关键词：交交变频调速 交直交变频调速 热连轧生产线 传动
Abstract: In the field of Rolled steel production driving motion, the current most widely used is AC-AC Frequency Control System and AC-DC-AC Frequency Control System. By comparing the two types of drive in the system structure, working principle, performance indicators of different applications to determine their own occasions. By analyzing both the technological advantages to show the development of AC variable frequency speed control system .
KeyWords: AC/AC Frequency Converter，AC/DC/AC Frequency Converter， Hot Rolling mill line，Driving motion
1、引言
在当今传动领域，使用的电动机有直流电动机和交流电动机，过去由于交流电动机控制系统不能满足生产机械对电气控制系统在调速范围、动态响应、静差度等方面的要求，故直流电动机一直占主导地位，但直流电动机有一系列缺点，如结构上有换向和换向器问题、电刷等部件维护工作量较大，使其在提高单机大容量、提高过载能力、降低转动惯量以及简化维护等方面受到了限制，与同容量交流电动机比体积和重量及转动惯量都较大、价格较高、效率较低等，已不能满足轧钢机向大型化、高速化方面的发展。而随着电力电子技术、微电子技术的迅速发展和现代控制理论应用，交流电动机得到迅速发展，其调速特性及性能甚至超过直流电动机。所以当前带钢热连轧机主要使用交流电动机驱动和交流调速。
交流调速有多种方法：异步电动机的变极调速、调压调速、转子串电阻调速、电磁转差离合器调速，液力耦合器调速、机械差动调速、变频调速等，但主流是变频调速。当前在带钢热连轧机主传动中应用的交流调速技术主要是交交变频调速及IGCT/IGBT三电平交直交变频调速。交直交变频又可分为电压型和电流型两大类，交交变频多为电压型，也有少量使用电流型。变频控制方式分为电压型、电流型、脉冲宽度调制型等。其主回路的拓扑、控制策略都有多种方式可以选择，如功率器件有scr（晶闸管）、gto（门极关断晶闸管）、igbt（绝缘栅双极晶体管）、igct（集成门极换流晶闸管）等;主回路的拓扑结构可选择两电平、三电平、负载换相式scr电流型变频器等，控制策略可选择v/f控制、矢量控制、直接转矩控制、脉冲宽度调制（pwm）或脉冲幅度调制（pam）等;电压也有高压（3至6Kv，主要是大容量的同步或异步电动机）、中压或低压（如一般的小功率380v和轧钢辅传动的电动机）等。此外，变频调速还有变极调速，无级调速还有矢量控制方式、变压变频（vvvf）控制方式等。
2、常规热连轧生产线介绍
常规热连轧生产线一般由板坯库、加热炉、粗轧区、精轧区、卷取区及运输链等区域构成，其工艺设备流程示意图见图1。主要电机驱动的且需要调速的机械设备有：全轧线板坯或带钢运输辊道、板坯库收料转盘、过跨台车、保温炉或坑盖、加热炉步进梁升降装置、装出钢平移或升降装置、粗轧区定宽压力机或立辊轧机、立辊辊缝调整装置、粗轧机主机上下辊、低速和高速电动压下装置、飞剪主传动、精轧机主传动、交叉辊PC装置、电动活套、卷取上下夹送辊、助卷辊、卷筒、运输链、质检站地辊及轧机前后电动侧导板等设备。尽管随着工艺技术及机械液压技术等的发展，上述部分装置由原来的电动驱动方式发展为液压驱动方式，如侧导板、精轧活套、粗轧立辊、精轧辊缝调节装置等。但是热连轧生产线上绝大部分设备还是由变频调速装置驱动的。
