交流电动机变频调速技术在宝钢的应用

作者：宝钢股份公司设备部 钟述文

欢迎访问e展厅 展厅 1 电动机展厅 三相异步电动机, 单相电机, 马达, 伺服电机, 直流电机, ... 1、 引言 宝钢是一个举世注目的超大型钢铁联合企业。从1978年开工建设打下第一根桩开始，直到2001年5月国家对宝钢三期工程正式验收为止，历时20多年的一期工程建设、二期工程建设、三期工程建设。宝钢人为此付出了大量的艰辛，方才形成迄今为止年产钢1140万吨的巨大规模。 宝钢拥有从原料输送、储存、处理，冶炼，板坯连铸，初轧，热连轧，冷连轧等多条主要的生产作业线。可以说，这些作业线的生产工艺、设备的自动化控制水平都是世界第一流的。 钢铁企业的生产设备，按照工艺要求可分为非调速和调速两大类。在宝钢现场的各主作业线上，凡是生产工艺对设备有调速要求的，都实现了自动调速控制。 从电气传动的观点看:调速类又可分为交流调速和直流调速两大类。 2、 交流电动机变频调速技术在宝钢的应用情况 交流电动机变频调速技术在宝钢的应用是伴随宝钢一期工程、二期工程、三期工程的建设而发展的。 在宝钢的一期工程设计时，虽然当时交流电动机变频调速技术在国外已有相当的发展，但受国内现状的制约，宝钢一期工程的引进项目中仍然沿用直流调速。仅引进了两套变频器作为大型电动机的起动用:其一是引进日本东芝公司生产的12MW(12kV、1024A)交-直-交变频器供能源部1＃高炉鼓风机的48MW同步电动机起动。其二是引进日本安川公司生产的VS－630(850kVA，1750V，最高输出频率30Hz)电流型交-直-交变频器供1#高炉一、二次除尘风机的1600kW异步电动机起动。 在二期工程中，交流变频调速技术的应用范围有所扩大，使用交流变频调速技术的设备占需要调速的设备的比例有大幅度地增加，使用的变频器以SPWM电压型为主。这些变频器(除2050热轧厂 的R3和辊道驱动用变频器采用模拟器件控制系统和晶体闸流管作功率开关元件外)大多采用可关断的晶体管功率开关元件GTR，同时应用了数字化或全数字化控制技术。如一炼钢连铸和二高炉出铁场除尘用的VS-686TV系列、VS-616H系列，第二烧结厂用的MELTRAC-200k系列、REQROL-400系列,以及2050热轧R3所用的交-交变频器，轧线辊道驱动用的交-直-交变频器。从总体来讲在二期工程中，直流调速还仍占主导地位。 在三期工程中，99％以上调速系统均使用了交流电动机变频调速技术。如1580热轧厂主轧机使用的以GTO作开关元件，具有高功率因数整流的三电平双PWM同步电动机矢量控制变频调速系统M-3000;轧线辅机以及辊道等使用的以IGBT作功率开关元件的三电平双PWM异步电动机矢量控制变频调速系统M-2000、M-1200;1420冷轧厂五机架以晶体闸流管作功率开关元件的交-交变频矢量控制系统;1420冷轧厂辅机，二炼钢连铸设备的主、辅机设备以及三烧结主机使用的VS-676、 VS-616H3变频调速系统;1550冷轧厂五机架以IGBT作开关元件的，具有高功率因数整流的三电平PWM变频调速系统，高速线材厂轧线的ACS600系列直接转矩控制(DTC)变频调速系统和负载换流式(LCI)交-直-交型同步电动机变频调速系统;还有二炼钢的钢包台车驱动、原料场的堆取料机、原料码头卸料机、部分行车的走行控制系统均采用交流变频调速技术。可以说，交流变频调速技术在宝钢的应用已达到了相当的广泛。 3、粗浅的评价 交流电动机变频调速技术得益于电力电子技术和微电子技术的高度发展而日新月异的发展，其应用领域得到了质的突破，以交代直已是无可非议的现实。