大功率變頻調(diào)速

1、2. 1傳統(tǒng)大功率逆變電路傳統(tǒng)的大功率逆變電路有:普通三相逆變器、降壓普通變頻升壓電路、交交變頻電路、變壓器耦合的多脈沖逆變器。這些傳統(tǒng)大功率逆變電路由于體積大,性能差,對電網(wǎng)污染嚴重,功率因數(shù)低,無功損耗大,成本高,因此應(yīng)用領(lǐng)域越來越多地受到限制。2. 2新型多電平電壓型逆變器1980年日本長岡科技大學(xué)的A.Nabae等人首次提出三電平逆變器,又稱中點箝位式(NPC)逆變器。它的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了一條新思路。三相逆變器與普通雙電平逆變器相比具有以下優(yōu)點:更適合大容量、高電壓的場合?？僧a(chǎn)生M層階梯形輸出電壓,理論上提高電平數(shù)可接近純正弦波形,諧波含量很小。電磁干擾(EMI

2、)問題大大減輕,因為開關(guān)一次動作的dv/dt通常只有傳統(tǒng)雙電平的1/M-1。效率高。消除同樣諧波,雙電平采用了PWM控制法,開關(guān)頻率高,損耗大,而多電平逆變器可用較低頻率進行開關(guān)動作,開關(guān)頻率低,損耗小,效率提高。2. 3PWM控制技術(shù)由于全控型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn),不僅使得逆變電路的結(jié)構(gòu)大為簡化,而且在控制策略上與晶閘管類的半控型器件相比,也有著根本的不同,由原來的相位控制技術(shù)改變?yōu)槊}沖寬度控制技術(shù),簡稱PWM技術(shù)。PWM技術(shù)可以極其有效地進行諧波抑制,在頻率、效率各方面有著明顯的優(yōu)點,使逆變電路的技術(shù)性能與可靠性得到了明顯的提高。傳統(tǒng)的PWM控制技術(shù)多應(yīng)用于雙電平逆變器的門極驅(qū)動控制。近年

3、來,優(yōu)化PWM技術(shù)得到了迅速發(fā)展。它是根據(jù)諧波含量、諧波畸變率最小,轉(zhuǎn)矩脈動最小等目標函數(shù),尋求控制波形。它具有一般技術(shù)不具備的特殊優(yōu)點,如電壓利用率高、開關(guān)次數(shù)少及可實現(xiàn)特定優(yōu)化目標等。優(yōu)化PWM可用于多電平逆變器。在國外,高性能交流調(diào)速傳動是從20世紀60年代后期發(fā)展起來的。隨著大功率電子器件及變流技術(shù)的發(fā)展、電子產(chǎn)品制造工藝水平的提高和微電子技術(shù)及微型計算機的發(fā)展,高性能交流調(diào)速傳動目前發(fā)展到了一相當高的水平。當前的情況可從以下幾個方面進行概括:高性能交流調(diào)速系統(tǒng)已可應(yīng)用于大容量和特大容量的調(diào)速對象,解決了裝置的功能指標問題和高壓變流技術(shù)問題。填補了直流調(diào)速傳動在特大容量調(diào)速傳動方面的空

4、白;具有高的可靠性及長期連續(xù)運行的能力,可連續(xù)運行數(shù)萬小時而不停機檢修,滿足了某些要求長期不能停機檢修或?qū)煽啃杂刑厥庖蟮牟块T的需要;能實現(xiàn)高性能、高精度的轉(zhuǎn)速控制,其調(diào)速精度可達0. 1,并實現(xiàn)了矢量變換控制的商品化;應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,且能在較多領(lǐng)域中與直流調(diào)速傳動進行競爭。以下為正文：1軋鋼機主傳動控制要求在棒線材及型鋼車間,一般初軋機只作簡單的開坯使用,沒有調(diào)速方面的要求。對中精軋機的主傳動系統(tǒng)由于必須能夠滿足連軋所要求的速度級聯(lián)和軋制張力控制,調(diào)速系統(tǒng)要有較高的速度和轉(zhuǎn)矩控制精度,其他性能指標沒有特別要求,尤其是對系統(tǒng)的調(diào)速范圍要求不高。中厚板軋機的主傳動電機及熱連軋板帶軋機的開坯機屬于

