如今全球能源緊缺，如何保護資源和減少能源消耗成為科研和工業(yè)界的當務之急，尤其是耗能大戶冶金鋼鐵、石油化工、傳統(tǒng)制造等領域。因此，對工業(yè)電機、風機、泵、壓縮機等負載使用變頻器改造成為了一種行之有效的節(jié)能方式。本文主要介紹高性能大功率變頻器在熱軋領域的應用，并提出幾點思考。

研究對象工藝說明

圖1交交變頻調速驅動交流同步電動機單線圖

(1)熱軋領域：本文主要是介紹黑色冶金行業(yè)(鋼鐵行業(yè))熱軋帶鋼領域，包括常規(guī)熱連軋、短流程CSP、爐卷軋機、中厚板軋機等使用的高性能大容量變頻裝置。但是由于常規(guī)帶鋼熱連軋技術和產(chǎn)品要求最嚴格，因此本文重點闡述帶鋼產(chǎn)品寬度在1000mm及以上，厚度在1.2mm—21mm的熱連軋生產(chǎn)線。

(2)主機：在帶鋼熱連軋生產(chǎn)線中，一般其粗軋機和精軋機(連軋機)定義為主軋機(或主機)，其對應的變頻調速裝置稱為主傳動裝置。

(3)大容量：指電機的額定功率在2500kW以上，或變頻裝置的額定容量在6MVA以上(無統(tǒng)一說法)。

(4)高性能：一般上述設備因其容量大且是產(chǎn)品生產(chǎn)(含產(chǎn)量和質量)的核心裝備，其裝置控制性能要求非常高;響應速度快;靜態(tài)速度控制精度高(小于萬分之一);電機輸出轉矩脈動小;動態(tài)速降小(小于0.3%S);裝置效率高(大于97%)。

電機：一般而言，現(xiàn)在的主機用的電機均采用交流同步電動機，電機容量如下：粗軋機電機額定功率：2500kW—9000kW， 精軋機電機額定功率：6000kW—11000kW：

裝置：2008年以后，幾家大容量高性能的變頻調速裝置制造商一般采用交直交電壓型變頻裝置，其裝置的額定輸出容量根據(jù)電機額定功率以及過載倍數(shù)的不同而不同，但是裝置基本上分檔制成標準的主回路組件，其對應的額定大容量有4種：6MVA、8MVA、10MVA、12MVA。

據(jù)不完全統(tǒng)計，中國從1957年引進前蘇聯(lián)的鞍鋼2800/1700mm板帶連軋機到今天準備籌建的寶鋼湛江工程，其引進和自主設計的寬薄熱連軋機(寬度大于1000mm)不少于60條生產(chǎn)線，其中寶鋼8條(2050、1 580、1 780(上)、1 422、1 880、1 780(梅));鞍鋼4條

(2800/1700、1 780、21 50、1 700(鞍凌));武鋼3條(不含柳鋼等，1700、2250、1580)

全國僅帶鋼寬度在2000mm熱連軋機生產(chǎn)線就有1 0條：寶鋼2050，武鋼、太鋼、馬鋼、邯鋼、漣鋼的2250，以及本鋼的2300，首鋼21 60，日鋼和鞍鋼的2150等。此外還有CSP、中厚板軋機等各類熱軋生產(chǎn)線。

裝置技術與產(chǎn)品發(fā)展歷程

我們主要從電機、功率器件、變頻方式、控制技術等方面來了解這些裝置的技術與發(fā)展歷程。

電機：已經(jīng)從直流電機發(fā)展到同步電動機;

功率器件：已經(jīng)從可控硅發(fā)展到門控晶閘管( GTO)，再發(fā)展到IGCT( H-IGBT)和IEGT;

變頻方式：已經(jīng)從交交變頻發(fā)展到如今的交直交電壓型變頻;

控制技術：從矢量控制發(fā)展到直接轉矩控制。

目前正在使用的主傳動變頻裝置的代表產(chǎn)品與制造商：

(1) 交交變頻的應用配置(寶鋼分公司)(1 6套)(元器件均為SCR)(交交變頻調速驅動交流同步電動機單線圖見圖1);

(2) 交直交三電平PWM變頻的應用配置(寶鋼分公司)(46套)。

3.典型產(chǎn)品/技術介紹

現(xiàn)以寶鋼1 880熱軋和日本TMEIC產(chǎn)品TM-70為例作介紹。

主電機有粗軋機R1上下輥、R2上下輥(同步電機)、精軋機Fl-F7(同步電機)、飛剪CS(異步機)，板坯大側壓裝置SP(異步機)共1 1臺。

電機額定功率具體如下：

R1:2500kW×2;

