摘 要：在軋鋼生產傳動領域,當前應用最為廣泛的是交交變頻調速系統和交直交變頻調速系統。通過對比兩種傳動方式在系統結構、工作原理、性能指標等方面的不同,確定了各自應用的場合。通過分析二者的技術優勢展望了交流變頻調速系統的發展方向。 關鍵詞：交交變頻調速 交直交變頻調速 熱連軋生產線 傳動 Abstract: In the field of Rolled steel production driving motion, the current most widely used is AC-AC Frequency Control System and AC-DC-AC Frequency Control System. By comparing the two types of drive in the system structure, working principle, performance indicators of different applications to determine their own occasions. By analyzing both the technological advantages to show the development of AC variable frequency speed control system . KeyWords: AC/AC Frequency Converter，AC/DC/AC Frequency Converter， Hot Rolling mill line，Driving motion 1、引言 　　在當今傳動領域，使用的電動機有直流電動機和交流電動機，過去由于交流電動機控制系統不能滿足生產機械對電氣控制系統在調速范圍、動態響應、靜差度等方面的要求，故直流電動機一直占主導地位，但直流電動機有一系列缺點，如結構上有換向和換向器問題、電刷等部件維護工作量較大，使其在提高單機大容量、提高過載能力、降低轉動慣量以及簡化維護等方面受到了限制，與同容量交流電動機比體積和重量及轉動慣量都較大、價格較高、效率較低等，已不能滿足軋鋼機向大型化、高速化方面的發展。而隨著電力電子技術、微電子技術的迅速發展和現代控制理論應用，交流電動機得到迅速發展，其調速特性及性能甚至超過直流電動機。所以當前帶鋼熱連軋機主要使用交流電動機驅動和交流調速。 　　交流調速有多種方法：異步電動機的變極調速、調壓調速、轉子串電阻調速、電磁轉差離合器調速，液力耦合器調速、機械差動調速、變頻調速等，但主流是變頻調速。當前在帶鋼熱連軋機主傳動中應用的交流調速技術主要是交交變頻調速及IGCT/IGBT三電平交直交變頻調速。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、脈沖寬度調制型等。其主回路的拓撲、控制策略都有多種方式可以選擇，如功率器件有scr（晶閘管）、gto（門極關斷晶閘管）、igbt（絕緣柵雙極晶體管）、igct（集成門極換流晶閘管）等;主回路的拓撲結構可選擇兩電平、三電平、負載換相式scr電流型變頻器等，控制策略可選擇v/f控制、矢量控制、直接轉矩控制、脈沖寬度調制（pwm）或脈沖幅度調制（pam）等;電壓也有高壓（3至6Kv，主要是大容量的同步或異步電動機）、中壓或低壓（如一般的小功率380v和軋鋼輔傳動的電動機）等。此外，變頻調速還有變極調速，無級調速還有矢量控制方式、變壓變頻（vvvf）控制方式等。 2、常規熱連軋生產線介紹 　　常規熱連軋生產線一般由板坯庫、加熱爐、粗軋區、精軋區、卷取區及運輸鏈等區域構成，其工藝設備流程示意圖見圖1。主要電機驅動的且需要調速的機械設備有：全軋線板坯或帶鋼運輸輥道、板坯庫收料轉盤、過跨臺車、保溫爐或坑蓋、加熱爐步進梁升降裝置、裝出鋼平移或升降裝置、粗軋區定寬壓力機或立輥軋機、立輥輥縫調整裝置、粗軋機主機上下輥、低速和高速電動壓下裝置、飛剪主傳動、精軋機主傳動、交叉輥PC裝置、電動活套、卷取上下夾送輥、助卷輥、卷筒、運輸鏈、質檢站地輥及軋機前后電動側導板等設備。