随着高精度的数字量化技术的实现，CPU运算速度的不断提高，适时高速度地完成矢量控制，直接转矩控制等的复杂的解析式的计算，已经不再是难题，因而使经典控制论，特别是现代控制理论能得到可靠实施;各种类型的大功率、高电压半导体器件的出现，使高性能的斩波成为可能。 由于交流电动机本身就是一个多变量强耦合的系统。从理论上说，交流调速系统比直流调速系统更为复杂得多。但是，由于高精度的全数字化控制的实现，大多数的运算都可以用一个一个具有标准功能的软件模块来实现，而这些功能软件模块的性能指标在任何时候都无须单独调试，只要作一些简单的、必要的设置就可以付诸使用。这样，无论是设备的制造、调试、使用、维护等都大大地简化。对用户而言，省去了大量的维护工作量。交流电动机自身的耐环境，耐冲击，过载能力强，制造方便，经济……又为交流电动机的变频调速控制提供了全天候的空间。 从宝钢一、二、三期工程中使用的情况看，交流电动机变频调速技术的应用是相当成功的。主要从以下几个方面可以说明: 3.1 大、中型变频调速装置 1＃、2＃高炉鼓风机的48MW同步电动机起动、高速线材厂的精轧机组使用的交-直-交(LCI)变频调速装置;2050热轧厂R3轧机、1420冷轧厂五机架使用的交－交变频调速装置; 1580热轧厂主轧机、1550冷轧厂主轧机使用的具有高功率因数的交-直-交三电平双PWM变频调速装置;高速线材厂轧线使用的ACS600系列(DTC)变频调速装置……这些变频调速装置都是国际上知名厂家精心研制的具有高性能的变频调速装置。经过长期运行考验证明，这些装置无论是静态、动态性能以及维护性能都是优秀的，故障率极低。 3.2 通用变频器 通用变频器在宝钢的应用就更加广泛了。有德国西门子公司生产的SIMOVERT Master Driver系列产品;日本安川公司生产的VS-676、VS-616H3系列;日本三菱公司生产的M-200、M-1200系列;ABB公司生产的ACS系列DTC产品等。可以说是品种多，型号多，规格多，范围广。 总之，交流调速技术能在宝钢得到广泛的应用，是因为交流电动机变频调速技术本身具有其突出的优越性。从使用交流变频调速技术的效果看:在节能，节约投资，降低维护工作量、维护费用方面取得了众目共睹的显著成就。 3.3 存在的问题和不足 宝钢在应用交流变频调速技术的过程中也存在不足之处。主要表现在有的系统在设计方面还存在有相当不合理的地方。设计者没有很好地利用变频调速技术的优点，而是极端肤浅地实现系统的调速。比如××机的驱动系统均使用异步电动机变频调速控制。在实际的生产运行中(4极)电动机长期稳定地运行在20Hz。无论是变频器还是电动机的能力都只用了40%左右，这是极不合理的。 4、 在宝钢，交流变频调速技术的应用尚有待开拓的新领域 在宝钢，交流电动机变频调速技术虽然已得到了普遍的应用。但是，仍有待开拓的新领域:其一是风机、水泵设备的节能调速，其二是行车卷扬系统的节能调速。可以说交流调速技术应用于这两个方面其经济效益是十分可观的。 4、1 风机、水泵的节能调速 虽然少数风机、水泵设备也用到了变频器。但是，其基本目的只是减小电动机的起动电流，以减小电动机在起动时对电网的冲击。如前所述，高炉鼓风机同步电动机的起动，1＃、2＃高炉出铁场除尘风机电动机的起动，2＃、3＃烧结机主排风机的电动机等的起动。然而，用于风机、水泵设备的节能调速运行的为数甚少。 风机、水泵调速运行节能的理论众所周知。在宝钢除尘风机、水泵甚多，绝大部分是电动机全电压运行，用挡板、阀门来控制介质流量。这样，电动机从电网所吸取能源的一部分、甚至一大部分被挡板、阀门消耗或旁通，造成了不必要的能源浪费。现场的风机、水泵的装机量相当大，若酌情实施调速运行，其节能效果是很大的，特别是大型泵组的节能效果更为可观。 4、2 行车卷扬的节能调速 目前行车卷扬系统的调速方式繁多，可谓五花八门。