图1 常规热连轧工艺设备配置示意图
由于热轧主机主要是大容量低速运动的机械运动设备，如粗轧机上下辊电机功率从2500KW到9000KW,转速在20rpm到100rpm之间;精轧机电机5000KW到10000KW，转速在200rpm到550rpm范围内。再加上同步电机在功率因素、电机尺寸和转动惯量、工作效率、连接的变频器容量、控制精度、弱磁比等方面优于异步电动机，因此其驱动的电机均为同步电动机。而中等容量高速电机或小容量电机均采用交流鼠笼异步变频电机。
3、两种交流变频调速系统介绍
当前大型热带轧机主传动调速系统主要有：交交变频调速系统与交直交变频调速系统两种方式。这两种传动系统都是性能良好的、先进的交流传动方式，都能满足大型热带轧机主传动的技术性能要求，相比较各有其特点。
3.1、交交变频器
3.1.1 、交交变频的特点
交交变频调速系统如图2所示，由三组反并联晶闸管可逆三相桥式变流器组成，对应同步电机定子A，B，C三相。它沿续着晶闸管变流器的电网自然换流原理，三相交交变频器采用逻辑无环流、三相有中点方式，由一台副边三分裂整流变压器供电，各台电机整流变压器接法互相错开，以减少供电高次谐波。输出端采用星点联接，电机定子绕组为三相星接，电机星点和变频器星点独立。具有过载能力强、效率高、输出波形好等优点，但同时也存在着输出频率低（最高频率小于1/2电网频率），电网功率因数低，旁频谐波影响等缺点。交交变频区分为有环流和无环流方式，可驱动同步电机或异步电机。对于主传动系统，控制器一般采用矢量控制的方法驱动同步电动机。
图2 交交变频同步电机调速系统
3.1.2 交交变频器在热连轧机上的应用
1993年第一套国产的2500kW交交变频同步电机调速系统研制成功，应用于包钢轨梁厂850型钢轧机;1996年第一套4000kW国产全数字控制交交变频调速系统问世，应用于重钢中板轧机主传动;1999年第一套国产双机传动交交变频调速系统研制成功，应用于武钢轧板厂中板轧机;2000年第一套热连轧机交交变频调速的在攀枝花钢铁公司投入运行。据统计从1996年至2005年，我国大功率交交变频轧机传动系统共263套，其中国内制造171套，占65%。我国大功率交交变频的技术水平与应用规模已超过美国GE、法国Alstom、意大利Ansaldo，达到世界先进水平;彻底扭转了大型工业轧钢传动装备长期依赖于进口的局面。
3.2、交直交变频器
3.2.1 、交直交变频器的特点
进入80年代以来，打破晶闸管元件一统天下的自关断电力半导体器件，大功率晶体管GTR，可关断晶闸管GTO以及场控器件绝缘栅双极晶体管IGBT相继问世，开始了一个以自关断电力半导体器件为核心的新时代，与传统的半可控晶闸管器件相比，采用自关断电力半导体器件的电气传动装置具有节约原材料，变换器装置结构简单，体积小，重量轻，功率因数高，谐波污染小等显著优点。交直交变频调速系统如图3所示。
图3 交直交变频同步电机调速系统
3.2.2 交直交变频器在轧钢传动中应用
在大功率高电压变频调速领域，GTO元件曾占主要地位。20世纪90年代，日本三菱公司率先研制成功6000V/6000A大功率GTO元件，并将世界最大功率7000kW，3kV，GTO同步电机变频调速成功地应用于我国宝钢1580mm热连轧机、鞍钢1780mm热连轧机及上海不锈钢热连轧机。图4为GTO交直交多电平PWM变频调速系统，该系统为电压型变频器，电源测变流器亦采用GTO脉宽调制技术，控制输入电流的相角可以达到功率因数始终为1，并减少输入电流的谐波。该变频器采用三电平GTO元件串联控制技术，使变频器输入和输出电压可达到3300V。与采用晶闸管元件的交交变频调速系统相比，GTO变频器具有输出频率不受限，电网谐波污染小，功率因数高等显著优点，但也存在着GTO元件开关损耗较大，效率低，需要水冷却，维护困难等问题。
