交流變頻調速在鋼鐵工業中的進展、問題與展望
鋼鐵工業是材料工業，由于鋼鐵具有良好的物理和化學性能，故鋼鐵是現代工業中應用最廣、發展最快的金屬材料，是建筑、汽車、鐵路、航運、電器、電力、食品等工業不可缺少的材料。
?。?）鋼鐵工業耗電量極大，我國電工產品耗電約占全國總發電量的70%，而冶金系統年耗電量約占全國發電量的9.3%左右[1>，驅動的電動機占很大一部分，其中要求調速的占80%以上（據統計，鋼鐵工業要求調速的電動機從數量上說約為20%，而容量上說卻占80%），故其有效操作和節能降耗是至關重要的。（2）鋼鐵工業產量大、經濟效益大，要求作業率高。如板帶熱連軋廠年產量大都超過600萬噸，稍有故障停車，損失就很大，故提高作業率極為重要。鋼鐵企業使用的電動機有直流電動機和交流電動機，由于許多要求調速的生產機械對電氣控制系統有一定的要求，如調速范圍、動態響應、靜差度等，過去直流電動機一直占主導地位，但直流電動機有一系列缺點，如結構上有換向器及電刷使日常維護量增加、電刷與整流子經常產生火花而要求安裝環境較好及不能用于易燃易爆場所、與同容量交流電動機比體積和重量及轉動慣量都較大、價格也較高、效率比交流電動機低2～3%等，交流電動機則無直流電動機的缺點，維護量較少，作業率較高。特別是近十多年隨著電力電子和微電子技術發展及現代控制理論應用，使交流調速迅速發展，其調速特性與直流調速性能完全一樣甚至超過，完全可代替直流電動機及其調速系統。（3）變頻調速經濟效益高。交流調速有多種方法（異步電動機的變極調速、調壓調速、轉子串電阻調速、電磁轉差離合器調速，液力耦合器調速、機械差動調速、變頻調速等），但主流是變頻調速。變頻調速的變頻電源有旋轉變頻機組和靜止變頻裝置。前者由異步或同步電動機—直流發電機和直流電動機—同步發電機兩套機組組成。后者則由電力電子器件和微電子器件組成，無可動部分。由于旋轉變頻機組設備龐大、有可動部分、維護量大、效率低和性能差，故已被靜止變頻裝置代替?，F在所指的變頻調速是指靜止變頻調速裝置（變頻器）。據統計使用靜止變頻調速以后，可節電1～3%。因此交流電動機驅動和變頻調速在鋼鐵廠已廣泛應用[2>，特別是新建的機組，甚至大功率（單機達10000kw）、要求嚴格的帶鋼熱連軋機也使用交流電動機驅動和交流調速。
?。步涣髡{速及變頻器在鋼鐵工業應用的進展變頻調速在鋼鐵工業的應用，經過多個階段。
交流調速開始為節能而用于風機、水泵代替要耗能的恒速運行但調節閥門的方法，到上世紀80年代初日本川崎鋼鐵公司首先在連鑄車間全交流化，取得了良好的效果，以后，不但在連鑄車間使用，而且推及到各工序、各車間全交流化。由于由于熱軋板帶軋機要求嚴格、產量大（年產600萬噸以上），稍有故障或性能達不到要求，損失就很大,故直到數字控制技術和矢量控制技術完全實用化（矢量控制的電動機軸上裝有脈沖發生器，并以此進行速度反饋構成閉環系統，用數字控制方式進行速度控制或力矩控制，因而調速范圍寬，調速精度高，動態性能已達到直流調速。而vvvf控制為開環系統，按照電壓／頻率（v/f）一定，用模擬技術進行控制，因而調速范圍小，約為1:40，調速精度受限制，動態性能不如直流調速，尤其是小容量、低速情況下不理想），才為熱軋板帶軋鋼廠軋機主傳動交流化創造基礎，但開始仍只限于在要求沒有串列的精軋機嚴格的粗軋機，然后經過試驗和多年后才用于精軋機。
要求嚴格、技術復雜和產量大的熱軋板帶軋機工廠實現全交流化，事實上鋼鐵工業全交流化就已實現，冷板帶連軋機、中厚板軋機、線棒軋機、型鋼軋機、鋼管軋機包括主、輔傳動都相繼使用交流變頻調速。
直接連接（非高—低—高變換）式的高壓交流變頻調速裝置的研制成功，使那些需要調速6kv的高壓電動機，如礦井提升機也得到解決。由于傳動裝置和變頻裝置是工業控制的基礎環節，在cims系統六級結構中屬于l1級，要實現全線或部分自動化，需要與plc或工業控制器相連，也開發了“傳動—plc一體化”，它一般通過現場總線相連。
3 交流調速及變頻器實際應用中要注意的幾個問題