5、低速、大容量可逆軋機,要求有大轉(zhuǎn)矩過載能力,過載2. 5倍以上,但對速度精度和動態(tài)響應(yīng)要求并不高。而熱軋帶鋼廠的精軋機需要進行5機架以上的連續(xù)軋制,軋機功率大,轉(zhuǎn)速較開坯機高,特別對穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)恢復(fù)性能提出很高的要求。冷軋機主傳動基本與熱連軋精軋機相似,但由于需要達到工藝上準確的張力控制要求,對單機的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度和響應(yīng)時間等有著更高的要求。相關(guān)性能指標要求參見表1。2軋機主傳動交流調(diào)速技術(shù)比較目前,能夠滿足軋機傳動要求的交流調(diào)速系統(tǒng)主要有交-交變頻和交-直-交變頻兩種形式。其中交-交變頻又分為無環(huán)流交-交變頻系統(tǒng)和有環(huán)流交-交變頻系統(tǒng);而交-直-交變頻按照輸出電壓的電平數(shù)可以分為二電平

6、變頻和三電平變頻。目前,由于器件電壓等級的限制,二電平的交-直-交變頻系統(tǒng)以低壓、中小功率為主。大功率主軋機主要采用三電平方式,并根據(jù)主回路電力電子器件的不同可以分為門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)三電平變頻系統(tǒng)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)三電平變頻系統(tǒng)、集成門極換向晶閘管(IGCT)三電平變頻系統(tǒng)、電子注入式增強門極晶體管(IEGT)三電平變頻系統(tǒng)。各種交流調(diào)速技術(shù)的技術(shù)性能和典型應(yīng)用范圍如表2所示。3交-交變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)由直流調(diào)速技術(shù)演變而來,其主回路功率元件采用相控晶閘管;一般對6相變頻方式使用3組反并聯(lián)可逆橋式變流器為交流電動機定子主回路供電, 12相變頻方式則采用6組

7、并聯(lián)可逆整流橋供電。圖1為無環(huán)流交-交變頻系統(tǒng)的6相和12相主回路原理示意圖。交-交變頻系統(tǒng)的輸出電壓由電網(wǎng)電壓的若干部分組成,依靠矢量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的移相角來平衡輸出的三相電壓頻率和幅值;其最大的特點是只能工作于電網(wǎng)工頻以下(最高頻率小于1/2電網(wǎng)頻率),調(diào)速范圍受到限制,同時也存在著輸出頻率低、電網(wǎng)功率因數(shù)低、旁頻諧波影響等缺點,大型軋機應(yīng)用時需要同時配備動態(tài)無功補償(SVC)和諧波濾波(FC)裝置。但是,交-交變頻系統(tǒng)也有其一定的優(yōu)勢:由于電能僅通過晶閘管相控橋的直接一次變換為交流電動機供電,避免了交-直-交變頻的中間直流回路元件的空間占用及損耗,傳動效率比較高,并且具有優(yōu)良的過載能力和輸

8、出波形好等優(yōu)點,與同等容量的交-直-交變頻系統(tǒng)相比還具有明顯的價格優(yōu)勢。圖1無環(huán)流交-交變頻系統(tǒng)主回路原理示意圖德國西門子公司與日本富士電機公司先后于20世紀80年代初研制成功了交-交變頻同步電機傳動系統(tǒng),并且成功地應(yīng)用在軋鋼廠的大型初軋開坯機上。這標志著大容量交流調(diào)速系統(tǒng)登上了高性能調(diào)速系統(tǒng)的臺階。1989年,交-交變頻同步電機傳動系統(tǒng)在德國第一次應(yīng)用于熱連軋的精軋機主傳動,使大容量同步電機變頻調(diào)速終于達到并超過了直流調(diào)速的性能。到目前為止,世界范圍內(nèi)已有近500套軋機傳動采用了交-交變頻調(diào)速。在我國,幾乎在各大鋼鐵公司的軋鋼廠都可以看到交-交變頻系統(tǒng)的使用。另外,針對無環(huán)流交-交變頻系統(tǒng)輸

