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度级联和轧制张力控制,调速系统要有较高的速
度和转矩控制精度,其他性能指标没有特别要求,
尤其是对系统的调速范围要求不高。
中厚板轧机的主传动电机及热连轧板带轧机的开坯机属于低
速、大容量可逆轧机,要求有大转矩过载能力,过
载2.5倍以上,但对速度精度和动态响应要求并
不高。
而热轧带钢厂的精轧机需要进行5机架以
上的连续轧制,轧机功率大,转速较开坯机高,特
别对稳态精度和动态恢复性能提出很高的要求。
冷轧机主传动基本与热连轧精轧机相似,但由于
需要达到工艺上准确的张力控制要求,对单机的
速度、转矩控制精度和响应时间等有着更高的要
求。
相关性能指标要求参见表1。
2 轧机主传动交流调速技术比较
目前,能够满足轧机传动要求的交流调速系
统主要有交-交变频和交-直-交变频两种形式。
其
中交-交变频又分为无环流交-交变频系统和有环
流交-交变频系统;
而交-直-交变频按照输出电压
的电平数可以分为二电平变频和三电平变频。
目
前,由于器件电压等级的限制,二电平的交-直-交
变频系统以低压、中小功率为主。
大功率主轧机
主要采用三电平方式,并根据主回路电力电子器
件的不同可以分为门极可关断晶闸管(GTO)三
电平变频系统、绝缘栅双极晶体管(IGBT)三电平
变频系统、集成门极换向晶闸管(IGCT)三电平变
频系统、电子注入式增强门极晶体管(IEGT)三电
平变频系统。
各种交流调速技术的技术性能和典
型应用范围如表2所示。
3 交-交变频调速传动系统
交-交变频调速系统由直流调速技术演变而
来,其主回路功率元件采用相控晶闸管;
一般对6
相变频方式使用3组反并联可逆桥式变流器为交
流电动机定子主回路供电,12相变频方式则采用
6组并联可逆整流桥供电。
图1为无环流交-交
变频系统的6相和12相主回路原理示意图。
交-
交变频系统的输出电压由电网电压的若干部分组
成,依靠矢量控制系统调节的移相角来平衡输出
的三相电压频率和幅值;
其最大的特点是只能工
作于电网工频以下(最高频率小于1/2电网频
率),调速范围受到限制,同时也存在着输出频率
低、电网功率因数低、旁频谐波影响等缺点,大型
轧机应用时需要同时配备动态无功补偿(SVC)和
谐波滤波(FC)装置。
但是,交-交变频系统也有
其一定的优势:
由于电能仅通过晶闸管相控桥的
直接一次变换为交流电动机供电,避免了交-直-
交变频的中间直流回路元件的空间占用及损耗,
传动效率比较高,并且具有优良的过载能力和输
出波形好等优点,与同等容量的交-直-交变频系
统相比还具有明显的价格优势。
图1 无环流交-交变频系统主回路原理示意图
德国西门子公司与日本富士电机公司先后于
20世纪80年代初研制成功了交-交变频同步电机
传动系统,并且成功地应用在轧钢厂的大型初轧
开坯机上。
这标志着大容量交流调速系统登上了
高性能调速系统的台阶。
1989年,交-交变频同
步电机传动系统在德国第一次应用于热连轧的精
轧机主传动,使大容量同步电机变频调速终于达
到并超过了直流调速的性能。
到目前为止,世界
范围内已有近500套轧机传动采用了交-交变频
调速。
在我国,几乎在各大钢铁公司的轧钢厂都
可以看到交-交变频系统的使用。
另外,针对无环流交-交变频系统输出变频有
限、功率因数低、电网谐波污染严重等缺点,采用
可控环流的交-交变频系统能够有效缓解这些不
利影响。
其控制原理与无环流交-交变频调速系
统相似,主要区别是各相的正、反两组晶闸管整流
桥分别由变压器不同的二次绕组供电,采用恒定
无功控制(AQR)原理,通过检测电源进线的无功
分量值来控制正、反两组整流桥之间的环流,实现
电源端的无功功率恒定。
除有效控制电网侧无功
分量、减少用于无功补偿规模的优势外,可控环流
交-交变频系统还能够提高输出电压的频率,最高
可达电网频率的80%,而且不存在使用晶闸管正
反桥切换时的死区时间(2~3ms),输出力矩更