主要以涡流制动器(配合切除二次电阻)调速;调整电动机的一次电压（配合切除二次电阻）调速;能耗制动调速;更简单的是直接切除二次电阻调速…… 行车卷扬可谓是电老虎。之所以这样说，道理很简单:行车卷扬是位能负载，其一是电动机频繁起动，且经常处于高滑差状态运行，滑差功率白白地消耗在二次电阻上;其二是重物被电动机驱动到高空，电能转换成重物的位能。重物从高空下降的过程中这些位能几乎全部消耗在电动机的二次电阻上了。其单机容量不一定很大，不十分引人注目。但是，它的电能损耗与其自身容量相比是相当高的。尽管在宝钢二、三期工程的行车卷扬系统中大量使用交流调压调速，但是，它的电动机仍然是常在高滑差状态下运行，仍然存在二次电阻上的能量损耗的问题，同时还带来谐波问题。如果采用变频调速，重物以任何速度下降时，电动机都以"超同步"方式运行，重物的位能被电动机转换成电能回送电网，没有二次电阻耗能的问题，节能可达70%左右。如果是作业率高的生产用行车，其节能效益更是可观。 笔者经潜心研究认为，ABB公司研制的专门用于卷扬电机控制的ACC600以及相关系列的(DTC)产品，最适合用于卷扬机电动机的控制。它的零速转矩可达100%，具有很高的可靠性，安全性和实用性，绝对不会发生溜钩事件。 5、 有必要引起重视的几个问题 5、1 关于变频器的用户设置参数问题 对于任何一台变频器，它的用户设置参数的数据，是该系统能正常运行的最基本依据。因此，一旦调试结束、正常运行后，就必须如实地记录下用户设置的所有参数。否则，一旦什么原因发生改动或丢失了用户设置参数，没有原始的用户设置参数作依据则很难快速地恢复系统。笔者认为:对于大、中型变频器，现场对这方面的工作做得比较细，不会有太大的问题。然而对于小型通用变频器，问题就比较多了。因此十分有必要对现场使用的每一台变频器的用户设置参数作一次清理造册，以备后患。 5、2 关于小型通用变频器的备件覆盖问题 目前，在宝钢厂内使用的小型通用变频器的制造厂家、规格、型号繁多，可算是万国博览。因此，备件的规格、型号也杂乱繁多。一备一，二备一，三备一的现象较多。再者，许多厂家，甚至是名牌厂家可能在一夜之间就会宣布某某型号的变频器停止备件的生产、供应。更严峻的是有的厂家宣布关门，备件无处采购。鉴于上述这些可能发生的情况，十分有必要选择几个名牌厂家的小型通用变频器对不同厂家制造的小型通用变频器的备件实行覆盖，以减少备件的种类、数量及库存，减少资金积压。从这个意义上讲，经济效益是相当可观的。这里有很大程度是管理的问题。然而，更重要的问题是细致的技术方面的调查和研究。 5、3 关于电磁兼容的问题 电磁兼容(EMC)是指电气设备、装置或系统，在其电磁环境中，既能保持自身正常工作又不对该环境中的其他设备或系统构成不能承受的电磁干扰的能力。无可非议，任何一台电气设备、电力电子装置或电气传动控制系统都存在储能元件。当这些设备、装置或系统中的某些元件发生换能时即呈现过渡过程，产生各种频率的高次谐波。这些高次谐波不仅对自身设备或系统产生电磁干扰，同时也对其相关设备或系统产生电磁干扰。当这个干扰超过被干扰设备或系统的承受裕度时，被干扰的设备或系统就不能正常工作乃至不能工作。即发生电磁不兼容的故障。在宝钢的一、二期工程中，曾经不止一次发生过电磁不兼容的故障。如:电磁干扰导致系统的PLC对小车的位置误检测，误定位;使用对讲机导致直流快速开关误动作;电磁干扰导致录波仪录制的(用CT采得的)变频器输出的正弦电流信号，却成了幅值按正弦规律变化的直流。在三期工程中表现更为突出，如:高速线材厂吐丝机组等的公共整流器，当它们处于整流工作状态时，却频频发生逆变(能量回馈)桥上的快熔烧坏故障;逆变器供电的电动机接地线连接不正确而导致系统的PLC的通讯网络不能正常工作。如此等等，都是电磁兼容方面的问题。 