9、出變頻有限、功率因數(shù)低、電網(wǎng)諧波污染嚴重等缺點,采用可控環(huán)流的交-交變頻系統(tǒng)能夠有效緩解這些不利影響。其控制原理與無環(huán)流交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)相似,主要區(qū)別是各相的正、反兩組晶閘管整流橋分別由變壓器不同的二次繞組供電,采用恒定無功控制(AQR)原理,通過檢測電源進線的無功分量值來控制正、反兩組整流橋之間的環(huán)流,實現(xiàn)電源端的無功功率恒定。除有效控制電網(wǎng)側(cè)無功分量、減少用于無功補償規(guī)模的優(yōu)勢外,可控環(huán)流交-交變頻系統(tǒng)還能夠提高輸出電壓的頻率,最高可達電網(wǎng)頻率的80%,而且不存在使用晶閘管正反橋切換時的死區(qū)時間(23 ms),輸出力矩更平穩(wěn)?？煽丨h(huán)流交-交變頻系統(tǒng)在具備上述優(yōu)點的同時,也存在一定的缺點:

10、由于環(huán)流電流的存在,整流變壓器容量比無環(huán)流系統(tǒng)大約需要提高50%,傳動系統(tǒng)效率明顯降低,系統(tǒng)接線復(fù)雜,設(shè)備投資價格也高于無環(huán)流變頻系統(tǒng)?？煽丨h(huán)流交-交變頻系統(tǒng)主要由日本東芝公司研制,在日本有一定推廣,我國的軋機尚無應(yīng)用。4負載換流變頻調(diào)速系統(tǒng)采用負載換流的同步電機變頻調(diào)速(LCI)系統(tǒng)由一臺整流變壓器、一套電源側(cè)自然換流晶閘管整流器、個直流耦合電抗器、一套電動機側(cè)負載換流晶閘管逆變器等組成,它利用同步電機轉(zhuǎn)子過激磁的容性無功功率來提供晶閘管換流。其中電源側(cè)整流器控制輸出電壓,電動機側(cè)逆變器控制輸出電流。LCI系統(tǒng)屬于電流型交-直-交變頻方式,容易實現(xiàn)四象限運行,可滿足高輸出頻率要求;但其電流輸

11、出波形是梯形波、輸出電流諧波較大、力矩脈動也大,尤其是在低速范圍內(nèi)(小于10%額定轉(zhuǎn)速);由于系統(tǒng)采用電流斷續(xù)換流,力矩脈動明顯增大,通常LCI系統(tǒng)的調(diào)速范圍限制在110以內(nèi)。為了使輸出力矩的脈動較小,大型LCI系統(tǒng)通常采用12相供電方式,如圖2所示。圖212相供電的LCI系統(tǒng)主回路示意圖LCI系統(tǒng)輸出力矩的脈動和調(diào)速范圍的限制制約了其應(yīng)用范圍,一般無法滿足工藝要求嚴格的板材冷、熱軋機的主傳動控制,目前主要用于對過載能力要求不高,速度高但調(diào)速范圍不大的不可逆軋機主傳動,如棒材、高速線材精軋主傳動。在我國武漢、天津、昆明等地的高速線材精軋機主傳動中均有應(yīng)用。5交-直-交三電平變頻傳動系統(tǒng)隨著高壓

12、、大電流的IGBT、GTO、IGCT、IEGT等大功率可關(guān)斷電力電子器件的不斷開發(fā)成功,交-直-交電壓型PWM變頻調(diào)速技術(shù)正在不斷向大容量裝置發(fā)展。與傳統(tǒng)的半可控晶閘管器件相比,采用自關(guān)斷電力半導(dǎo)體器件的電氣傳動裝置具有節(jié)約原材料、變換器裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、功率因數(shù)高、諧波污染小等顯著優(yōu)點。通32008,35(8)過采用全數(shù)字三電平PWM技術(shù)使得交-直-交電壓型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)性能得到極大提高,系統(tǒng)裝機容量也得到大幅度提高,完全能夠滿足軋鋼機高性能主傳動的要求?，F(xiàn)在,交-直-交三電平變頻系統(tǒng)已經(jīng)在中厚板軋機、帶鋼熱連軋機、冷連軋機、單機架冷軋機等大型軋機的主傳動上與交-交變頻系統(tǒng)展