图4 GTO交直交三电平PWM变频调速系统主电路
由于GTO元件的上述缺点，世界各国开始竞相研究新的高电压大功率电力半导体器件。由瑞士ABB公司研制成功的门极可关断晶闸管IGCT，是在GTO元件基础上进行创新的一种新型大功率电力半导体器件。它在器件的结构设计中减少了控制门极回路电感,将驱动电路集成到器件旁，使IGCT的开关损耗较GTO减少一个数量级，提高了开关速度，取消了缓冲吸收电路，大大简化了变频器结构并提高了系统效率。ABB，GE，以及西门子公司已研制成功采用IGCT元件的大功率三电平PWM变频器用于轧机主传动。我国本溪钢铁公司1700轧机改造采用了GE公司的IGCT三电平变频器，电机功率7MW/6kV。IGCT已成为GTO的换代器件。
日本东芝公司研制成功高电压大功率的IEGT元件，即电子促进绝缘栅双极晶体管，4000A/4500V。IEGT是IGBT的一种形式，具有IGBT元件电压驱动, 开关速度快，可自保护等优点，东芝公司已将采用IEGT元件的7MW/3kV大功率三电平变频器应用于我国链源钢铁公司薄板坯连铸连轧主传动中。
3.2.3 交直交变频器存在的问题
尽管交直交变频器具有输出频率高、功率因数高等优点，但交直交变频器仍存在许多待改进的问题:
（1）当前大功率高电压电力电子器件处在发展期，GTO元件面临淘汰，IGBT，IGCT尚待成熟。
（2）采用IGCT（或者GTO）、IECT的变流器，器件故障造成直通短路的保护还是难题;电源侧变流器如果发生直通短路会造成电网短路，所以变流器必须采用高漏抗输入变压器，一般要求15%，甚至高达20%。
（3）交直交变频器低频运行时过载能力减低，一般运行在5Hz以下时变频器过载能力减半。
（4）交直交变频器输出PWM调制电压波形的电压变化率du/dt很高，容易造成电机和电器的绝缘疲劳损伤;输出导线较长时，共模反射电压会在电机侧产生很高的电压，如果是两电平的变流器，这个电压的峰值是直流电压的两倍，如果是三电平的变流器，这个电压的峰值是中间一半电压的三倍。
（5）交直交变频器PWM调制将产生谐波、噪声、轴电流等问题。
4、两种交流变频调速系统对比
4.1.采用电力电子器件区别：
交交变频：采用器件为晶闸管,是一种非常成熟的电力电子器件。
交直交变频：采用器件为IGBT、GTO、IGCT、IEGT等，为新型可关断器件，这些器件尚在不断改型与更新，使用经验不足，呈过渡性。
4.2.控制方式区别：
交交变频：采用全数字矢量控制方式。
交直交变频：采用脉冲调宽（PWM）全数字矢量控制或直接转矩控制方式。
4.3.过载能力：
交交变频：较大，能承受250%过载。特别是在低速时，具有并超过直流电机特性。
交直交变频：较小，通常为136%。要提高过载能力必须加大装置容量以满足最大出力。低速时（频率低于5赫兹）过载能力下降，一般要降低50%。
4.4.速度范围：
交交变频：一般最高使用频率为22Hz，高于22Hz系统特性变差, 适用于中、低速传动。因此用于轧机时,电动机的最高转速为660r/min。
交直交变频：适用于中、高速，最低使用频率为5Hz,频率过低时力矩脉动加大,出力降低。最高频率可达到100Hz,电动机的最高转速可达6000r/min。
4.5.整流变压器容量：
交交变频调速装置按变频电压峰值选择整流变压器，其容量约为电动机容量1.8～2倍;交直交变频调速装置选择整流变压器容量为电动机容量1.3～1.4倍。交交变频比交直交变频的变压器容量大，变压器铁损大即空载损耗大。
4.6. 所用电缆:交交变频器输出电压低,工作电流大,电缆尺寸相应大;交直交变频器输出电压高,电缆耐压等级需要提高。