盡管隨著工藝技術及機械液壓技術等的發展，上述部分裝置由原來的電動驅動方式發展為液壓驅動方式，如側導板、精軋活套、粗軋立輥、精軋輥縫調節裝置等。但是熱連軋生產線上絕大部分設備還是由變頻調速裝置驅動的。 [align=center] 圖1 常規熱連軋工藝設備配置示意圖[/align] 　　由于熱軋主機主要是大容量低速運動的機械運動設備，如粗軋機上下輥電機功率從2500KW到9000KW,轉速在20rpm到100rpm之間;精軋機電機5000KW到10000KW，轉速在200rpm到550rpm范圍內。再加上同步電機在功率因素、電機尺寸和轉動慣量、工作效率、連接的變頻器容量、控制精度、弱磁比等方面優于異步電動機，因此其驅動的電機均為同步電動機。而中等容量高速電機或小容量電機均采用交流鼠籠異步變頻電機。 3、兩種交流變頻調速系統介紹 　　當前大型熱帶軋機主傳動調速系統主要有：交交變頻調速系統與交直交變頻調速系統兩種方式。這兩種傳動系統都是性能良好的、先進的交流傳動方式，都能滿足大型熱帶軋機主傳動的技術性能要求，相比較各有其特點。 3.1、交交變頻器 3.1.1 、交交變頻的特點 　　交交變頻調速系統如圖2所示，由三組反并聯晶閘管可逆三相橋式變流器組成，對應同步電機定子A，B，C三相。它沿續著晶閘管變流器的電網自然換流原理，三相交交變頻器采用邏輯無環流、三相有中點方式，由一臺副邊三分裂整流變壓器供電，各臺電機整流變壓器接法互相錯開，以減少供電高次諧波。輸出端采用星點聯接，電機定子繞組為三相星接，電機星點和變頻器星點獨立。具有過載能力強、效率高、輸出波形好等優點，但同時也存在著輸出頻率低（最高頻率小于1/2電網頻率），電網功率因數低，旁頻諧波影響等缺點。交交變頻區分為有環流和無環流方式，可驅動同步電機或異步電機。對于主傳動系統，控制器一般采用矢量控制的方法驅動同步電動機。 [align=center] 圖2 交交變頻同步電機調速系統[/align] 3.1.2 交交變頻器在熱連軋機上的應用 　　1993年第一套國產的2500kW交交變頻同步電機調速系統研制成功，應用于包鋼軌梁廠850型鋼軋機;1996年第一套4000kW國產全數字控制交交變頻調速系統問世，應用于重鋼中板軋機主傳動;1999年第一套國產雙機傳動交交變頻調速系統研制成功，應用于武鋼軋板廠中板軋機;2000年第一套熱連軋機交交變頻調速的在攀枝花鋼鐵公司投入運行。據統計從1996年至2005年，我國大功率交交變頻軋機傳動系統共263套，其中國內制造171套，占65%。我國大功率交交變頻的技術水平與應用規模已超過美國GE、法國Alstom、意大利Ansaldo，達到世界先進水平;徹底扭轉了大型工業軋鋼傳動裝備長期依賴于進口的局面。 3.2、交直交變頻器 3.2.1 、交直交變頻器的特點 　　進入80年代以來，打破晶閘管元件一統天下的自關斷電力半導體器件，大功率晶體管GTR，可關斷晶閘管GTO以及場控器件絕緣柵雙極晶體管IGBT相繼問世，開始了一個以自關斷電力半導體器件為核心的新時代，與傳統的半可控晶閘管器件相比，采用自關斷電力半導體器件的電氣傳動裝置具有節約原材料，變換器裝置結構簡單，體積小，重量輕，功率因數高，諧波污染小等顯著優點。交直交變頻調速系統如圖3所示。 [align=center] 圖3 交直交變頻同步電機調速系統[/align] 3.2.2 交直交變頻器在軋鋼傳動中應用 　　在大功率高電壓變頻調速領域，GTO元件曾占主要地位。20世紀90年代，日本三菱公司率先研制成功6000V/6000A大功率GTO元件，并將世界最大功率7000kW，3kV，GTO同步電機變頻調速成功地應用于我國寶鋼1580mm熱連軋機、鞍鋼1780mm熱連軋機及上海不銹鋼熱連軋機。圖4為GTO交直交多電平PWM變頻調速系統，該系統為電壓型變頻器，電源測變流器亦采用GTO脈寬調制技術，控制輸入電流的相角可以達到功率因數始終為1，并減少輸入電流的諧波。