13、開競爭。作為軋機主傳動的三電平PWM變頻系統(tǒng),一般其電網(wǎng)側(cè)和電動機側(cè)采用相同的三電平結(jié)構(gòu),前者完成系統(tǒng)的功率變換,后者完成系統(tǒng)的傳動功能。電網(wǎng)側(cè)的三電平PWM整流控制,可以使系統(tǒng)在整個調(diào)速范圍內(nèi)電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)保持在1左右,且電流諧波總量THD控制在4%以內(nèi),能夠很好地實現(xiàn)高功率因數(shù)、低諧波污染且能量可逆利用,不再需要價格昂貴且復(fù)雜的動態(tài)無功補償設(shè)備及諧波濾波裝置。而逆變側(cè)的三電平PWM控制則大大緩解了輸出電壓的du/dt,使輸出電壓更加接近正弦波,減小了負載脈動,有效提高了傳動系統(tǒng)的性能指標。采用中點箝位式(Neutral Point Clamped,NPC)結(jié)構(gòu)的三電平PWM變頻系統(tǒng)主回路接

14、線原理見圖3。圖中可關(guān)斷器件采用IGBT元件。當采用GTO、IGCT等其他元件時,其主回路機構(gòu)一致,主要區(qū)別在于相應(yīng)的保護回路和觸發(fā)系統(tǒng)。5. 1GTO三電平PWM變頻系統(tǒng)采用GTO元件的交-直-交變頻系統(tǒng)首先被應(yīng)用在機車牽引上,成熟使用后,采用雙三電平PWM控制的GTO變頻系統(tǒng)被引入到軋機主傳動中。目前,日本三菱公司已成功研制出6 000 V/6 000 A的大功率GTO元件,單機變頻裝置容量可以達到10MW以上,在國內(nèi)外大型軋機上有大量應(yīng)用。我國的鞍鋼1 780 mm熱帶全連軋和寶鋼1 580 mm半連軋生產(chǎn)線主傳動都是采用的三電平GTO同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)。但GTO器件的通態(tài)損耗及開關(guān)損

15、耗都存在很大缺點,而且無法與反并聯(lián)二極管集成,需要復(fù)雜的門極驅(qū)動電路和阻容吸收回路,對系統(tǒng)的可靠性和效率有一定的影響,與功耗小、驅(qū)動簡單而單元件容量逐步增大的場控器件相比逐漸失去競爭優(yōu)勢。這在一定程度上限制了GTO變頻系統(tǒng)的大范圍應(yīng)用。5. 2IGCT三電平PWM變頻系統(tǒng)IGCT是在GTO元件基礎(chǔ)上研制出的一種新型大功率電力半導(dǎo)體器件。該器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計中減少了控制門極回路電感,并將驅(qū)動電路集成到器件旁,使IGCT的開關(guān)損耗較GTO減少一個數(shù)量級,取消了緩沖吸收電路,在簡化變頻器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)效率。同時,與GTO元件相比,IGCT控制回路簡單,功率部分易于模塊化,無論從系統(tǒng)經(jīng)濟性、可靠性和

16、可維護性上都有大幅度提高。目前,單元件4 000 A/4 500 V的IGCT器件已經(jīng)投入產(chǎn)品化應(yīng)用,采用IGCT的大功率三電平PWM變頻器在軋鋼機主傳動中得到了越來越廣泛的使用。我國新建的舞陽鋼廠寬厚板軋機主傳動以及本溪鋼廠1 700 mm熱軋精軋機主傳動都采用了IGCT三電平變頻系統(tǒng)。綜合來看,IGCT雖然是一種較為理想的大功率中高壓開關(guān)42008,35(8)變頻應(yīng)用專題 EMCA器件,但與電壓型驅(qū)動器件相比, IGCT需要門極驅(qū)動電路為其提供開通驅(qū)動電流和關(guān)斷時的抽電流,驅(qū)動功率依然比較大,這在開關(guān)頻率高的應(yīng)用場合尤為明顯,是IGCT元件的主要缺陷之一。5. 3IGBT三電平PWM變頻系