4.7. 电机:交交传动配套的低速同步电机转动惯量大,总重量大,投资较高。
4.8. 冷却方式：
交交变频：SCR元件正向压降小,仅为1.2-1.5V左右,由于元件损耗小,冷却方式可采用风冷。
交直交变频：换流元件正向压降大,通常为3.5-4V左右,由于元件正向压降与开关损耗大,通常无法采用风冷,必须采用水冷，因此必须附带水冷装置并使用大量二次循环冷却水。一次性投资建设费用较高,但冷却效果优良。
4.9.功率因数：
交交变频电机侧功率因数为1;但电网侧功率因数较低，通常为0.7以下,必须要无功补偿。需要配套SVC 无功补偿装置提高功率因数。交直交变频由于中间电容的作用，电机侧与电网侧功率因数均为1，无需无功补偿。
4.10.谐波：
交交变频：电网侧产生谐波较高，采用6脉波时通常谐波含量为8%左右,需要滤波装置。
交直交变频：电网侧谐波较低，通常谐波含量为4.5%左右,轧机有功冲击较大或电网短路容量较小时,也需要滤波装置。
4.11.配套机械:
交直交变频器输出频率高,电机转速高,为满足轧钢工艺要求需要配套减速机及水冷系统,增加了机械设备投资和建设安装费用;减速机体积大，影响工艺布置。
4.12. 变频器:
交交变频器主要功率设备实现了国产化,国内制造商已经具有成功供货和工程应用经验，价格较低;大功率交直交变频器在较长一段时间内完全依靠进口,设备价格昂贵,维护费用较高。
4.13. 能耗:交交变频器的风机和空调冷却以及SVC 的能耗较高于交直交变频器。
综上所述，我们可以看出：
1. 交交和交直交变频调速系统都是先进的、性能良好的调速方式，它们各有特点。都能满足大型热带轧机主传动的技术性能要求。
2. 交交变频技术，过载能力大，效率高，简单可靠，可以完全国产化是其显著优点。而交交变频频率低、速度低、功率因数低，需无功补偿等是主要缺点。它适用于大功率中、低速且过载能力大的轧机驱动，如：大型热带轧机、中厚板轧机和型钢轧机。
3. 交直交变频频率高、速度高、功率因数高，不需无功补偿过载是其主要优点，而其效率较低、过载能力差，使用经验不足，不能国产化，备件和技术服务问题大是其显著缺点。适用于大功率中、高速的风机、水泵及过载能力较小的轧机驱动，如：高速冷轧机、无缝钢管轧机。
5、 结束语
从国内已投产和正在建设的大型热带轧机主传动系统来看 , 交交变频调速系统无论技术还是数量上仍是主流。分析主要原因是：投资省、效率高, 过载能力强，可以完全实现国产化。我国轧机传动交交变频调速系统能取得长足进步，是因为依托了中国多年积累的晶闸管技术基础。国内交交变频调速技术上十分成熟, 已成功地解决了主传动调速系统很多关键技术,如：轧机传动的高精度和高动态响应;大功率交交变频器;交交变频同步电机设计与制造;交交变频对电网的动态无功、谐波计算与谐波治理;轧机的扭振计算与抑制等。但交交系统产生大量谐波对电网造成一定程度的污染,为此在电网质量要求较高的线路上要额外增加滤波及无功补偿装置,这项缺陷目前还不能完全克服。
目前传动领域需要大功率的交直交变频的国产化研制。交直交变频技术和设备以其优良的控制性能,较高的功率因数,良好的节电效果正逐步得到推广。随着高电压大功率的电力半导体器件GTO、IGCT、IEGT等功率元件性能提高,设备尺寸随之缩小，以及交交变频装置的输出频率低（最高频率小于1/2电网频率）、电网功率因素低、旁频谐波影响、需要SVC及占地大等因素的影响，新世纪的热轧带钢生产线主传动变频装置正由三电平电压型交直交PWM矢量控制变频装置或直接转矩控制变频装置所取代。
参考文献
[1]陈伯时,陈敏逊编著.交流调速系统.北京:机械工业出版社,2004
[2]马小亮.大功率交交变频调速及矢量控制技术.北京:机械工业出版社,2004
[3]王树编著.变频调速系统设计与应用. 北京:机械工业出版社,2005