交流变频调速技术的大量应用给工厂生产自动化，节能对产品的产量和质量的提高带来了极大的福音。然而，其反面就是丰富的高次谐波给系统带来严峻的电磁兼容问题。 对于常规的交流调速系统而言，谐波的产生有两个方面:其一是整流器产生的谐波，它基本上存于在电网侧:其二是逆变器斩波时产生的谐波，它主要存在于逆变器及其输出侧。 在电网侧的高压方面都根据需要设有谐波吸收装置。理论而言，吸收装置对预定次数的谐波分量可以吸收到所规定的标准指标之内;绝大部分变频器都是电压型SPWM输出，输出谐波分量能达到规定的指标之内。在正常情况下，系统保持电磁兼容的相对平衡，并有一定裕度。一旦系统的工作状态发生某些不合理的改变或者装置中的元件性能发生某些变迁，使系统的电磁兼容裕度变差乃至丧失，系统就无法正常工作。 表面看来，电磁兼容莫名其妙、捉摸不定。但是，只要用科学的态度加以分析可知它是有规律性可循的。我们可以由表及里，由现象到本质，逐步研究掌握一定的规律，逐渐提高，不断进行治理。 6、 关于三期后工程以及一、二期设备改造中值得考虑的一些问题 宝钢三期后工程将逐步开始运作，一、二期工程项目的改造亦将逐步有序的进行。而在实施这些工程项目时，在电气传动设备方面需要考虑些什么？需要注意些什么？在此谈谈自己粗浅的看法和想法: 总之一句话:在传动控制设备的选型方面要以高性能，高可靠性，高效率、节能、经济性，维护简便为前提。 可选传动控制设备对象较多，各有优劣之处，各有其最佳使用的场合。要根据工艺的具体要求进行选择，以达到扬长避短的目的。 6、1 关于大、中型变频调速系统 a.交-交变频调速系统 宝钢已使用的大、中型交流变频调速系统，如2050热轧厂R3、1420冷轧厂五机架使用的交-交变频同步电机矢量控制系统。该类系统是由直流可逆系统演化而成，系统结构简单、成熟，易于掌握、维护，还易于实现大容量，元件成本低，且已能国产化了。其缺点是最高输出频率受限(不超过40Hz)，网侧的谐波及无功分量大，还有旁频。但其输出电压波形平滑，dV/dt小，对电动机的绝缘无特殊要求。只需在网侧设置性能可靠的无功补偿和谐波滤波装置即可。这类系统是较为理想的选择。 b. 交-直-交三电平双PWM变频调速系统 1580热轧厂轧线主机、1550冷轧厂的五机架使用的交-直-交型三电平双PWM矢量控制变频调速系统。该类系统可用于同步电动机和异步电动机的调速，可实现大、中等容量。虽然主回路使用的功率开关元件数量多，即使用了两套逆变器的主回路，其一作整流器，另一作逆变器，以获得网侧高功率因数(功率因数为1.0)，低谐波分量的性能。整流变压器和逆变器的容量可以相对减小，省掉了网侧的无功补偿和谐波滤波器。输出频率范围控制自如。因装置输出为三电平，其输出电压的dv/dt相对降低了一半，因而对电动机绝缘耐受力的要求也相应降低一半。其性能价格比好，故是理想的选择。 c.直接转矩控制(DTC)系统 在宝钢应用之例是高速线材厂使用的ACS600(DTC)系列变频调速系统。DTC控制技术是近年发展起来的一种高性能的传动控制技术。它省去了矢量控制系统的解耦以及与解耦相关联的旋转环节，使系统结构简单，直观，物理意义清晰，极易理解。IGBT作功率开关元件，用于异步电动机调速控制。目前系统采用40MHz工作频率，每25μs即可刷新一次控制参数，实现对转矩和磁链的高性能控制。其综合技术性能优于矢量控制系统。单机容量可做到4000kW(目前，ACS1000系列可做到5000kW)，如果配上PWM整流器，可谓如虎添翼。是值得特别推荐的优良系统。 d.交-直-交负载换流式(LCI)系统 交-直-交负载换流式(LCI)系统也是一种可选的方案。它使用十分成熟的晶体闸流管作功率开关元件，系统结构简捷，元件价格便宜。