該變頻器采用三電平GTO元件串聯控制技術，使變頻器輸入和輸出電壓可達到3300V。與采用晶閘管元件的交交變頻調速系統相比，GTO變頻器具有輸出頻率不受限，電網諧波污染小，功率因數高等顯著優點，但也存在著GTO元件開關損耗較大，效率低，需要水冷卻，維護困難等問題。 [align=center] 圖4 GTO交直交三電平PWM變頻調速系統主電路[/align] 　　由于GTO元件的上述缺點，世界各國開始競相研究新的高電壓大功率電力半導體器件。由瑞士ABB公司研制成功的門極可關斷晶閘管IGCT，是在GTO元件基礎上進行創新的一種新型大功率電力半導體器件。它在器件的結構設計中減少了控制門極回路電感,將驅動電路集成到器件旁，使IGCT的開關損耗較GTO減少一個數量級，提高了開關速度，取消了緩沖吸收電路，大大簡化了變頻器結構并提高了系統效率。ABB，GE，以及西門子公司已研制成功采用IGCT元件的大功率三電平PWM變頻器用于軋機主傳動。我國本溪鋼鐵公司1700軋機改造采用了GE公司的IGCT三電平變頻器，電機功率7MW/6kV。IGCT已成為GTO的換代器件。 　　日本東芝公司研制成功高電壓大功率的IEGT元件，即電子促進絕緣柵雙極晶體管，4000A/4500V。IEGT是IGBT的一種形式，具有IGBT元件電壓驅動, 開關速度快，可自保護等優點，東芝公司已將采用IEGT元件的7MW/3kV大功率三電平變頻器應用于我國鏈源鋼鐵公司薄板坯連鑄連軋主傳動中。 3.2.3 交直交變頻器存在的問題 　　盡管交直交變頻器具有輸出頻率高、功率因數高等優點，但交直交變頻器仍存在許多待改進的問題: 　　（1）當前大功率高電壓電力電子器件處在發展期，GTO元件面臨淘汰，IGBT，IGCT尚待成熟。 　　（2）采用IGCT（或者GTO）、IECT的變流器，器件故障造成直通短路的保護還是難題;電源側變流器如果發生直通短路會造成電網短路，所以變流器必須采用高漏抗輸入變壓器，一般要求15%，甚至高達20%。 　　（3）交直交變頻器低頻運行時過載能力減低，一般運行在5Hz以下時變頻器過載能力減半。 　　（4）交直交變頻器輸出PWM調制電壓波形的電壓變化率du/dt很高，容易造成電機和電器的絕緣疲勞損傷;輸出導線較長時，共模反射電壓會在電機側產生很高的電壓，如果是兩電平的變流器，這個電壓的峰值是直流電壓的兩倍，如果是三電平的變流器，這個電壓的峰值是中間一半電壓的三倍。 　　（5）交直交變頻器PWM調制將產生諧波、噪聲、軸電流等問題。 4、兩種交流變頻調速系統對比 4.1.采用電力電子器件區別： 　　交交變頻：采用器件為晶閘管,是一種非常成熟的電力電子器件。 　　交直交變頻：采用器件為IGBT、GTO、IGCT、IEGT等，為新型可關斷器件，這些器件尚在不斷改型與更新，使用經驗不足，呈過渡性。 4.2.控制方式區別： 　　交交變頻：采用全數字矢量控制方式。 　　交直交變頻：采用脈沖調寬（PWM）全數字矢量控制或直接轉矩控制方式。 4.3.過載能力： 　　交交變頻：較大，能承受250%過載。特別是在低速時，具有并超過直流電機特性。 　　交直交變頻：較小，通常為136%。要提高過載能力必須加大裝置容量以滿足最大出力。低速時（頻率低于5赫茲）過載能力下降，一般要降低50%。 4.4.速度范圍： 　　交交變頻：一般最高使用頻率為22Hz，高于22Hz系統特性變差, 適用于中、低速傳動。因此用于軋機時,電動機的最高轉速為660r/min。 　　交直交變頻：適用于中、高速，最低使用頻率為5Hz,頻率過低時力矩脈動加大,出力降低。最高頻率可達到100Hz,電動機的最高轉速可達6000r/min。 4.5.整流變壓器容量： 　　交交變頻調速裝置按變頻電壓峰值選擇整流變壓器，其容量約為電動機容量1.8～2倍;交直交變頻調速裝置選擇整流變壓器容量為電動機容量1.3～1.4倍。交交變頻比交直交變頻的變壓器容量大，變壓器鐵損大即空載損耗大。 4.6. 