大功率电力电子变流技术在钢铁工业中应用

大功率电力电子变流技术在钢铁工业中应用

赵红星

赵红星

甘肃省嘉峪关市甘肃钢铁职业技术学院735100

摘要：本文主要对目前电力电子变流器在钢铁方面的应用进行了阐述，比较了交一交变频器和交一直一交变频器的特点以及存在的问题，并介绍了我国大功率轧机主传动交流调速系统的发展状况。

关键词：轧机主传动；交流调速；交一交变频；PWM变频

前言：我国钢铁工业的飞速发展，已经连续多年在世界居首。2004年我国的钢产量是两亿七千万吨，2017年增至八亿三千万吨。作为制造业基础的钢铁工业，正在进行技术改造和大规模的建设。根据实际调查说明，我国钢厂产量在五十万吨以上的，已经全面盈利，促使钢铁工业涌入许多民营企业，从而出现了“大炼钢铁”的局面。除此之外，目前我国的钢铁问题也日渐突出，不但严重污染环境，而且能耗水平较高。另外，每年还需要大量从国外进口，高档汽车用的钢板和电机行业的硅钢片，主要是因为我国能够生产高档钢材的企业较少。

1电力电子的变流器在钢铁方面的应用

主要有两个方面：一种是环保节能的传动；另一种是大型轧机传动。

大型轧机传动主要是提高动态响应和过载能力，由交流调速取代直流调速；

环保节能的传动主要采用档板截流的调节方式，比如：钢铁工业中的冶炼除尘风机、高炉鼓风机和水泵等，并通过高压变频调速产生最大化节能效益，有广阔的市场前景。目前我国在轧机主传动中应用的交流调速技术主要是IGCT/IGBT三电平交—直—交变频调速、交—交变频调速。

大功率轧钢机主传动要求电气传动系统不仅要有相当高的过载能力，还要具有高动态的响应能力。虽然长期以来一直被直流电动机传动所垄断，但是由于直流电机的维护工作量较大，严重限制了简化维护、提高单机大容量、降低转动惯量以及提高过载能力等方面，对于轧钢机的高速发展，已经无法进行满足。这项技术随着微电子技术、现代控制理论和电力电子技术的不断发展，已经受到电气传动学术界和国内外钢铁工业的极大关注。七十年代末，随着推广交流电机矢量控制应用技术和理论的产生，在对交一交变频轧钢机主传动的研究上，世界各国都投入了大量的人力物力。

2交—交变频器

2.1交—交变频的特点

由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器所组成的系统，就是交一交变频调速系统。具有输出波形好、效率高、过载能力强等特点，并延续着晶闸管交流器的电网自然换流原理，同时也存在着电网功率因数低，输出频率低，高频谐波影响等缺陷。交一交变频区可驱动异步电机或同步电机，并且可分为无环流和有环流两种方式。

2.2交、直流调速的比较，轧钢机交流传动较传统的直流传动有许多优点：

（1）直流电机的极限是每分钟五千瓦五百转，而交流电机的单机容量是不受限制的；

（2）交流电机与直流电机在同等功率下，转动的惯量要小很多，因此交流电机比直流电机在加速上，性能要提高很多。

（3）交流调速的速度响应已经提高到直流每秒钟弧度是四十到一百，原始的直流速度是的每秒钟弧度十五到三十；

（4）采用交流调速不仅可以综合节能耗电百分之三十吨钢，还可以有效提高生产效率，并且交流电机的效率比直流电机高出百分之二到三；

（5）采用交流调速可以对原来的三台直流电机，通过用一台一万千瓦的电机来进行取代，这样在对武钢一千七百热连轧和宝钢二零五零进行改造时，体积就会减小三分之二。直流调速已经被钢铁领域交流调速所取代，并已经成为了新的发展趋势。

2.3交—交变频器的国产化研究

在国家的九五、七五、八五技术攻关项目中，已经纳入了大型轧机主传动装备。改变了大型工业机械传动装备，一直以来依靠进口的局势，并尽快实现大功率交流调速系统的产业化发展。交一交变频作为机械部与原冶金部的重点科研项目，在理念分析与项目研制中，各大高校纷纷进行了参与，同时天津电气传动研究所和冶金自动化院对该技术进行攻关，在对交一交变频调速系统的同步电机研制中，分别加入了上海电机厂、哈尔滨电机厂以及东方电机厂。