變頻裝置主要分為交—直—交變頻和交—交變頻兩大類，交—直—交變頻又可分為電壓型和電流型兩大類，交—交變頻多為電壓型，也有少量使用電流型。變頻控制方式分為電壓型、電流型、脈沖寬度調制型等。其主回路的拓撲、控制策略都有多種方式可以選擇，如功率器件有scr（晶閘管，thyristor）、gto（門極關斷晶閘管，gateturn-offthyristor）、igbt（絕緣柵雙極晶體管，insulated-gatebipolartransistor）、igct（集成門極換流晶閘管，integratedgatecommutatedthyristor，是一種新型半導體功率器件，在gto的基礎發展起來的）等；主回路的拓撲結構可選擇兩電平、三電平、負載換相式scr電流型變頻器等，控制策略可選擇v/f控制、矢量控制、直接轉矩控制、脈沖寬度調制（pwm）或脈沖幅度調制（pam）等；電壓也有高壓（3～6kv，主要是大容量的同步或異步電動機）、中壓或抵壓（如一般的小功率380v和軋鋼輔傳動的電動機）等。此外，變頻調速還有變極調速，無級調速還有矢量控制方式、變壓變頻（vvvf）控制方式等，價格極為不同，如何選擇是一大問題。表3示出了我國寶鋼從日本引進的于1989年投產的1900mm板坯連鑄全交流方式。從表中可以看出，變頻調速采用變極、vvvf和矢量變換控制三種方式，在調速要求不需無級的只須有限變速的采用變極控制方式，要求速度控制不嚴格的如輥道速度控制采用變壓變頻（vvvf）方式，要求速度控制嚴格的才采用矢量變換控制方式，這樣目的是節約投資和簡化維護，這種按工藝要求選擇變頻器的方法可作為為其他車間交流化作為準則，如燒結的全交流化，其配料的變頻器采用vvvf方式，臺車采用矢量變換控制方式。
對于變頻器生產，國外電氣公司都已產業化了，如德國西門子、法國阿爾斯通、瑞典abb、美國ge、意大利ansoldo、日本日立、日本三菱、日本安川等公司都生產各種容量、不同電壓的通用變頻器可供選用，選擇時可適當參照其業績及在類似或同樣機組使用情況和經驗與效果。變頻所用電動機也需注意，一般1000kw以下的電動機，采用異步電動機性能價格比較好，對于容量較大的可采用同步電動機或異步電動機。異步電動機一般采用線繞電機，而容量較小的電動機一般采用鼠籠電機。由于傳動控制系統一般采用pwm變頻器，故電機也須特殊設計，以滿足pwm變頻調速的要求（按不同機組情況，包括允許過載%、過載時間、工作制、絕緣等級、保護等級、額定電壓等）。一般來說，還須考慮電源污染對電網造成的影響問題，特別對容量特大并使用交—交變頻裝置的場合，考慮裝設無功動態補償裝置（svc）是要認真考慮的。
?。?）鋼鐵工業耗電量極大，我國電工產品耗電約占全國總發電量的70%，而冶金系統年耗電量約占全國發電量的9.3%左右[1>，驅動的電動機占很大一部分，其中要求調速的占80%以上（據統計，鋼鐵工業要求調速的電動機從數量上說約為20%，而容量上說卻占80%），故其有效操作和節能降耗是至關重要的。（2）鋼鐵工業產量大、經濟效益大，要求作業率高。如板帶熱連軋廠年產量大都超過600萬噸，稍有故障停車，損失就很大，故提高作業率極為重要。鋼鐵企業使用的電動機有直流電動機和交流電動機，由于許多要求調速的生產機械對電氣控制系統有一定的要求，如調速范圍、動態響應、靜差度等，過去直流電動機一直占主導地位，但直流電動機有一系列缺點，如結構上有換向器及電刷使日常維護量增加、電刷與整流子經常產生火花而要求安裝環境較好及不能用于易燃易爆場所、與同容量交流電動機比體積和重量及轉動慣量都較大、價格也較高、效率比交流電動機低2～3%等，交流電動機則無直流電動機的缺點，維護量較少，作業率較高。特別是近十多年隨著電力電子和微電子技術發展及現代控制理論應用，使交流調速迅速發展，其調速特性與直流調速性能完全一樣甚至超過，完全可代替直流電動機及其調速系統。（3）變頻調速經濟效益高。交流調速有多種方法（異步電動機的變極調速、調壓調速、轉子串電阻調速、電磁轉差離合器調速，液力耦合器調速、機械差動調速、變頻調速等），但主流是變頻調速。變頻調速的變頻電源有旋轉變頻機組和靜止變頻裝置。前者由異步或同步電動機—直流發電機和直流電動機—同步發電機兩套機組組成。后者則由電力電子器件和微電子器件組成，無可動部分。由于旋轉變頻機組設備龐大、有可動部分、維護量大、效率低和性能差，故已被靜止變頻裝置代替?，F在所指的變頻調速是指靜止變頻調速裝置（變頻器）。據統計使用靜止變頻調速以后，可節電1～3%。因此交流電動機驅動和變頻調速在鋼鐵廠已廣泛應用[2>，特別是新建的機組，甚至大功率（單機達10000kw）、要求嚴格的帶鋼熱連軋機也使用交流電動機驅動和交流調速。
?。步涣髡{速及變頻器在鋼鐵工業應用的進展變頻調速在鋼鐵工業的應用，經過多個階段。
