大功率整流電源在熱連軋生產(chǎn)線上應(yīng)用

曹學(xué)旺，梁素芬，穆太青，戴科，趙博

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

大功率整流電源在熱連軋生產(chǎn)線上應(yīng)用

曹學(xué)旺，梁素芬，穆太青，戴科，趙博

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

以帶鋼熱連軋生產(chǎn)線為應(yīng)用對(duì)象，詳細(xì)描述了大功率二極管整流電源設(shè)計(jì)與計(jì)算。通過在TAC1系列逆變器交流調(diào)速系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，證明了大功率二極管整流單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全合理，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

帶鋼熱連軋；大功率二極管整流；TAC1變頻器；節(jié)能降耗；經(jīng)濟(jì)效益

熱連軋帶鋼生產(chǎn)線主軋機(jī)以往都采用直流電機(jī)方案，控制方案大都采用直流調(diào)速系統(tǒng)方案，這主要是基于直流調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)非常成熟，調(diào)速性能優(yōu)良，市場應(yīng)用廣泛，熟悉掌握維修技術(shù)人員多，但電機(jī)日常維護(hù)量大，費(fèi)力費(fèi)工。特別是電機(jī)碳刷要經(jīng)常更換，工人要時(shí)常檢查電機(jī)碳刷磨損情況決定是否更換。另外直流電機(jī)一般比同功率交流電機(jī)要貴，交流調(diào)速系統(tǒng)比直流調(diào)速系統(tǒng)貴，因此前些年主軋機(jī)都使用直流電機(jī)。但是這幾年隨著國產(chǎn)變頻器的生產(chǎn)，交流調(diào)速系統(tǒng)價(jià)格下降，國家節(jié)能降耗要求，1 000 kW以下交流主機(jī)逐漸應(yīng)用多起來。所以我們?cè)O(shè)計(jì)一條全交流450熱連軋帶鋼生產(chǎn)線，為此專門設(shè)計(jì)一套直流大功率二極管整流電源。本文專門介紹電源設(shè)計(jì)計(jì)算，最后介紹實(shí)際應(yīng)用效果。

1 方案設(shè)計(jì)比較

根據(jù)450帶鋼軋鋼工藝計(jì)算提出主電機(jī)設(shè)計(jì)初步方案:初軋1立2平，中軋2立5平，精軋1立7平，平板鏈和卷取機(jī)共4臺(tái)132 kW電機(jī)。主機(jī)總裝機(jī)容量7×800+7×1 000+2×400+1×200+4× 132=14 400 kW。

1.0 mm以下產(chǎn)品，初軋和中軋脫頭軋制，中精軋全連軋關(guān)系，在450帶鋼生產(chǎn)線，之前都是直流電機(jī)，直流電機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)都采用直流調(diào)速系統(tǒng)，由整流變壓器供給整流柜交流電，按照直流整流系統(tǒng)要求，為滿足整流要求，整流變壓器視在容量至少應(yīng)是電機(jī)總功率的1.5倍，即14 400× 1.5=21 600 kV·A，變電站一般帶鋼需要10 kV變電站20 MV·A視在容量。生產(chǎn)廠家必須申請(qǐng)用電指標(biāo)20 MV·A，不管生產(chǎn)與否每月都必須交納每kV·A 17～20元變壓器空栽損耗費(fèi)，這是一筆可觀費(fèi)用。并且直流系統(tǒng)由于整流本身特點(diǎn)，功率因數(shù)一般在0.75以下，生產(chǎn)廠家必須再投資靜態(tài)SVC，這又是一筆不少費(fèi)用，大概300萬元左右。綜合以上原因，我單位和用戶幾經(jīng)研究論證，最后決定采用全交流交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)使用660V變頻調(diào)速電機(jī)。

2 方案設(shè)計(jì)

首先設(shè)計(jì)采用的交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，是我方自主開發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TAC1系列逆變器，考慮到投資和經(jīng)濟(jì)效益，整流電源采用大功率二極管整流電源。選擇二極管整流的幾個(gè)原因:

1）帶鋼450熱連軋基本工作在電動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)狀態(tài)主要工作在事故緊急停車時(shí)候，制動(dòng)時(shí)可以采用能耗制動(dòng)實(shí)現(xiàn)。電源配置制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)，雖然不能回饋電網(wǎng)能量，但由于緊急制動(dòng)屬于特別情況，極少發(fā)生，相比軋制消耗只占0.1%，可以忽略。

2）二極管整流功率因數(shù)高。二極管自然換相點(diǎn)換相，功率因數(shù)只與變壓器漏抗和換相缺角有關(guān)，一般變壓器短路阻抗6.5%。另外采用12相整流電源由于副邊輸出電壓相位角相差30°:

雙副邊電流感應(yīng)到原邊電流的5次、7次、17次、19次諧波互相反相，在原邊自然抵消，高壓側(cè)電流只含有少量11次、13次、23次、25次諧波，由于諧波幅值與諧波次數(shù)成反比，所以高次諧波幅值為1/11，1/13，1/23和1/25，我國電網(wǎng)中一般只考慮11次和13次諧波，根據(jù)文獻(xiàn)［3］說明，理論上計(jì)算值很大，實(shí)際工程計(jì)算按照11次諧波電流值為0.068×I1，13次電流是基波0.054，其他高次諧波幅值很低不考核?；娏鳛?，總電流為