交一交变频同步电机调整系统的成功研制，不仅扭转了我国大型工业轧钢传动装备，一直以来依靠进口的局势，还使交一交变频同步电机调整系统达到了世界先进水平。

3交—直—交变频器

3.1交—直—交变频器的特点

八十年代末，交一直一交变频器不仅打破了晶闸管元件，还统一了天下，开始了以自关断电力半导体器件为核心的时代，并且大功率晶体管GTR，自关断电力半导体器件，场控器件绝缘栅双极晶体管IGBT和可关断晶闸管GTO相继问世。与传统的半可控晶闸管器件相比，不仅变换器装置结构简单，还重量轻，体积小，谐波污染小，功率因数高等优点，并且在电气传动装置上，采用了自关断电力半导体器件，可以有效节约原材料。

3.2交—直—交变频器在轧钢传动中应用

GTO元件在大功率高电压变频调速领域，曾具有重要的地位。世界各国在二十世界九十年代，在的中牵引机车上普遍应用GTO变频调速后，就对轧机主传动GTO变频调速系统进行了研制。近年来，在世界各国轧机传动的领域中，高电压大功率电力半导体器件的研制已经成为竞争重点。瑞士公司已经在GTO元件基础上，研制成功了集成门极换流晶闸管IGCT，它是一种新型大功率电力半导体器件。它的器件在结构设计中，将驱动电路集成到了器件旁边，减少了控制门极回路的电感，相比GTO损耗，IGCT的开关明显减少一个数量级，取消了缓冲吸收电路，并大幅度提高了开关的速度，简化了变频器结构，并以此提升了系统的效率。

3.3交—直—交变频器存在的问题

目前，IGBT和IGCT尚未成熟，而GTO元件将面临淘汰，大功率高电压电力电子器件仍然处于发展中；

器件故障造成直通短路保护的问题，在采用IGBT或者IGCT和GTO的变流器中仍然是难题；另外，变流器必须采用高漏抗输入变压器，要不然在电源侧变流器发生直通短路，会直接导致电网短路，一般要求百分之十五，甚至高达百分之二十；

交一直一交变频器一般运行在50Hz以下，这样可以在运行时减低过载能力，甚至减低一半；

交一直一交变频器在输出PWM时，很容易造成电器和电机损伤绝缘疲劳，主要原因是，其所调制电压波形的电压变化率du/dt很高；共模反射电压在输出导线较长时，会在电机侧产生很高的电压，这个电压的峰值在两电平的变流器中，是直流电压的两倍，如果这个电压峰值在三电平的变流器中，则是中间一半电压的三倍；

谐波、轴电流、噪声在交一直一交变频器PWM调制中一直存在的问题。

3.4交—直—交变频器的国产化研究

在我国的低速与大转矩的大型热轧机主传动中，已经广泛应用了国产交一交变频调速系统，但是交一交变频器对于高转速的冷轧机显然不具备优势，所以，冷轧机应采用交一直一交变频器。目前，，在我国“十一五”的重大装备攻关项目中，已经纳入了大功能交一直一交变频驱动冷连轧机的国产化。

结束语：

综上所述，我国在依托了多年积累的晶闸管变流技术的基础上，才取得了轧机传动交一交变频调速系统的有效进步。目前我国多个行业都急需研制大功率交一直一交变频。因此，我国如果没有以自己的器件作为基础，在研制交一直一交变频器国产化的过程中，就不会形成大功率交一直一交变频器的国产化产业。希望我国各科研相关单位，共同开展大功率交一直一交变频器的国产化工作，并研制和完善我国自主创新的IGCT器件。

参考文献：

[1]李崇坚.大功率轧机主传动技术的现状与发展.中国钢铁1997年会论文集,1997.

[2]李崇坚,段巍.轧机传动交流调速机电振动控制.北京.冶金工业出版社,2003.

[3]李崇坚,李向欣,干永革,王征.国产大型热连轧机主传动交流调速系统.冶金自动化,2000.

[4]何山,李向欣,邢卫宏,李崇坚,杜伟,王云鹏.国产大型矿井提升机交流调速系统.中国第12届电气自动化年会论文集,2004.

[5]李崇坚.轧机主传动交流调速技术的现状与发展.中国第12届电气自动化年会论文集,2004.