交流調速開始為節能而用于風機、水泵代替要耗能的恒速運行但調節閥門的方法，到上世紀80年代初日本川崎鋼鐵公司首先在連鑄車間全交流化，取得了良好的效果，以后，不但在連鑄車間使用，而且推及到各工序、各車間全交流化。由于由于熱軋板帶軋機要求嚴格、產量大（年產600萬噸以上），稍有故障或性能達不到要求，損失就很大,故直到數字控制技術和矢量控制技術完全實用化（矢量控制的電動機軸上裝有脈沖發生器，并以此進行速度反饋構成閉環系統，用數字控制方式進行速度控制或力矩控制，因而調速范圍寬，調速精度高，動態性能已達到直流調速。而vvvf控制為開環系統，按照電壓／頻率（v/f）一定，用模擬技術進行控制，因而調速范圍小，約為1:40，調速精度受限制，動態性能不如直流調速，尤其是小容量、低速情況下不理想），才為熱軋板帶軋鋼廠軋機主傳動交流化創造基礎，但開始仍只限于在要求沒有串列的精軋機嚴格的粗軋機，然后經過試驗和多年后才用于精軋機。
要求嚴格、技術復雜和產量大的熱軋板帶軋機工廠實現全交流化，事實上鋼鐵工業全交流化就已實現，冷板帶連軋機、中厚板軋機、線棒軋機、型鋼軋機、鋼管軋機包括主、輔傳動都相繼使用交流變頻調速。
直接連接（非高—低—高變換）式的高壓交流變頻調速裝置的研制成功，使那些需要調速6kv的高壓電動機，如礦井提升機也得到解決。由于傳動裝置和變頻裝置是工業控制的基礎環節，在cims系統六級結構中屬于l1級，要實現全線或部分自動化，需要與plc或工業控制器相連，也開發了“傳動—plc一體化”，它一般通過現場總線相連。
3 交流調速及變頻器實際應用中要注意的幾個問題
變頻裝置主要分為交—直—交變頻和交—交變頻兩大類，交—直—交變頻又可分為電壓型和電流型兩大類，交—交變頻多為電壓型，也有少量使用電流型。變頻控制方式分為電壓型、電流型、脈沖寬度調制型等。其主回路的拓撲、控制策略都有多種方式可以選擇，如功率器件有scr（晶閘管，thyristor）、gto（門極關斷晶閘管，gateturn-offthyristor）、igbt（絕緣柵雙極晶體管，insulated-gatebipolartransistor）、igct（集成門極換流晶閘管，integratedgatecommutatedthyristor，是一種新型半導體功率器件，在gto的基礎發展起來的）等；主回路的拓撲結構可選擇兩電平、三電平、負載換相式scr電流型變頻器等，控制策略可選擇v/f控制、矢量控制、直接轉矩控制、脈沖寬度調制（pwm）或脈沖幅度調制（pam）等；電壓也有高壓（3～6kv，主要是大容量的同步或異步電動機）、中壓或抵壓（如一般的小功率380v和軋鋼輔傳動的電動機）等。此外，變頻調速還有變極調速，無級調速還有矢量控制方式、變壓變頻（vvvf）控制方式等，價格極為不同，如何選擇是一大問題。表3示出了我國寶鋼從日本引進的于1989年投產的1900mm板坯連鑄全交流方式。從表中可以看出，變頻調速采用變極、vvvf和矢量變換控制三種方式，在調速要求不需無級的只須有限變速的采用變極控制方式，要求速度控制不嚴格的如輥道速度控制采用變壓變頻（vvvf）方式，要求速度控制嚴格的才采用矢量變換控制方式，這樣目的是節約投資和簡化維護，這種按工藝要求選擇變頻器的方法可作為為其他車間交流化作為準則，如燒結的全交流化，其配料的變頻器采用vvvf方式，臺車采用矢量變換控制方式。
對于變頻器生產，國外電氣公司都已產業化了，如德國西門子、法國阿爾斯通、瑞典abb、美國ge、意大利ansoldo、日本日立、日本三菱、日本安川等公司都生產各種容量、不同電壓的通用變頻器可供選用，選擇時可適當參照其業績及在類似或同樣機組使用情況和經驗與效果。變頻所用電動機也需注意，一般1000kw以下的電動機，采用異步電動機性能價格比較好，對于容量較大的可采用同步電動機或異步電動機。異步電動機一般采用線繞電機，而容量較小的電動機一般采用鼠籠電機。由于傳動控制系統一般采用pwm變頻器，故電機也須特殊設計，以滿足pwm變頻調速的要求（按不同機組情況，包括允許過載%、過載時間、工作制、絕緣等級、保護等級、額定電壓等）。一般來說，還須考慮電源污染對電網造成的影響問題，特別對容量特大并使用交—交變頻裝置的場合，考慮裝設無功動態補償裝置（svc）是要認真考慮的。
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