平稳。
可控环流交-交变频系统在具备上述优点
的同时,也存在一定的缺点:
由于环流电流的存
在,整流变压器容量比无环流系统大约需要提高
50%,传动系统效率明显降低,系统接线复杂,设
备投资价格也高于无环流变频系统。
可控环流
交-交变频系统主要由日本东芝公司研制,在日本
有一定推广,我国的轧机尚无应用。
4 负载换流变频调速系统
采用负载换流的同步电机变频调速(LCI)系
统由一台整流变压器、一套电源侧自然换流晶闸
管整流器、—个直流耦合电抗器、一套电动机侧负
载换流晶闸管逆变器等组成,它利用同步电机转
子过激磁的容性无功功率来提供晶闸管换流。
中电源侧整流器控制输出电压,电动机侧逆变器
控制输出电流。
LCI系统属于电流型交-直-交变频方式,容易
实现四象限运行,可满足高输出频率要求;
但其电
流输出波形是梯形波、输出电流谐波较大、力矩脉
动也大,尤其是在低速范围内(小于10%额定转
速);
由于系统采用电流断续换流,力矩脉动明显
增大,通常LCI系统的调速范围限制在1∶10以
内。
为了使输出力矩的脉动较小,大型LCI系统
通常采用12相供电方式,如图2所示。
图2 12相供电的LCI系统主回路示意图
LCI系统输出力矩的脉动和调速范围的限制
制约了其应用范围,一般无法满足工艺要求严格
的板材冷、热轧机的主传动控制,目前主要用于对
过载能力要求不高,速度高但调速范围不大的不
可逆轧机主传动,如棒材、高速线材精轧主传动。
在我国武汉、天津、昆明等地的高速线材精轧机主
传动中均有应用。
5 交-直-交三电平变频传动系统
随着高压、大电流的IGBT、GTO、IGCT、IEGT
等大功率可关断电力电子器件的不断开发成功,
交-直-交电压型PWM变频调速技术正在不断向
大容量装置发展。
与传统的半可控晶闸管器件相
比,采用自关断电力半导体器件的电气传动装置
具有节约原材料、变换器装置结构简单、体积小、
重量轻、功率因数高、谐波污染小等显著优点。
通
—3—
2008,35(8)
过采用全数字三电平PWM技术使得交-直-交电
压型PWM变频调速系统性能得到极大提高,系
统装机容量也得到大幅度提高,完全能够满足轧
钢机高性能主传动的要求。
现在,交-直-交三电
平变频系统已经在中厚板轧机、带钢热连轧机、冷
连轧机、单机架冷轧机等大型轧机的主传动上与
交-交变频系统展开竞争。
作为轧机主传动的三电平PWM变频系统,
一般其电网侧和电动机侧采用相同的三电平结
构,前者完成系统的功率变换,后者完成系统的传
动功能。
电网侧的三电平PWM整流控制,可以
使系统在整个调速范围内电网侧功率因数保持在
1左右,且电流谐波总量THD控制在4%以内,能
够很好地实现高功率因数、低谐波污染且能量可
逆利用,不再需要价格昂贵且复杂的动态无功补
偿设备及谐波滤波装置。
而逆变侧的三电平
PWM控制则大大缓解了输出电压的du/dt,使输
出电压更加接近正弦波,减小了负载脉动,有效提
高了传动系统的性能指标。
采用中点箝位式(NeutralPointClamped,
NPC)结构的三电平PWM变频系统主回路接线
原理见图3。
图中可关断器件采用IGBT元件。
当采用GTO、IGCT等其他元件时,其主回路机构
一致,主要区别在于相应的保护回路和触发系统。
5.1 GTO三电平PWM变频系统
采用GTO元件的交-直-交变频系统首先被应
用在机车牵引上,成熟使用后,采用双三电平
PWM控制的GTO变频系统被引入到轧机主传动
中。
目前,日本三菱公司已成功研制出6000V/
6000A的大功率GTO元件,单机变频装置容量
可以达到10MW以上,在国内外大型轧机上有大
量应用。
我国的鞍钢1780mm热带全连轧和宝
钢1580mm半连轧生产线主传动都是采用的三
电平GTO同步电机变频调速系统。
但GTO器件
的通态损耗及开关损耗都存在很大缺点,而且无
法与反并联二极管集成,需要复杂的门极驱动电
路和阻容吸收回路,对系统的可靠性和效率有一
定的影响,与功耗小、驱动简单而单元件容量逐步