R2:9000kW×20

F1 - F5:10000kW×5;

F6 - F7: 9000kW×20

SP:3300kW×1;

CS:2500kW×1。

上述主傳動裝置均采用日本TMEIC的TM-70的8MVA的驅動裝置，其整流器和逆變器都是用IEGT作為其功率元件的交直交電壓型3電平PWM全數(shù)字矢

圖2 IEGT變頻器機柜

量控制傳動系統(tǒng)。這種控制方式真正實現(xiàn)了正弦波輸出，減少了高次諧波和力矩紋波，不需要采用SVG濾波裝置;同時高電壓輸出減少了電纜和導線的成本。

R2上下輥和精軋機F1-F7由于其電機額定容量在9000kW到10000kW之間，故一套裝置不夠用，必須同時使用兩套IEGT裝置，容量在8MVA的TM-70裝置才行。

而R1上下輥、GS、SSP由于其電機容量在2500kW到3300kW之間，故只需要一套IEGT裝置，容量在8MVA的TM-70裝置即可。

IGCT、IEGT變頻器(實物圖見圖2、3)規(guī)格對照表見表1。

如今，IEGT三電平整流器逆變器應用更廣泛，其主要性能為：

高效率：大于98.5%;

高可靠性：因為不使用電解電容器，所以不易出故障;

容易維護：拆卸容易，無需專業(yè)工具就能快速拆卸

圖3單組變頻器

功率IEGT Stack;

對電網(wǎng)影響小。

4.幾點思考

4.1雙系統(tǒng)并聯(lián)驅動

冶金行業(yè)(特別是寬帶鋼的熱連軋生產(chǎn)線軋)在高速軋制高強度薄帶鋼時，需要電機額定功率在

10000kW以上，對于特大牽引交通負載，其驅動電機將會更大。在現(xiàn)有的大容量功率器件下，一個功率回路( bank)無法滿足上述負載的需要。因此存在兩個并聯(lián)甚至三個或四個回路并聯(lián)情況。如何解決這一問題，有兩種典型方法：多繞組電機法和驅動回路并聯(lián)法。

采用多繞組電機法以日本東芝三菱公司TM-70為典型，采用驅動回路并聯(lián)法以日本原三菱電機產(chǎn)品MELVEC-3000系列及東芝4并系統(tǒng)最為典型。表1IGCT、IEGT變頻器規(guī)格對照表

4.2同步電機勵磁系統(tǒng)

日本三菱電機的MELVEC3000系統(tǒng)和德國西門子SM-150、日本TMEIC的TM-70產(chǎn)品在給同步電機供電時，其同步機勵磁驅動裝置一般都采用可控硅全波整流。

這幾家采用的勵磁主回路拓撲結構差不多，但為防止勵磁回路能量釋放引起的過電壓，各方設計的過電壓保護回路差別較大。

日本TMEIC公司的TM-70設計配套的勵磁保護過電壓回路非常復雜，因其硬件設計欠周到和其控制PLC軟件編程錯誤，導致多次燒壞二極管和電阻。而日本三菱電機設計的非常簡單且使用實效性好，系統(tǒng)運行近16年，從未出現(xiàn)過故障。

4.3軋機機電共振控制功能

由于軋機的速度不是很高( 20rpm—6580rpm)，因此其對應的變頻裝置控制頻率也不會太高。根據(jù)N=60×f/P，考慮電機制作難易程度以及電機的工作效率、成本，其電機極對數(shù)在4—8之間。故控制速度的逆變器輸出頻率在2.6—44Hz之間。由于機械自身固有頻率也比較低，當軋制高強鋼時，系統(tǒng)通過軋制的板坯讓系統(tǒng)產(chǎn)生共振，輕者引起系統(tǒng)跳電，無法軋鋼，重者會損壞設備。寶鋼1 880熱軋的粗軋機R1就是典型的例子。盡管TM - 70具有抑制系統(tǒng)扭振功能SFC.但是由于多方面原因，即使通過日方專家多次調試和系統(tǒng)優(yōu)化，并使用了SFC功能，其效果還是不

能滿足現(xiàn)場實際的需要。容易出現(xiàn)共振的軋機有：R1軋機、F3和F4軋機。

4.4其他

采用何種高性能大功率變頻器還要考慮采購成本、配件成本、維護維修成本，在技術方面要考量功率器件和裝置制造技術、裝配技術、調試技術、維修技術等綜合因素。