基波占比為1/1.006=0.994，電流波接近正弦波。由于功率因數(shù)高達(dá)0.95以上，所以原邊不用增加功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備。我國10 kV電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定短路容量為300 MV·A左右，短路阻抗0.361 Ω，11次電流系數(shù)0.068，9 000 kV·A變壓器原邊電流519 A。小于國標(biāo)GB12326—2000《電能管理電壓波動(dòng)和閃變》規(guī)定電網(wǎng)電壓畸變率4%，供電局多次現(xiàn)場檢測只有3.6%，總電壓畸變率完全符合國標(biāo)要求。

3）單機(jī)功率可以很大，每臺(tái)可以達(dá)到4 500 kW，并且方便并聯(lián)運(yùn)行、控制簡單。對(duì)于IGBT整流電源來說，雖然功率因數(shù)理論上可以等于1，但由于IGBT元件容量限制，IGBT整流單機(jī)為1 400 kW，4 500 kW，因此需要4臺(tái)并聯(lián)才能達(dá)到滿足。雖然它功率因數(shù)更高，諧波更低，但投資太大。晶閘管整流由于有整流角α，功率因數(shù)比二極管和IGBT都低，為安全裕量又需要提高電壓，控制復(fù)雜投資大，不好并聯(lián)；又考慮均流，有時(shí)還要加直流電抗器，增加投資，在特大功率整流電源給電容型負(fù)載，我們也不選擇晶閘管方式。

綜合以上幾點(diǎn)我們?cè)O(shè)計(jì)以下經(jīng)濟(jì)實(shí)惠供電方案，如圖1所示。

圖1 供電圖單線框圖Fig.1 A typical power supply signle line diagram

根據(jù)以往幾個(gè)同等帶鋼生產(chǎn)廠家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們選擇供電整流變壓器共9 000 kV·A，1臺(tái)9 000 kV·A，雙副邊全裂解12相整流變壓器，用2套整流單元，每套采用1臺(tái)進(jìn)線控制柜，1臺(tái)二極管整流柜，1臺(tái)制動(dòng)單元控制柜。直流輸出側(cè)用母線連接起來，形成1組9 000 A，870 V公共直流電源。為了增加母線上儲(chǔ)能，又設(shè)計(jì)配備2臺(tái)電容柜，目的是因?yàn)椴捎秒妷盒湍孀兤?，為了母線電壓波動(dòng)小增加電容柜儲(chǔ)存能量。

3 控制方案詳解

控制單線圖如圖2所示。

圖2 電源控制單線框圖Fig.2 A typical power supply control single line block diagram

進(jìn)線控制柜內(nèi)包含1臺(tái)5 000 A進(jìn)線斷路器，1套充電控制回路。工作原理:所設(shè)計(jì)電壓檢測控制裝置共5路電壓檢測，包括三相進(jìn)線電壓測量，2路直流電壓測量和2路交流電流測量防止過流。充電回路由1臺(tái)進(jìn)線開關(guān)，1臺(tái)接觸器，三相串聯(lián)電阻構(gòu)成，電阻并聯(lián)在主斷路器開關(guān)三相母排。另外配置1臺(tái)西門子S7-200PLC和1臺(tái)接地絕緣檢測儀。接地檢測監(jiān)測直流母線接地，如果發(fā)生接地，輸出故障信號(hào)給S7-200，控制系統(tǒng)跳閘。電流信號(hào)經(jīng)過控制板信號(hào)處理進(jìn)入S7-200，作為故障源，用于系統(tǒng)跳閘。直流電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理輸入S7-200，預(yù)充電電壓達(dá)到870 V時(shí)合主斷路器同時(shí)切開預(yù)充電接觸器。完成送電，整個(gè)過程需要柜門設(shè)置1個(gè)啟動(dòng)旋扭開關(guān)接入S7-200發(fā)啟動(dòng)工作命令。

充電電阻選擇:1）充電電阻阻值計(jì)算。根據(jù)交流進(jìn)線電壓660 V，相電壓380 V，充電前直流側(cè)0V，按充電峰值100A計(jì)算，380V/100A=3.8 Ω，考慮電壓抬升、裕量，充電電阻采用4.0 Ω；2）電阻功率計(jì)算。按充電時(shí)間10 s計(jì)算，簡化計(jì)算充電電流是衰減波形，充電電流時(shí)間常數(shù)T=R×C，經(jīng)過3～4個(gè)周期就達(dá)到95%，根據(jù)計(jì)算，在電阻4 Ω情況下，峰值100 A，1 s內(nèi)小于50 A，2 s內(nèi)小于20A，剩余時(shí)間電流快速下降，功率相當(dāng)于10 kW，由于三相充電平均值每相6 kW，電阻可以短期過載5～7倍，實(shí)際選擇4.5 kW。