增大的场控器件相比逐渐失去竞争优势。
这在一
定程度上限制了GTO变频系统的大范围应用。
5.2 IGCT三电平PWM变频系统
IGCT是在GTO元件基础上研制出的一种新
型大功率电力半导体器件。
该器件在结构设计中
减少了控制门极回路电感,并将驱动电路集成到
器件旁,使IGCT的开关损耗较GTO减少一个数
量级,取消了缓冲吸收电路,在简化变频器结构基
础上提高了系统效率。
同时,与GTO元件相比,
IGCT控制回路简单,功率部分易于模块化,无论
从系统经济性、可靠性和可维护性上都有大幅度
提高。
目前,单元件4000A/4500V的IGCT器
件已经投入产品化应用,采用IGCT的大功率三
电平PWM变频器在轧钢机主传动中得到了越来
越广泛的使用。
我国新建的舞阳钢厂宽厚板轧机
主传动以及本溪钢厂1700mm热轧精轧机主传
动都采用了IGCT三电平变频系统。
综合来看,
IGCT虽然是一种较为理想的大功率中高压开关
—4—
2008,35(8)变频应用专题EMCA
器件,但与电压型驱动器件相比,IGCT需要门极
驱动电路为其提供开通驱动电流和关断时的抽电
流,驱动功率依然比较大,这在开关频率高的应用
场合尤为明显,是IGCT元件的主要缺陷之一。
5.3 IGBT三电平PWM变频系统
IGBT元件属于场控器件,具有快速的开关特
性(可达10~30kHz),易驱动、关断均匀、无需缓
冲电路,可以很容易地将反并联二极管与IGBT
元件集成在一起,总体性能优良,十分适用于高频
开关场合的应用;
但长期以来受元件容量的限制,
主要应用在低压中、小容量变频系统中。
近年来
其在容量上有了很大发展。
德国已研制出
1000A/6500V的IGBT器件,同时也出现了采
用IGBT器件的三电平PWM变频装置应用于轧
机主传动的系统。
我国宝钢1550mm冷连轧机
及邯郸钢厂冷轧带钢生产线采用的都是IGBT元
件构成的三电平变频系统驱动主传动电动机。
较
之前所述的GTO等元件,IGBT系统在噪声、体积
和灵活性上有很大的进步。
目前,中小功率轧机
主传动交-直-交调速系统基本上已经被IGBT元
件所占领。
但由于高压IGBT元件存在通态压降
高、发热严重、关断时有电流拖尾现象等缺陷,在
超大容量轧机上普及应用还需要一定的发展过
程。
5.4 IEGT三电平PWM变频系统
IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor),是
东芝公司1993年开发出的新一代电力电子器件,
具有通态压降低、门极驱动简单、开关损耗小、易
于串联运行等诸多优点。
IEGT与IGBT一样同属
于电压型触发器件,触发功率小(不到1W),开关
速度高,也有关断速度快、损耗低、安全工作区域
较宽的特点。
另外,IEGT具有很高的开通/关断
速度和di/dt承受能力,在高开关频率下依然保
持较低的开关损耗,且元件本身很宽的安全工作
区能够承受较高的du/dt和di/dt,对吸收和缓冲
回路要求不高。
因此,在组成内部回路时用到的
器件数量较少,能够很大程度上提高系统的可靠
性。
采用IEGT器件构成的三电平PWM变频系
统在我国轧钢厂也已成功应用,目前涟源钢铁公
司薄板坯连铸连轧生产线、太原钢厂2250热连轧
生产线、新余钢厂中厚板的轧机主传动都采用了
这种系统。
从使用效果及性能指标上看,IEGT的
三电平变频系统具有一定的竞争优势,在目前来
讲是一种较为理想的适合在大功率变流器中使用
的可关断电力电子器件。
6 国内发展现状
国内目前各大中型钢铁企业对产品产量、质
量和品种不断提出新的目标,同时也带来了对大
型轧机的交流变频驱动设备更大的需求量和更高
的性能要求。
我国轧机传动系统的大功率化和交
流化已成为不可扭转的趋势。
国内新项目中,主
轧机的功率范围一般在12kW~6MW,几乎完全
采用了交流电动机驱动。
这其中,交-交变频系统
以其优秀的性能价格比仍然具有很大的市场占有
