宝钢交流调速的应用现状及思考

摘 要:文章以综述的方式概要的介绍了宝钢一、二、三期工程建设中交流调速的应用情况。在分析现场应用各类的基本结构、性能、应用效果、存在的不足以及变频调速的应用给系统带来的电磁兼容问题的基础上。提出了宝钢三期后过程以及一、二期设备改造中交流调速的方案选择及需要注意的一些关键问题。 关键词:双PWM 交流调速 节能 大、中型变频器 通用变频器 功率器件 电磁兼容 Abstract:This paper introduced the application of inverter in steel factory, and raised the project reference in AC velocity modulation for appliance renovation and main problem in working. Keywords:double-PWM AC velocity modulation energy-saving inverter [中图分类号] TM921 [文献标识码] A 文章编号 1561-0330(2002)03-0010-05 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