17、統(tǒng)IGBT元件屬于場控器件,具有快速的開關(guān)特性(可達1030 kHz),易驅(qū)動、關(guān)斷均勻、無需緩沖電路,可以很容易地將反并聯(lián)二極管與IGBT元件集成在一起,總體性能優(yōu)良,十分適用于高頻開關(guān)場合的應(yīng)用;但長期以來受元件容量的限制,主要應(yīng)用在低壓中、小容量變頻系統(tǒng)中。近年來其在容量上有了很大發(fā)展。德國已研制出1 000 A/6 500 V的IGBT器件,同時也出現(xiàn)了采用IGBT器件的三電平PWM變頻裝置應(yīng)用于軋機主傳動的系統(tǒng)。我國寶鋼1 550 mm冷連軋機及邯鄲鋼廠冷軋帶鋼生產(chǎn)線采用的都是IGBT元件構(gòu)成的三電平變頻系統(tǒng)驅(qū)動主傳動電動機。較之前所述的GTO等元件, IGBT系統(tǒng)在噪聲、體積和靈活

18、性上有很大的進步。目前,中小功率軋機主傳動交-直-交調(diào)速系統(tǒng)基本上已經(jīng)被IGBT元件所占領(lǐng)。但由于高壓IGBT元件存在通態(tài)壓降高、發(fā)熱嚴重、關(guān)斷時有電流拖尾現(xiàn)象等缺陷,在超大容量軋機上普及應(yīng)用還需要一定的發(fā)展過程。5. 4IEGT三電平PWM變頻系統(tǒng)IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor),是東芝公司1993年開發(fā)出的新一代電力電子器件,具有通態(tài)壓降低、門極驅(qū)動簡單、開關(guān)損耗小、易于串聯(lián)運行等諸多優(yōu)點。IEGT與IGBT一樣同屬于電壓型觸發(fā)器件,觸發(fā)功率小(不到1W),開關(guān)速度高,也有關(guān)斷速度快、損耗低、安全工作區(qū)域較寬的特點。另外, IEGT具有很高的

19、開通/關(guān)斷速度和di/dt承受能力,在高開關(guān)頻率下依然保持較低的開關(guān)損耗,且元件本身很寬的安全工作區(qū)能夠承受較高的du/dt和di/dt,對吸收和緩沖回路要求不高。因此,在組成內(nèi)部回路時用到的器件數(shù)量較少,能夠很大程度上提高系統(tǒng)的可靠性。采用IEGT器件構(gòu)成的三電平PWM變頻系統(tǒng)在我國軋鋼廠也已成功應(yīng)用,目前漣源鋼鐵公司薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線、太原鋼廠2250熱連軋生產(chǎn)線、新余鋼廠中厚板的軋機主傳動都采用了這種系統(tǒng)。從使用效果及性能指標上看, IEGT的三電平變頻系統(tǒng)具有一定的競爭優(yōu)勢,在目前來講是一種較為理想的適合在大功率變流器中使用的可關(guān)斷電力電子器件。6國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)目前各大中型鋼鐵企業(yè)

20、對產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量和品種不斷提出新的目標,同時也帶來了對大型軋機的交流變頻驅(qū)動設(shè)備更大的需求量和更高的性能要求。我國軋機傳動系統(tǒng)的大功率化和交流化已成為不可扭轉(zhuǎn)的趨勢。國內(nèi)新項目中,主軋機的功率范圍一般在12 kW6MW,幾乎完全采用了交流電動機驅(qū)動。這其中,交-交變頻系統(tǒng)以其優(yōu)秀的性能價格比仍然具有很大的市場占有量,占據(jù)著約70%以上的中厚板、冷熱軋寬帶鋼主傳動調(diào)速市場,但這一份額也在日益減小;交-直-交三電平變頻系統(tǒng)價格相對昂貴,需要一次性投資較大(約為交-交變頻的23倍),但它對電網(wǎng)側(cè)的優(yōu)良性能表現(xiàn)能夠避免對無功補償設(shè)備的額外資金和場地占用,長期使用中也能顯著節(jié)電,有著不可比擬的優(yōu)勢,已經(jīng)

