流電動(dòng)機(jī)而節(jié)約的成本所補(bǔ)償。采用矢量控制后，交流調(diào)速的性能也能做到和直流調(diào)速一樣，因此在許多直流調(diào)速的世襲領(lǐng)域里出現(xiàn)了以交流調(diào)速取代直流調(diào)速的趨勢(shì)[2]。

軋鋼機(jī)主傳動(dòng)的特點(diǎn)是傳動(dòng)系統(tǒng)功率大、過(guò)載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、力矩脈動(dòng)小。由于軋鋼機(jī)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求較高，所以長(zhǎng)期以來(lái)一直采用直流傳動(dòng)技術(shù)[3]。但是，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)上存在換向問(wèn)題，有不少眾所周知的缺點(diǎn)及難以克服的難題，限制了直流傳動(dòng)的發(fā)展。交流電動(dòng)機(jī)能夠克服直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、維護(hù)工作量小、效率高、動(dòng)態(tài)性能好，單機(jī)容量可以突破直流電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速極限，具有許多直流電動(dòng)機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此，采用交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)一直是傳動(dòng)技術(shù)的努力方向。自從1980年世界上第一臺(tái)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)成功地用于軋鋼機(jī)主傳動(dòng)以來(lái)，交流傳動(dòng)技術(shù)在軋鋼機(jī)主傳動(dòng)的應(yīng)用得到了不斷的發(fā)展。目前，采用全數(shù)字控制的交流傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)性能己經(jīng)大大超過(guò)直流傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，交流傳動(dòng)技術(shù)在新建的軋鋼機(jī)主傳動(dòng)中已經(jīng)成為主導(dǎo)技術(shù)[4]。

1 交、直流傳動(dòng)的比較

交流傳動(dòng)與直流傳動(dòng)方式各有特點(diǎn)，現(xiàn)簡(jiǎn)要進(jìn)行比較[5]，如表1所示。

隨著軋鋼工藝向著節(jié)約能源，高精度，高質(zhì)量，多品種發(fā)展，現(xiàn)代軋機(jī)傳動(dòng)日益大型化。例如，熱連軋主傳動(dòng)功率為7000～10000 kW，大型中厚板爐卷軋機(jī)傳動(dòng)已達(dá)12000 kW，顯然交流電機(jī)具有優(yōu)越性。

而對(duì)于交流電機(jī)的控制來(lái)說(shuō)，又主要分為交-交變頻調(diào)速和交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，二者的特性如表2所示[6-7]。

表1 交流傳動(dòng)與直流傳動(dòng)的比較

表2 交-交變頻調(diào)速和交-直-交變頻調(diào)速的比較

通過(guò)表2可知，兩種交流變頻調(diào)速裝置各有優(yōu)、缺點(diǎn)，如強(qiáng)調(diào)調(diào)速性能，交-直-交變頻裝置調(diào)速性能優(yōu)于交-交變頻裝置。

2 應(yīng)用分析

軋鋼設(shè)備按生產(chǎn)工藝大致分為棒材、高速線材軋機(jī)，中厚板軋機(jī)，熱連軋板卷軋機(jī)，冷連軋板卷軋機(jī)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在最近幾年建設(shè)或改造的機(jī)組中，棒材、高速線材類(lèi)軋機(jī)還是以直流傳動(dòng)為主，如表3所示。

交、直流傳動(dòng)技術(shù)在中國(guó)鋼鐵業(yè)的領(lǐng)頭羊——寶鋼公司的應(yīng)用[8]，如表4所示。

表3 近年來(lái)建設(shè)的機(jī)組傳動(dòng)類(lèi)型

表4 寶鋼公司的機(jī)組傳動(dòng)類(lèi)型

可以看出，出于綜合考慮，國(guó)內(nèi)用戶(hù)在建設(shè)新項(xiàng)目或設(shè)備改造時(shí)[9-10]，并非完全采用越新越好的策略，而是以性?xún)r(jià)比最高為導(dǎo)向，所以說(shuō)國(guó)內(nèi)直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)在目前乃至往后一個(gè)階段內(nèi)，還處于你中有我、我中有你的交錯(cuò)格局。

3 結(jié)束語(yǔ)

鋼鐵系統(tǒng)的軋機(jī)主傳動(dòng)已普遍開(kāi)始采用交流傳動(dòng)裝置。為適應(yīng)交流傳動(dòng)而開(kāi)發(fā)的交流變頻系統(tǒng)從C/C交流變頻到IGBT，GTO，GCT，IEGT，IGCT等功率元件組成的變頻系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，而且還在繼續(xù)涌現(xiàn)。由于每種功率元件和其組成的變頻裝置相互之間性能上存在差異,因而使其在不同的功率、頻率等的應(yīng)用中具有自己獨(dú)特的領(lǐng)域和定位。

變頻器正在向大容量、低成本、高功率因數(shù)、低諧波、高效率、高性能方向發(fā)展。交-直-交變頻器性能指標(biāo)優(yōu)異,電氣傳動(dòng)采用交-直-交變頻器已是大勢(shì)所趨。近年來(lái)交流傳動(dòng)系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，中小功率交流調(diào)速傳動(dòng)已趨成熟，在工業(yè)系統(tǒng)中多有采用；隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,新型交流傳動(dòng)必將取代直流傳動(dòng)，面對(duì)新興技術(shù)的挑戰(zhàn)，應(yīng)大力提倡新技術(shù)、發(fā)展新技術(shù)、應(yīng)用新技術(shù)。