量,占据着约70%以上的中厚板、冷热轧宽带钢
主传动调速市场,但这一份额也在日益减小;
直-交三电平变频系统价格相对昂贵,需要一次性
投资较大(约为交-交变频的2~3倍),但它对电
网侧的优良性能表现能够避免对无功补偿设备的
额外资金和场地占用,长期使用中也能显著节电,
有着不可比拟的优势,已经成为现代化大型轧钢
厂先进电气装备的标志,有广阔的应用前景。
在
棒线材、中小规模型钢厂,除部分(约有20%)企
业出于成本考虑仍采用直流系统外,大部分新项
目都采用了全交流调速方式;
由于功率范围及调
速方式的特点,调速系统一般都采用交-直-交变
频方式,特别是线材的精轧机连续的工作方式决
定了LCI系统具有一定的优势,有着广泛应用。
轧钢机高性能交流电动机控制系统的研究是
一门集电机学、电力电子、自动化、控制论、计算机
应用及数字仿真等于一体的综合学科。
长期以
来,我国大型轧机主传动电控系统装备一直依赖
于进口,而且主要被几家大型跨国电气公司所垄
断。
自20世纪90年代开始,国家也加大了这方
面研究的力度,但是由于基础硬件(如功率器件、
核心芯片等)方面的落后,研究起点相对比较低,
不能在短时间内形成规模和工程化产品,暂时无
法形成与国外大公司成熟系统之间的有效竞争。
值得欣慰的是,高性能大功率交流调速系统的研
制在我国已越来越得到了重视;
国家把大型轧机
主传动交流调速国产化列入重大技术装备科技攻
关项目,高等学校、研究院所、电机厂、大型钢铁
公司等单位都对此进行了各个层次的研究和探
讨;
针对三电平整流和逆变主回路拓扑结构,
PWM调制理论的研究也成为重点;
采用高性能数
字信号处理器(DSP)控制的交-直-交变频系统已
在中小功率范围内日趋成熟,为大功率高性能交
流传动系统的国产化、早日打破国外大公司对轧
机主传动交流系统的垄断地位打下了良好基础。
7 结 语
大型轧机主传动电动机功率大、负荷重、连续
作业、过载倍数大,对电控系统有很高的要求,在
我国存在大量改造和新建系统需求,有着广阔的
应用前景。
通过对以上几种能够满足轧钢机主传
动驱动要求的高性能调速系统进行的分析比较,
得出如下结论。
(1)高性能交流调速系统的各项
指标已经达到或者超过了直流系统。
大型轧机主
传动电控系统已经由过去的直流系统逐步为交流
变频调速所取代。
新建生产线的主传动无一例外
采用了变频调速技术。
(2)LCI系统调速范围有
限,无法胜任所有轧机的工艺要求。
交-交变频系
统功率器件成熟,性能指标完全满足轧机主传动
需要,但对电动机频率输出有限,电网侧需要加繁
杂的滤波补偿系统,应用范围受到一定限制。
采
用可关断功率器件的双三电平PWM交-直-交变
频系统在电网侧和负载侧同时获得了优良的控制
性能,采用IGBT、IGCT、IEGT等功率器件的集成
化变频装置已经大量在轧钢机上应用,成为目前
交流调速发展的主流方向。
(3)我国在轧机用大
功率高性能变频调速方面的制造和技术水平距离
发达国家大型电气公司的成熟产品尚有一定差
距,必须尽快加强在交流电机控制理论、器件制造
工艺、系统结构等方面的研究,跟踪世界先进技术
发展,尽快打破国外产品在这一领域的垄断局面。
以上是北科大(张勇军)
2 大功率变频器的应用分析
2.1 大功率变频器
大功率变频器用于大型轧机主传动,
功率在3~10MW以上。
在这个功率范围
内,与传统的直流调速相比,交流变频调
速中变频器增加的成本可以从电动机和维
护节约的成本中得到补偿,采用交流调速
无论从技术上还是从经济上看都比较合
理,基本上实现了以交流调速取代直流调
速。
除功率大外,主传动还要求:
过载能
力强(2~2.5倍);
能快速正反转(可逆轧
机类);
静态转速精度高、动态冲击速降小、恢复快
及加减速跟踪性能好(连轧机类);
变频器需有能量
回馈功能,四象限运行。
大型主传动使用的变频器主要有两类;
基于晶
闸管移相控制的交-交变频器和基于高压大容量自
关断器件PWM控制的三电平交-直-交变频器。
现
