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1、大功率电力电子变流技术在钢铁工业中的应用摘要：文章讨论了当前大功率轧机主传动采用的沟通调速系统，比拟了交交变频，交直交变频，IGCT/IGBT三电平PWM变频等沟通调速系统的特点。文章还介绍了中国大功率轧机主传动沟通调速系统的现状与开展。中国的钢产量已连续多年居世界第一，并每年以20%以上的高速度在增长。2004年的钢产量是2.73亿吨，2005年将超过3亿吨，占世界钢产量的1/3。作为制造业根底的钢铁工业，如今正在进展大规模建立和技术改造。有资料显示，50万吨以上的钢厂全面盈利，这吸引了诸多民营企业进入这个领域，出现了“大炼钢铁的场面。然而中国钢铁工业的问题也非常突出。它的能耗程度高，对环境
2、的污染严重，可以消费高档次钢材的企业少，如用于电机行业的硅钢片、高档汽车用的钢板每年还需要大量从国外进口。电力电子的变流器在钢铁方面的应用主要有两个方面:一个是大型轧机传动，由沟通调速取代直流调速，进步轧钢能效；另外一方面是环保节能的传动，例如钢铁工业中的高炉鼓风机，冶炼除尘风机和水泵等等，如今大多数还是采用档板截流的调节方式，采用高压变频调速将产生较大的节能效益，市场前景广阔。当前在轧机主传动中应用的沟通调速技术主要是交交变频调速，IGCT/IGBT三电平交直交变频调速。大功率轧钢机主传动要求电气传动系统具有很高动态响应和相当高的过载才能。这一领域长期以来一直被直流电动机传动所垄断，由于直流
3、电机存在着换向问题和换向器、电刷等部件维护工作量较大，使其在进步单机大容量、进步过载才能、降低转动惯量以及简化维护等方面受到了限制，已不能知足轧钢机向大型化、高速化方面的开展。随着电力电子技术、微电子技术以及当代控制理论的迅速开展，该技术受到国内外钢铁工业和电气传动学术界的极大关注。70年代以后，随着沟通电机矢量控制理论的产生及其应用技术的推广，世界工业兴旺国家都投入大量人力物力对交交变频轧钢机主传动进展研究。到目前，在世界上已有上千台沟通变频轧机主传动投入工业应用，在工业兴旺国家新建1000kW以上的轧机主传动，无论是初轧机，中板轧机还是热、冷连轧机，无一例外全部采用沟通变频调速。在大功率轧
4、钢机主传动领域已出现沟通调速传动取代直流传动的趋势。2交交变频器1987年湖南湘潭钢铁厂从西门子公司引进了交交变频的轧钢机，拉开了我国轧钢机采用沟通传动的序幕。这套轧钢机投入运用后，湘潭钢铁厂的吨钢能耗节约了30%。此后，沟通调速技术在钢铁领域得到了大力推广。2.1交交变频的特点交交变频调速系统如图1所示，由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成，它沿续着晶闸管变流器的电网自然换流原理，具有过载才能强、效率高、输出波形好等优点，但同时也存在着输出频率低最高频率小于1/2电网频率，电网功率因数低，旁频谐波影响等缺点。交交变频区分为有环流和无环流方式，可驱动同步电机或者异步电机。图1交交变频同步电机调
5、速系统2.2交、直流调速的比拟轧钢机沟通传动较传统的直流传动有很多优点：1沟通电机的单机容量不受限制，而直流电机的极限是5000kW/500r/min；2同等功率情况下，沟通电机的转动惯量比直流电机的要小得多，如宝钢有台24500kW的直流电机，它的转动惯量GD2=76.8tm2，而9MW沟通同步电机单电机传动，GD2=17.2tm2，为直流电机的1/4.5。因此沟通电机的加速性能要大大超过直流电机；3沟通调速的动态性能好，速度响应由直流的1530rad/s进步到40100rad/s；4沟通电机的效率比直流电机进步23%；采用沟通调速可进步消费效率，综合节能30%耗电/吨钢；5沟通调速体积小、
6、重量轻、占地面积小,维护简单。采用沟通调速对宝钢2050热连轧和武钢1700热连轧进展改造，用一台1万多kW的电机来取代原来的3台直流电机，体积减小了2/3。总体来讲在钢铁领域沟通调速取代直流调速已经形成了一个趋势。2.3交交变频器在热连轧机上的应用图2是一个热连轧钢机驱动的典型图例。图2热连轧钢机驱动典型图例图2中一共有7台电机，第一、二机架是8500kW的，第三到第七机架是10000kW的，如附表。热连轧机传动的电机功率大，装备规模大，技术性能要求高。在国际上只有少数几家知名电气公司可以承接该工程，我国热连轧机等大型机械传动装备一直依靠于进口。附表热连轧钢机的传动配置2.4交交变频器的国产
7、化研究国家把大型轧机主传动装备国产化列入“七五、“八五、“九五国家重大技术攻关工程。国家要求大功率沟通调速系统技术尽快产业化，以改变大型工业机械传动装备长期依靠于进口的场面。原冶金部和机械部把交交变频列为重点科研工程。冶金自动化院、天津电气传动研究所对该技术进展攻关，同时，清华大学、浙江大学等高校介入了工程的研制和理论分析，哈尔滨电机厂、东方电机厂、上海电机厂等企业那么研制用于交交变频调速系统的同步电机。1993年第一套国产的2500kW交交变频同步电机调速系统研制成功，应用于包钢轨梁厂850型钢轧机；1996年第一套4000kW国产全数字控制交交变频调速系统问世，应用于重钢中板轧机主传动；1
