三電平變頻器在本鋼熱軋廠粗軋機(jī)主傳動上的重要技術(shù)應(yīng)用分析

摘要：熱軋待鋼生產(chǎn)過程中，在軋鋼生產(chǎn)線上進(jìn)行鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)的操控技術(shù)含量高、規(guī)模較大、生產(chǎn)性投資也高。通過電子注入增強(qiáng)門極晶體管（IEGT）為功率元件的新型三電平中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)等胸痛的改進(jìn)，大大提升了軋鋼生產(chǎn)線生產(chǎn)效率，解決了鋼鐵生產(chǎn)線中軋制瓶頸問題。

關(guān)鍵詞：三電平變頻器;熱軋;主傳動

一、前言

現(xiàn)代軋鋼生產(chǎn)過程核心設(shè)備是變頻器控制交流電機(jī)，其控制性能關(guān)系到軋鋼速度控制和機(jī)架之間的速度配合，對于軋鋼產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量都有直接的影響。三電平變頻器、主回路硬件和供電回路進(jìn)行電壓時(shí)量的控制，通過開關(guān)控制輸出[1]。三電瓶直流電為通過三電平逆變器調(diào)試，使得整流過程電流還整合、電壓還調(diào)節(jié)等，符合逆變器運(yùn)行操作流程。

二、軋鋼機(jī)主動控制技術(shù)要求

電動機(jī)作為重要設(shè)備運(yùn)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，為設(shè)備提供動力，隨著機(jī)械冶金等的規(guī)模擴(kuò)張，帶你冬季的調(diào)速和精度控制要求不斷提升，尤其是在大型電力傳動自動控制系統(tǒng)運(yùn)用后，主動傳動能夠?yàn)殡姎鈧鲃釉O(shè)備提供較高的過載能力，尤其是在直流交流調(diào)速電動機(jī)出現(xiàn)之后[2]。

通過國內(nèi)外電力傳統(tǒng)學(xué)術(shù)界的研究，目前在電氣公司的運(yùn)用選取具有優(yōu)良傳距控制精度的直流電機(jī)傳動系統(tǒng)作為主要的設(shè)備運(yùn)行，近年來隨著軋鋼生產(chǎn)線的不斷改造建設(shè)雖然取得了規(guī)模質(zhì)量的雙重飛躍，但是生產(chǎn)線技術(shù)問題也不容忽視。直流電機(jī)發(fā)生運(yùn)行量過大的時(shí)候，容易降低轉(zhuǎn)動慣性過載能力，使得扎剛在高速化運(yùn)行過程中出現(xiàn)技術(shù)瓶頸[3]。鋼鐵企業(yè)對老舊生產(chǎn)線進(jìn)行大規(guī)模技術(shù)改造運(yùn)用自動化控制技術(shù)，在電子電流、電力傳動、扎制過程自動化等應(yīng)用上取得了較好的效果。電力電子技術(shù)的發(fā)展和微電子技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)矢量控制理論，在調(diào)速技術(shù)上加以應(yīng)用，采用新型控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能的優(yōu)化。目前，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為主導(dǎo)設(shè)備，能夠滿足軋鋼過程中轉(zhuǎn)距和電流控制動態(tài)響應(yīng)以及速度控制、動態(tài)響應(yīng)的要求，用大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)分類，作為系統(tǒng)過載能力和調(diào)速范圍的依據(jù)。例如在軋鋼機(jī)主動傳動控制上，型鋼車間一般的出閘機(jī)做簡單的開辟，使用后沒有調(diào)速方面的要求[4]。

三、軋鋼機(jī)主傳動交流調(diào)速技術(shù)比較

為了滿足聯(lián)查所要求的速度積累和扎紙張力控制，調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過傳動控制精度的提升以及其他性能指標(biāo)的提高，將系統(tǒng)的調(diào)速范圍加以增加，大轉(zhuǎn)矩過載能力增強(qiáng)，經(jīng)過連續(xù)軋制鋼設(shè)備轉(zhuǎn)速度提高。

冷軋機(jī)主傳動基本與熱連軋精軋機(jī)相似，具有精確的張力控制要求。目前滿足軋機(jī)傳動要求的變流調(diào)速系統(tǒng)，包括交直流、變頻等形式，如三電平變頻不受器件電壓等級限制，低壓中小功率為主，根據(jù)主回路電力、電子器件不同，可以進(jìn)行晶閘管三電平變頻系統(tǒng)、絕緣柵雙極晶體管、三電平變頻系統(tǒng)的運(yùn)行[5]。