采用充電電阻2 Ω作仿真，仿真結(jié)果見圖3，自上而下分別為直流電壓波形，充電直流波電流形及三相交流充電電流波形。

圖3 充電電阻2 Ω仿真圖Fig.3 Simulation diagrams of charging2 Ωresistance

電容組計(jì)算:根據(jù)變頻器基本理論，整流單元需要加裝電容組，參考國外廠家公開數(shù)據(jù)，進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)和仿真。

大功率整流單元每臺(tái)輸出電流4 500A，需要66 mF電容，2臺(tái)共需要132 mF/1.2 MW。逆變器本身有電容19 mF，14臺(tái)為19×14=266 mF，加上公共直流側(cè)其他逆變器300 mF，設(shè)計(jì)電容組用每個(gè)電容450 V/8 200 mF，3個(gè)串聯(lián)然后再并聯(lián)，15個(gè)為1組，每臺(tái)電容柜放6組，90個(gè)1柜，仿真波形如圖4。第1項(xiàng)為直流電壓穩(wěn)定900 V；第2項(xiàng)為直流電流穩(wěn)定10 000 A；第3～5項(xiàng)為3組整流柜交流電流波形±4000A之間。

圖4 階躍9 000 A直流電壓、交流電流仿真圖Fig.4 Step 9 000 A DC voltage and AC current simulation diagram

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，考慮性能價(jià)格，最后采用2臺(tái)電容柜，每臺(tái)90個(gè)，每個(gè)電容450 V，5 600 mF。實(shí)際應(yīng)用后驗(yàn)證滿足要求。

4 實(shí)際應(yīng)用

3 a來，廠家一直在使用和生產(chǎn)，產(chǎn)量順利達(dá)產(chǎn)，并且取得良好經(jīng)濟(jì)效益。共節(jié)省變壓器容量20 000-9 000=11 000 kV·A，按每月1 kV·A 20元計(jì)算，11 000×12×20=2 640 000元，每年節(jié)省264萬元。節(jié)約購置變壓器6 000×100=60萬元。幾次供電局測量功率因數(shù)都在0.95以上。逆變器采用國產(chǎn)TAC1變頻器節(jié)約投入資金400萬元以上。在450帶鋼該廠應(yīng)是第一家采用國產(chǎn)變頻器，產(chǎn)品質(zhì)量好、效益高，響應(yīng)國家節(jié)能降耗政策。工作采集數(shù)據(jù)，變壓器滿載運(yùn)行，2臺(tái)整流電源直接并聯(lián)，靠每臺(tái)變壓器短路阻抗和連接電纜實(shí)現(xiàn)均流，均流系數(shù)0.92以上。達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足了生產(chǎn)需要。

大功率整流電源是供給軋機(jī)變頻器，TAC1整條線應(yīng)用，尤其是最后7個(gè)機(jī)架1 000 kW電機(jī)，電機(jī)是專門設(shè)計(jì)的6極電機(jī)，基速500 r/min，額定電流1 297 A，變頻器單臺(tái)1.2 MW，額定電流1 230 A。變頻器經(jīng)過考驗(yàn)，充分證明TAC1過載能力和性能參數(shù)良好。本項(xiàng)目共用15臺(tái)TAC1-1M2-I2D， 3臺(tái) TAC1-630-I2D，1臺(tái) TAC1-315-I2B，4臺(tái)TAC1-200-I2B，8臺(tái)TAC1-200-B2B，都經(jīng)受住了考驗(yàn)，同時(shí)也順利完成產(chǎn)品應(yīng)用驗(yàn)收。TAC1已在國內(nèi)多處應(yīng)用。

5 結(jié)論

充分證明大功率整流單元應(yīng)用。通過TAC1變頻器應(yīng)用在工程中，最終達(dá)到節(jié)能降耗，節(jié)省投資設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)投資方和設(shè)備供應(yīng)方利益雙贏。投資方既節(jié)省投資又完成項(xiàng)目投資回報(bào)，供應(yīng)方新產(chǎn)品達(dá)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并經(jīng)受住惡劣環(huán)境考驗(yàn)。

［1］天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)［M］.第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］西安交通大學(xué)黃俊主編高等學(xué)校教材《半導(dǎo)體變流技術(shù)》［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

［4］編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1996.

Applying of the High Power Rectifier on Continuous Strip Mills Line

CAO Xuewang，LIANG Sufen，MU Taiqing，DAI Ke，ZHAO Bo
（Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）

The design and calculation of high power diode rectifier were described in detail for the application object of strip hot rolling production line.Through the practical application in AC speed regulating system of TAC1 series inverter，it is proved that the design of high power diode rectifier unit is completely reasonable，and achieves the goal of saving energy and reducing consumption.

hot strip mills；high power diode rectifier；TAC1 converter；saving energy and reducing consumption；economic benefits

TM921

A

10.19457/j.1001-2095.20170502

2016-06-02

修改稿日期：2016-10-24

曹學(xué)旺（1967-），男，本科，高級(jí)工程師，Email:caoxwang@126.com