21、成為現(xiàn)代化大型軋鋼廠先進電氣裝備的標志,有廣闊的應(yīng)用前景。在棒線材、中小規(guī)模型鋼廠,除部分(約有20%)企業(yè)出于成本考慮仍采用直流系統(tǒng)外,大部分新項目都采用了全交流調(diào)速方式;由于功率范圍及調(diào)速方式的特點,調(diào)速系統(tǒng)一般都采用交-直-交變頻方式,特別是線材的精軋機連續(xù)的工作方式?jīng)Q定了LCI系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢,有著廣泛應(yīng)用。軋鋼機高性能交流電動機控制系統(tǒng)的研究是一門集電機學(xué)、電力電子、自動化、控制論、計算機應(yīng)用及數(shù)字仿真等于一體的綜合學(xué)科。長期以來,我國大型軋機主傳動電控系統(tǒng)裝備一直依賴于進口,而且主要被幾家大型跨國電氣公司所壟斷。自20世紀90年代開始,國家也加大了這方面研究的力度,但是由于基礎(chǔ)硬

22、件(如功率器件、核心芯片等)方面的落后,研究起點相對比較低,不能在短時間內(nèi)形成規(guī)模和工程化產(chǎn)品,暫時無法形成與國外大公司成熟系統(tǒng)之間的有效競爭。值得欣慰的是,高性能大功率交流調(diào)速系統(tǒng)的研制在我國已越來越得到了重視;國家把大型軋機主傳動交流調(diào)速國產(chǎn)化列入重大技術(shù)裝備科技攻關(guān)項目,高等學(xué)校、研究院所、電機廠、大型鋼鐵公司等單位都對此進行了各個層次的研究和探討;針對三電平整流和逆變主回路拓撲結(jié)構(gòu),PWM調(diào)制理論的研究也成為重點;采用高性能數(shù)字信號處理器(DSP)控制的交-直-交變頻系統(tǒng)已在中小功率范圍內(nèi)日趨成熟,為大功率高性能交流傳動系統(tǒng)的國產(chǎn)化、早日打破國外大公司對軋機主傳動交流系統(tǒng)的壟斷地位打下

23、了良好基礎(chǔ)。7結(jié)語大型軋機主傳動電動機功率大、負荷重、連續(xù)作業(yè)、過載倍數(shù)大,對電控系統(tǒng)有很高的要求,在我國存在大量改造和新建系統(tǒng)需求,有著廣闊的應(yīng)用前景。通過對以上幾種能夠滿足軋鋼機主傳動驅(qū)動要求的高性能調(diào)速系統(tǒng)進行的分析比較,得出如下結(jié)論。(1)高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的各項指標已經(jīng)達到或者超過了直流系統(tǒng)。大型軋機主傳動電控系統(tǒng)已經(jīng)由過去的直流系統(tǒng)逐步為交流變頻調(diào)速所取代。新建生產(chǎn)線的主傳動無一例外采用了變頻調(diào)速技術(shù)。(2) LCI系統(tǒng)調(diào)速范圍有限,無法勝任所有軋機的工藝要求。交-交變頻系統(tǒng)功率器件成熟,性能指標完全滿足軋機主傳動需要,但對電動機頻率輸出有限,電網(wǎng)側(cè)需要加繁雜的濾波補償系統(tǒng),應(yīng)用范