升級后還有采用全數(shù)字變頻調(diào)控、控制三級計(jì)算機(jī)控制等技術(shù)，引進(jìn)世界領(lǐng)先的全套控制系統(tǒng)，實(shí)行關(guān)斷晶閘管作為助傳動器件。

四、交流調(diào)速技術(shù)在軋鋼廠的應(yīng)用

本鋼熱軋帶鋼廠引進(jìn)了成套設(shè)備和技術(shù)，對大功率軋鋼機(jī)主傳動系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，采用直流電動機(jī)的主傳動電動機(jī)存在換向問題，后采用先進(jìn)的定寬壓力極大測壓和機(jī)架可逆粗軋機(jī)作為全套控制系統(tǒng)中的重要設(shè)備，通過自動化控制技術(shù)改造改變了傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)老化，電器關(guān)鍵技術(shù)缺乏等問題[6]。由于軋鋼傳動系統(tǒng)故障頻發(fā)，熱軋廠決定對生產(chǎn)基礎(chǔ)、自動化過程控制及生產(chǎn)控制機(jī)等全部進(jìn)行改造升級，更新檢測儀表，區(qū)域性改造、電氣傳動系統(tǒng)、粗軋機(jī)主動傳動系統(tǒng)作為此次改造的重心部分，改造部分主要圍繞傳動控制裝置和功率變頻裝置，利用現(xiàn)有的濾波系統(tǒng)，對于傳統(tǒng)系統(tǒng)在負(fù)荷不變化情況下進(jìn)行了整流變壓器無負(fù)荷開關(guān)、高壓斷路器等進(jìn)行改造。

交流調(diào)速技術(shù)在軋鋼廠的應(yīng)用，大部分應(yīng)用在高壓、頻調(diào)速，大型軋機(jī)傳動等設(shè)備上。主動傳動電動機(jī)采用直流電動機(jī)較多，但是在應(yīng)用中直流電機(jī)存在著轉(zhuǎn)向問題，換向器和電刷等，不僅維護(hù)工作量大，不能滿足軋鋼機(jī)大型化高速化發(fā)展。因此為了提高過載能力，單機(jī)容量，降低轉(zhuǎn)動慣性，將原有的精扎主傳動電動機(jī)改為交流同步電動機(jī)，建造了新型的軋鋼廠。針對電氣傳動控制要求，考慮到系統(tǒng)的性能指標(biāo)，滿足扎制工藝要求，符合系統(tǒng)過載能力和調(diào)速范圍，將相應(yīng)的扎制工藝、電氣傳動性能要求進(jìn)行了列表如下表1所示。

三電平變頻器調(diào)速系統(tǒng)由三組反并聯(lián)、晶閘管、可逆橋式交流器組成。三相變頻電路擁有不同的輸出項(xiàng)，粗軋機(jī)同時(shí)導(dǎo)通構(gòu)成回路，每項(xiàng)回路有獨(dú)立的變換器，輸出電壓為副版主，交變頻器是電壓源性質(zhì)的變頻器，在電流輸出時(shí)給出電壓變化，通過控制晶閘管的觸發(fā)延遲角來控制相應(yīng)的輸出電壓，總結(jié)控制方法，運(yùn)用正弦波結(jié)交法、線性波結(jié)交法等，自動控制理論，通過查經(jīng)管、相控橋的一次直接轉(zhuǎn)換，避免交織交變頻器中間直流回路元件空機(jī)發(fā)生損耗，確保過載能力優(yōu)良，輸出波形好[7]。

大型軋機(jī)傳動時(shí)為了提升系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性，改善控制系統(tǒng)，運(yùn)用全數(shù)字的傳統(tǒng)控制器，使用三電平交變頻調(diào)速系統(tǒng)向大容量方向發(fā)展，作為軋機(jī)主傳動的三電屏PWM變頻系統(tǒng)采用相同的三列平結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)側(cè)完成系統(tǒng)的功率變化，電網(wǎng)側(cè)采用三練平PWM控制，保持電網(wǎng)功率因素在一左右，使得整個(gè)系統(tǒng)調(diào)速范圍內(nèi)電流諧波總量控制在4%。低諧波污染能量可逆利用，功率因數(shù)高，采用PWM控制，無須昂貴的動態(tài)無功補(bǔ)償，緩解了逆變器輸出電壓的變化率，減小負(fù)載脈動，使得輸出電壓與正弦波相近，有效提高傳動性能。