在流行的H桥级联多电平变频器在主传动中几乎不
用,原因是整流电源数目太多,实现能量回馈复杂。
与通用变频器不同,主传动用变频器输出的额定
电压根据变频器拓扑和使用器件的电压等级决定,额
定频率根据工艺要求的恒转矩和恒功率调速范围决
定,通常不同于供电电网。
这一方面是因为主传动要
求电动机过载倍数大、惯量小、结构强,需要专门设
计,可以充分考虑变频器和工艺的期望,充分利用器
件电压和电流;
另一方面主传动不要求在变频器故障
时旁路变频器,让电动机直接挂网恒速工作,因此电
动机电压和频率没有必要和电网一致。
交-交变频
器额定输出电压为1650V或3300V,三电平变频器
额定输出电压有2300V、3000~3300V及4160V,都
和我国电网电压不同。
交-交变频器已在我国大量应用,多达数百套,
近年来大功率三电平交-直-交变频器的应用逐渐
增多,目前两类设备并存,各有优缺点,比较如下:
(1)两类系统都是高性能调速系统,动、静态
品质优良,都能满足轧机主传动的极高要求。
(2)由于交-交变频器及其电网补偿装置已国产
化,价格便宜。
以7MW的装置为例,一套两倍过载
的交-交变频装置大约需要人民币300多万元(由于
补偿装置是全车间统一配置,很难折算到每套变频支
出,在此不计入补偿装置价格)。
三电平变频器尚未
国产化,价格高昂,一套基于IGCT的9MV·
A双PWM
三电平进口变频器(无过载能力)需要约100万美元,
要满足7MW电动机两倍过载要求,需两套并联(由
于控制部分公用,价格不加倍)。
(3)交-交变频器的器件基于晶闸管,过载能
力大,可靠性高,国产晶闸管的质量已达世界先进
水平,变频装置基于可逆整流,技术成熟;
三电平
变频器基于大功率可关断器件IGCT、IEGT或IGBT
(7MV·
A以下装置),不能过载,可靠性不如晶闸
管,装置的成熟程度也不如交-交变频。
从备品备
件角度考虑,交-交变频器也优于三电平变频器。
(4)随着输出频率的降低,交-直-交逆变器
中各个器件承受大电流的时间加长,温升增加,需
要降低装置输出电流。
以ABB的9MV·
A装置为
例,从8Hz开始降低输出,8~3Hz从100%线性降
至70%,0~3Hz为70%,若轧机有长时间低速运
行工况,例如可逆轧机,需增大变频装置容量30%。
交-交变频器在降低输出频率时,每个晶闸管的导
通时间不变,仍为3.3ms,不降低电流输出能力,比
较适合低速运行工况。
(5)双PWM三电平变频器的最大优点是电网侧
电流正弦,无功量可从感性到容性人为设置和控制,
包括零无功(功率因数=1),不需要电网补偿装置或
仅需一组高通滤波器;
交-交变频工作时产生大量
无功和谐波(特征谐波和旁频),需要大的电网补偿
装置,不仅增加设备,还占据庞大建筑面积(主要
是电抗器和电容量占地),采用交-交变频节约的投
资被电网补偿增加的设备和土建投资抵消掉一大部
分,甚至反而超出。
(6)晶闸管的导通压降比大功率可关断器件低,
交-交变频是一次换流,而交-直-交变频是二次
换流,所以从变频器本身而言交-交应比交-直-
交损耗小,效率高,但计入电网补偿装置的损耗(主
要是电抗器损耗)后,交-交方案可能反而损耗大。
(7)轧制车间中通常有多套主传动,电网补偿
是整个车间统一补偿,两种变频方案哪个更经济需
要全车间统一核算,在核算中不仅要考虑变频及补
偿设备总价及总损耗,还要计及土建投资。
(8)若车间中有多套主传动,一部分用双PWM
三电平交-直-交变频器(例如精轧主传动),另一
部分用交-交变频器(例如粗轧主传动),用交-直
-交变频器有源前端产生的容性无功去补偿交-交
变频器产生的感性无功,从而省去动态无功补偿装
置,节约投资,能取得很好效果,西门子公司已有
成功应用实例。
3 变频器控制系统
绝大多数轧制传动要求调速系统有良好的动、
静态性能,需要高性能控制系统(矢量控制或直接
转矩控制
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