24、圍受到一定限制。采用可關(guān)斷功率器件的雙三電平PWM交-直-交變頻系統(tǒng)在電網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)同時獲得了優(yōu)良的控制性能,采用IGBT、IGCT、IEGT等功率器件的集成化變頻裝置已經(jīng)大量在軋鋼機上應(yīng)用,成為目前交流調(diào)速發(fā)展的主流方向。(3)我國在軋機用大功率高性能變頻調(diào)速方面的制造和技術(shù)水平距離發(fā)達國家大型電氣公司的成熟產(chǎn)品尚有一定差距,必須盡快加強在交流電機控制理論、器件制造工藝、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面的研究,跟蹤世界先進技術(shù)發(fā)展,盡快打破國外產(chǎn)品在這一領(lǐng)域的壟斷局面。以上是北科大（張勇軍）2大功率變頻器的應(yīng)用分析2.1大功率變頻器大功率變頻器用于大型軋機主傳動，功率在310 MW以上。在這個功率范圍內(nèi)，與傳

25、統(tǒng)的直流調(diào)速相比，交流變頻調(diào)速中變頻器增加的成本可以從電動機和維護節(jié)約的成本中得到補償，采用交流調(diào)速無論從技術(shù)上還是從經(jīng)濟上看都比較合理，基本上實現(xiàn)了以交流調(diào)速取代直流調(diào)速。除功率大外，主傳動還要求：過載能力強（22.5倍）；能快速正反轉(zhuǎn)（可逆軋機類）；靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度高、動態(tài)沖擊速降小、恢復(fù)快及加減速跟蹤性能好（連軋機類）；變頻器需有能量回饋功能，四象限運行。大型主傳動使用的變頻器主要有兩類；基于晶閘管移相控制的交交變頻器和基于高壓大容量自關(guān)斷器件PWM控制的三電平交直交變頻器?，F(xiàn)在流行的H橋級聯(lián)多電平變頻器在主傳動中幾乎不用，原因是整流電源數(shù)目太多，實現(xiàn)能量回饋復(fù)雜。與通用變頻器不同，主傳動用

26、變頻器輸出的額定電壓根據(jù)變頻器拓撲和使用器件的電壓等級決定，額定頻率根據(jù)工藝要求的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速范圍決定，通常不同于供電電網(wǎng)。這一方面是因為主傳動要求電動機過載倍數(shù)大、慣量小、結(jié)構(gòu)強，需要專門設(shè)計，可以充分考慮變頻器和工藝的期望，充分利用器件電壓和電流；另一方面主傳動不要求在變頻器故障時旁路變頻器，讓電動機直接掛網(wǎng)恒速工作，因此電動機電壓和頻率沒有必要和電網(wǎng)一致。交交變頻器額定輸出電壓為1 650 V或3 300 V，三電平變頻器額定輸出電壓有2 300 V、3 0003 300 V及4 160 V，都和我國電網(wǎng)電壓不同。交交變頻器已在我國大量應(yīng)用，多達數(shù)百套，近年來大功率三電平交直交變頻

27、器的應(yīng)用逐漸增多，目前兩類設(shè)備并存，各有優(yōu)缺點，比較如下：（1）兩類系統(tǒng)都是高性能調(diào)速系統(tǒng)，動、靜態(tài)品質(zhì)優(yōu)良，都能滿足軋機主傳動的極高要求。（2）由于交交變頻器及其電網(wǎng)補償裝置已國產(chǎn)化，價格便宜。以7 MW的裝置為例，一套兩倍過載的交交變頻裝置大約需要人民幣300多萬元（由于補償裝置是全車間統(tǒng)一配置，很難折算到每套變頻支出，在此不計入補償裝置價格）。三電平變頻器尚未國產(chǎn)化，價格高昂，一套基于IGCT的9 MVA雙PWM三電平進口變頻器（無過載能力）需要約100萬美元，要滿足7 MW電動機兩倍過載要求，需兩套并聯(lián)（由于控制部分公用，價格不加倍）。（3）交交變頻器的器件基于晶閘管，過載能力大，可靠

28、性高，國產(chǎn)晶閘管的質(zhì)量已達世界先進水平，變頻裝置基于可逆整流，技術(shù)成熟；三電平變頻器基于大功率可關(guān)斷器件IGCT、IEGT或IGBT（7 MVA以下裝置），不能過載，可靠性不如晶閘管，裝置的成熟程度也不如交交變頻。從備品備件角度考慮，交交變頻器也優(yōu)于三電平變頻器。（4）隨著輸出頻率的降低，交直交逆變器中各個器件承受大電流的時間加長，溫升增加，需要降低裝置輸出電流。以ABB的9 MVA裝置為例，從8 Hz開始降低輸出，83 Hz從100線性降至70，03 Hz為70，若軋機有長時間低速運行工況，例如可逆軋機，需增大變頻裝置容量30。交交變頻器在降低輸出頻率時，每個晶閘管的導(dǎo)通時間不變，仍為3.3