三電平交直交變頻器的輸出調(diào)速范圍較廣泛，主回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與二極管分力，原件自身內(nèi)部接線較多，改變這一現(xiàn)狀。通過采用全數(shù)字三電屏PWM技術(shù)和DTC直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，大大提高了變頻調(diào)速性能。傳動裝置將續(xù)流二極管與電子器件進(jìn)行集合系統(tǒng)，裝機(jī)容量提高，軋機(jī)高性能要求下功耗得以降低，維護(hù)較為簡單，采用負(fù)載換流的同步電機(jī)變頻調(diào)速LCI在電源側(cè)自然換流、晶閘管、整流器以及直流和電抗器等組成下，利用同步電機(jī)完成了對電源側(cè)的整流器的控制。LCI系統(tǒng)利用同步電機(jī)轉(zhuǎn)子過激磁的容性無功率，輸出電流諧波較大，采用交流調(diào)速技術(shù)運(yùn)行滿足高輸出效率[8]。額定轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)采用電流斷續(xù)換流，使得輸出例句的脈動較小。系統(tǒng)滿足熱軋機(jī)的主傳動控制要求，過載能力要求不高，三電平交直交頻傳動系統(tǒng)與傳統(tǒng)的半可控晶閘管相比，采用半導(dǎo)體器件、自關(guān)斷電力以及傳動裝置技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，變換器裝置結(jié)構(gòu)較為簡單，原材料使用較少，諧波污染小，功率因數(shù)高。

作為軋機(jī)主傳動的三電平PWM變頻系統(tǒng)能量可逆利用，完成系統(tǒng)的傳動功能，同時(shí)也能夠完成系統(tǒng)的功率變換，采用相同的三電平結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)側(cè)的PWM運(yùn)行控制，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的逆變側(cè)的輸出電壓，諧波濾波，減少負(fù)載脈動，有效提高傳動系統(tǒng)性能。PWM變頻系統(tǒng)與反并聯(lián)二極管集成，功率較小，驅(qū)動簡單、原件逐步增大[9]。三電平PWM變頻系統(tǒng)具有很好的可靠性和可維護(hù)性，減少了控制門及回路電感、功率容易模塊化，經(jīng)濟(jì)性增強(qiáng)。采用IGCT電平變頻系統(tǒng)視為一種較為理想的大功率中高壓開關(guān)器件。IGCT電平PWM變頻系統(tǒng)又是用在中小功率軋機(jī)主傳動直交調(diào)速系統(tǒng)上，高壓IEGT原件關(guān)斷時(shí)有電流拖尾現(xiàn)象，因此在進(jìn)行運(yùn)行過程中需要進(jìn)一步加大技術(shù)研究，IEGT三電平PWM變頻系統(tǒng)損耗低，觸發(fā)功率小，屬于電壓型觸發(fā)器件觀念關(guān)斷速度快，在中厚板的軋機(jī)主動主傳動上經(jīng)常采用這種系統(tǒng)。 IEGT三電平PWM變頻組件如下圖1所示。

從使用效果和性能指標(biāo)上看擁有一定的競爭優(yōu)勢，是一種較理想的適用在大功率交流器中的可關(guān)斷電力電子器件。

五、結(jié)束語

目前大中型鋼鐵企業(yè)隨著產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)量要求不斷提高，對大型軋機(jī)的交流變頻驅(qū)動設(shè)備提出了更高的性能要求。熱軋機(jī)傳動系統(tǒng)大功率和交流變頻已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。交變頻系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能和性價(jià)比，在中厚板冷熱軋寬帶高主動調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)用中使用頻率增加，已經(jīng)成為現(xiàn)代化大型招高級先進(jìn)電氣設(shè)備的標(biāo)志，技術(shù)有廣闊的運(yùn)用前景。

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通訊作者：王玨，1980年2月，男，漢，遼寧本溪人，現(xiàn)任本鋼板材股份有限公司冷軋廠電氣點(diǎn)檢組長，電氣工程師，本科。研究方向：變壓器。