8、999年第一套国产双机传动交交变频调速系统研制成功，应用于武钢轧板厂中板轧机；2000年第一套热连轧机交交变频调速的在攀枝花钢铁公司投入运行。据统计从1996年至2005年，我国大功率交交变频轧机传动系统共263套，其中国内制造171套，占65%。我国大功率交交变频的技术程度与应用规模已超过美国GE、法国Alstom、意大利Ansaldo，到达世界先进程度；彻底改变了大型工业轧钢传动装备长期依靠于进口的场面。3交直交变频器3.1交直交变频器的特点进入80年代以来，打破晶闸管元件一统天下的自关断电力半导体器件，大功率晶体管GTR，可关断晶闸管GTO以及场控器件绝缘栅双极晶体管IGBT相继问世，开
9、场了一个以自关断电力半导体器件为核心的新时代，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，变换器装置构造简单，体积小，重量轻，功率因数高，谐波污染小等显著优点。3.2交直交变频器在轧钢传动中应用在大功率高电压变频调速领域，GTO元件曾占主要地位。20世纪90年代，GTO变频调速继在铁路牵引机车上普遍应用之后，世界各国开场研制轧机主传动GTO变频调速系统。日本三菱公司率先研制成功6000V/6000A大功率GTO元件，并将世界最大功率7000kW，3kV，GTO同步电机变频调速成功地应用于我国宝钢1580mm热连轧机和鞍钢1780mm热连轧机。图3为GTO
10、交直交多电平PWM变频调速系统，该系统为电压型变频器，电源测变流器亦采用GTO脉宽调制技术，控制输入电流的相角可以到达功率因数始终为1，并减少输入电流的谐波。该变频器采用三电平GTO元件串联控制技术，使变频器输入和输出电压可到达3300V。与采用晶闸管元件的交交变频调速系统相比，GTO变频用具有输出频率不受限，电网谐波污染小，功率因数高等显著优点，但也存在着GTO元件开关损耗较大，效率低，需要水冷却，维护困难等问题，同时电力半导体领域一直对GTO元件看法不一，期待更新型的场控器件来取代它。近几年，高电压大功率电力半导体器件的研制是世界各国在轧机传动领域的竞争热门，由瑞士ABB公司研制成功的门极
11、可关断晶闸管IGCT，是在GTO元件根底上进展创新的一种新型大功率电力半导体器件。它在器件的构造设计中减少了控制门极回路电感,将驱动电路集成到器件旁，使IGCT的开关损耗较GTO减少一个数目级，进步了开关速度，取消了缓冲吸收电路，大大简化了变频器构造并进步了系统效率。ABB，GE，ANSALDO，以及西门子公司已研制成功采用4000A/4500V,IGCT元件的大功率三电平PWM变频器用于轧机主传动。我国本溪钢铁公司1700轧机改造采用了GE公司的IGCT三电平变频器，电机功率7MW/6kV。IGCT已成为GTO的换代器件。图3GTO交直交三电平PWM变频调速系统主电路日本东芝公司近期研制成功
12、高电压大功率的IEGT元件，即电子促进绝缘栅双极晶体管，4000A/4500V。IEGT是IGBT的一种形式，具有IGBT元件电压驱动,开关速度快，可自保护等优点，东芝公司已将采用IEGT元件的7MW/3kV大功率三电平变频器应用于我国链源钢铁公司薄板坯连铸连轧主传动中。3.3交直交变频器存在的问题尽管交直交变频用具有输出频率高、功率因数高等优点，但交直交变频器仍存在很多待改良的问题：1当前大功率高电压电力电子器件处在开展期，GTO元件面临淘汰，IGBT，IGCT尚待成熟；2采用IGCT或GTO、IECT的变流器，器件故障造成直通短路的保护还是难题；电源侧变流器假如发生直通短路会造成电网短路，
13、所以变流器必须采用高漏抗输入变压器，一般要求15%，甚至高达20%；3交直交变频器低频运行时过载才能减低，一般运行在5Hz以下时变频器过载才能减半；4交直交变频器输出PWM调制电压波形的电压变化率du/dt很高，轻易造成电机和电器的绝缘疲惫损伤；输出导线较长时，共模反射电压会在电机侧产生很高的电压，假如是两电平的变流器，这个电压的峰值是直流电压的两倍，假如是三电平的变流器，这个电压的峰值是中间一半电压的三倍；5交直交变频器PWM调制将产生谐波、噪声、轴电流等问题。3.4交直交变频器的国产化研究国产的交交变频调速系统已成功应用于低速、大转矩的大型热轧机主传动，但对于高转速的冷轧机交交变频器显然不
14、具上风，冷轧机应采用交直交变频器。因此，大功率交直交变频驱动的冷连轧机国产化已作为国家“十一五重大装备攻关工程。冶金自动化院在国家863工程的支持下，研制成功一台5000kW的IGCT变流器，完成了驱动3600kW同步电机的工业性试验。目前，课题组通过充分分析国外IGCT变流器电路拓扑和构造，研制降低电路杂散电感的构造布置，使国产IGCT变流器才能已经到达了10MVA，而且体积大大缩小。4开展展望总体来讲，目前钢铁行业、矿山、牵引包括船舶推进、油气输送都急需要大功率的交直交变频的研制。我国轧机传动交交变频调速系统能获得长足进步，是由于依托了中国多年积累的晶闸管技术根底。因此，在交直交变频器国产化研制经过中，假如没有我国自己的器件作为根底，不可能形成国产大功率交直交变频器产业。希望国内科研单位加速研制和完善我国自主创新的IGCT器件，协同国内其它相关单位一起把大功率交直交变频器的国产化工作做好。0