29、 ms，不降低電流輸出能力，比較適合低速運行工況。（5）雙PWM三電平變頻器的最大優(yōu)點是電網(wǎng)側(cè)電流正弦，無功量可從感性到容性人為設(shè)置和控制，包括零無功（功率因數(shù)=1），不需要電網(wǎng)補償裝置或僅需一組高通濾波器；交交變頻工作時產(chǎn)生大量無功和諧波（特征諧波和旁頻），需要大的電網(wǎng)補償裝置，不僅增加設(shè)備，還占據(jù)龐大建筑面積（主要是電抗器和電容量占地），采用交交變頻節(jié)約的投資被電網(wǎng)補償增加的設(shè)備和土建投資抵消掉一大部分，甚至反而超出。（6）晶閘管的導(dǎo)通壓降比大功率可關(guān)斷器件低，交交變頻是一次換流，而交直交變頻是二次換流，所以從變頻器本身而言交交應(yīng)比交直交損耗小，效率高，但計入電網(wǎng)補償裝置的損耗（主要是電抗

30、器損耗）后，交交方案可能反而損耗大。（7）軋制車間中通常有多套主傳動，電網(wǎng)補償是整個車間統(tǒng)一補償，兩種變頻方案哪個更經(jīng)濟需要全車間統(tǒng)一核算，在核算中不僅要考慮變頻及補償設(shè)備總價及總損耗，還要計及土建投資。（8）若車間中有多套主傳動，一部分用雙PWM三電平交直交變頻器（例如精軋主傳動），另一部分用交交變頻器（例如粗軋主傳動），用交直交變頻器有源前端產(chǎn)生的容性無功去補償交交變頻器產(chǎn)生的感性無功，從而省去動態(tài)無功補償裝置，節(jié)約投資，能取得很好效果，西門子公司已有成功應(yīng)用實例。3變頻器控制系統(tǒng)絕大多數(shù)軋制傳動要求調(diào)速系統(tǒng)有良好的動、靜態(tài)性能，需要高性能控制系統(tǒng)（矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制），另外由于工藝要

31、求的多樣性，還要求變頻器控制系統(tǒng)除具有雙環(huán)（速度外環(huán)和轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)）基礎(chǔ)調(diào)速功能外，還需有靈活修改系統(tǒng)滿足各種工藝控制要求的能力。目前國產(chǎn)變頻器大多基于開環(huán)V/F控制，只有少量產(chǎn)品有矢量控制，在這些矢量控制產(chǎn)品中實現(xiàn)工藝控制的能力不足。軋制傳動對基礎(chǔ)調(diào)速控制系統(tǒng)的要求為：（1）基礎(chǔ)調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)包括開環(huán)V/F控制和高性能控制（矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制）兩類系統(tǒng)，其中高性能系統(tǒng)還應(yīng)有無編碼器和帶編碼器兩種控制方法，幾種控制應(yīng)能通過軟件選擇。帶編碼器的系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)速精度和跟蹤性能要求高（精度取決于數(shù)字量的分辨率）、有長期低速運行工況或要求大起動轉(zhuǎn)矩場合；無編碼器系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)速精度大于0.1轉(zhuǎn)差率、轉(zhuǎn)速和跟蹤性能一般、無長期低速工況或起動轉(zhuǎn)矩一般場合。（2）高性能系統(tǒng)應(yīng)能通過軟件設(shè)置選擇轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩雙環(huán)工作模式或轉(zhuǎn)矩環(huán)單環(huán)工作模式。單環(huán)工作時轉(zhuǎn)矩設(shè)定通過改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器限幅值或?qū)Ｓ幂斎肟谳斎?，以滿足主、從控制或張力控制等要求。軋制傳動的工藝控制要求種類繁多，多在