高炉鼓风机起动装置、高速线材厂精轧机组的控制就是在宝钢成功应用之例。还有罗宾康的所谓完美无谐波的变频装置。它和交-交变频一样，可以输出较为理想的正弦波电压，因而对电动机的绝缘没有任何特殊要求。在宝钢初轧厂有应用之例。但是，因其主回路结构太复杂，因而硬件的维护工作量太大。 总之，上述几种在宝钢使用的大、中型变频调速装置各有其长处和不足，在表1中显示出了几类系统的有关技术性能。 6、2 关于小型通用变频器 关于小型通用变频器，因其在宝钢使用的种类以及制造厂家繁多而显得有些杂乱无序。小型通用变频器的控制方式大体上可分为:矢量控制、滑差频率控制、直接转矩控制和V/f(标量)控制。它们的控制性能各有优劣，但各有其用武之地。 目前，小型通用变频器的制造厂家都称自己产品性能卓著，其实不尽然。从宝钢现场使用的情况看，也发现有输出谐波指标THD达40%的，也有控制板或IGBT元件频频损坏的。 应该说一般大型的公司如:西门子、ABB、三菱、日立、富士……制造的小型通用变频器性能优，通用性好，故障率低，是可选之例。 特别要说明一点的是:矢量控制的理论十分成熟，但不同的制造厂家其系统构成的方式差异很大。对有的产品我们很难相信其是真正意义上的矢量控制，用户不用特殊的手段很难鉴别之。因此，极易发生花高价钱，卖低档货。笔者认为在选择产品时有必要注意以下两个方面:其一是看厂家提供的资料中的各功能块的不同功能内容，利用用户设置软件进行设置，能否构成矢量控制的基本系统;其二是看装置是否有ID或自动辨识运行功能。除非是同一家厂生产的变频器和电动机，否则，仅靠用户写入电动机的铭牌参数，系统很难达到我们所需要的控制性能指标。因为，系统在自动辨识运行中要准确地测量电动机的某些(铭牌上没有的)参数，以供适时的矢量控制演算。 6、3 关于功率开关元件的问题 由表2，表3中的参数可知，大、中容量的变频装置中，GTO元件已经不再受宠了，代之以IGCT、IECT或IGBT;晶体闸流管因其技术成熟，价格便宜，已能国产化，应是可选之例;IGBT已能制造出3300V/1200A的元件，虽然其单只元件容量不太大，但其有适合于并联的天性，开关性能优异，宜用于中等容量的装置。宝钢已经用到2000kW的IGBT作开关元件的装置。自然，中等容量的变频器中IGBT元件应该是首选。 目前，小型通用变频器广泛使用IGBT、GTR，也有使用GTO的。IGBT由于其开关性能好，容量适合，无须并联或少并联。无论如何IGBT应该是首选。 6、4 关于变频调速系统的可选件问题 在一个系统中变频器的可选件考虑得是否得当，直接影响到系统的电磁兼容裕度，涉及到系统的稳定性、可靠性。可选件的作用在短时间内难以体现出来。应该说，大中容量的变频器不一定存在这个问题。因为，制造厂家在这方面用心良苦。而小容量通用变频器这个问题比较突出。首先需要说明的一点是:在可能的情况下最好采用公共整流器集中供电。这样易于控制网侧的谐波和无功分量。又能向网侧回馈能量，实现节能运行。从现场使用的情况看，公共整流器的结构形式很多，原则上都可以使用。但是，由于结构形式的不同，他们的电磁兼容性能差异很大，其功率因素从0.75～0.95不等，选用时要谨审从事。 在不能使用公共整流的时候，要考虑交流进线电抗器。即使使用公共整流器，也要考虑交流进线电抗器。变频器的输出也一定要考虑选用制造厂家推荐的，适配的滤波器或dV/dt限制器。减轻很高的dV/dt对电动机定子绕组绝缘造成的损害;减轻高频谐波对其他电子设备造成干扰。否则难以保持系统足够的电磁兼容裕度。 7、 参考资料 可控硅电路 北京钢铁学院 赵殿甲 主编 冶金工业出版社 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/12/2005)