所用電纜:交交變頻器輸出電壓低,工作電流大,電纜尺寸相應大;交直交變頻器輸出電壓高,電纜耐壓等級需要提高。 4.7. 電機:交交傳動配套的低速同步電機轉動慣量大,總重量大,投資較高。 4.8.　冷卻方式： 　　交交變頻：SCR元件正向壓降小,僅為1.2-1.5V左右,由于元件損耗小,冷卻方式可采用風冷。 　　交直交變頻：換流元件正向壓降大,通常為3.5-4V左右,由于元件正向壓降與開關損耗大,通常無法采用風冷,必須采用水冷，因此必須附帶水冷裝置并使用大量二次循環冷卻水。一次性投資建設費用較高,但冷卻效果優良。 4.9.功率因數： 　　交交變頻電機側功率因數為1;但電網側功率因數較低，通常為0.7以下,必須要無功補償。需要配套SVC 無功補償裝置提高功率因數。交直交變頻由于中間電容的作用，電機側與電網側功率因數均為1，無需無功補償。 4.10.諧波： 　　交交變頻：電網側產生諧波較高，采用6脈波時通常諧波含量為8%左右,需要濾波裝置。 　　交直交變頻：電網側諧波較低，通常諧波含量為4.5%左右,軋機有功沖擊較大或電網短路容量較小時,也需要濾波裝置。 4.11.配套機械: 　　交直交變頻器輸出頻率高,電機轉速高,為滿足軋鋼工藝要求需要配套減速機及水冷系統,增加了機械設備投資和建設安裝費用;減速機體積大，影響工藝布置。 4.12. 變頻器: 　　交交變頻器主要功率設備實現了國產化,國內制造商已經具有成功供貨和工程應用經驗，價格較低;大功率交直交變頻器在較長一段時間內完全依靠進口,設備價格昂貴,維護費用較高。 4.13. 能耗:交交變頻器的風機和空調冷卻以及SVC 的能耗較高于交直交變頻器。 　　綜上所述，我們可以看出： 　　1. 交交和交直交變頻調速系統都是先進的、性能良好的調速方式，它們各有特點。都能滿足大型熱帶軋機主傳動的技術性能要求。 　　2. 交交變頻技術，過載能力大，效率高，簡單可靠，可以完全國產化是其顯著優點。而交交變頻頻率低、速度低、功率因數低，需無功補償等是主要缺點。它適用于大功率中、低速且過載能力大的軋機驅動，如：大型熱帶軋機、中厚板軋機和型鋼軋機。 　　3. 交直交變頻頻率高、速度高、功率因數高，不需無功補償過載是其主要優點，而其效率較低、過載能力差，使用經驗不足，不能國產化，備件和技術服務問題大是其顯著缺點。適用于大功率中、高速的風機、水泵及過載能力較小的軋機驅動，如：高速冷軋機、無縫鋼管軋機。 5、 結束語 　　從國內已投產和正在建設的大型熱帶軋機主傳動系統來看 , 交交變頻調速系統無論技術還是數量上仍是主流。分析主要原因是：投資省、效率高, 過載能力強，可以完全實現國產化。我國軋機傳動交交變頻調速系統能取得長足進步，是因為依托了中國多年積累的晶閘管技術基礎。國內交交變頻調速技術上十分成熟, 已成功地解決了主傳動調速系統很多關鍵技術,如：軋機傳動的高精度和高動態響應;大功率交交變頻器;交交變頻同步電機設計與制造;交交變頻對電網的動態無功、諧波計算與諧波治理;軋機的扭振計算與抑制等。但交交系統產生大量諧波對電網造成一定程度的污染,為此在電網質量要求較高的線路上要額外增加濾波及無功補償裝置,這項缺陷目前還不能完全克服。 　　目前傳動領域需要大功率的交直交變頻的國產化研制。交直交變頻技術和設備以其優良的控制性能,較高的功率因數,良好的節電效果正逐步得到推廣。隨著高電壓大功率的電力半導體器件GTO、IGCT、IEGT等功率元件性能提高,設備尺寸隨之縮小，以及交交變頻裝置的輸出頻率低（最高頻率小于1/2電網頻率）、電網功率因素低、旁頻諧波影響、需要SVC及占地大等因素的影響，新世紀的熱軋帶鋼生產線主傳動變頻裝置正由三電平電壓型交直交PWM矢量控制變頻裝置或直接轉矩控制變頻裝置所取代。 參考文獻 　　[1]陳伯時,陳敏遜編著.交流調速系統.北京:機械工業出版社,2004 　　[2]馬小亮.大功率交交變頻調速及矢量控制技術.北京:機械工業出版社,2004 　　[3]王樹編著.變頻調速系統設計與應用. 北京:機械工業出版社,2005