| 鋼鐵工業(yè)是材料工業(yè)，由于鋼鐵具有良好的物理和化學(xué)性能，故鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的金屬材料，是建筑、汽車、鐵路、航運(yùn)、電器、電力、食品等工業(yè)不可缺少的材料。 （1）鋼鐵工業(yè)耗電量極大，中國電工產(chǎn)品耗電約占全國總發(fā)電量的70%，而冶金系統(tǒng)年耗電量約占全國發(fā)電量的9.3%左右，驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)占很大一部分，其中要求調(diào)速的占80%以上（據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼鐵工業(yè)要求調(diào)速的電動(dòng)機(jī)從數(shù)量上說約為20%，而容量上說卻占80%），故其有效操作和節(jié)能降耗是至關(guān)重要的。 （2）鋼鐵工業(yè)產(chǎn)量大、經(jīng)濟(jì)效益大，要求作業(yè)率高。如板帶熱連軋廠年產(chǎn)量大都超過600萬噸，稍有故障停車，損失就很大，故提高作業(yè)率極為重要。鋼鐵企業(yè)使用的電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，由于許多要求調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電氣控制系統(tǒng)有一定的要求，如調(diào)速范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、靜差度等，過去直流電動(dòng)機(jī)一直占主導(dǎo)地位，但直流電動(dòng)機(jī)有一系列缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)上有換向器及電刷使日常維護(hù)量增加、電刷與整流子經(jīng)常產(chǎn)生火花而要求安裝環(huán)境較好及不能用于易燃易爆場(chǎng)所、與同容量交流電動(dòng)機(jī)比體積和重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都較大、價(jià)格也較高、效率比交流電動(dòng)機(jī)低2至3%等，交流電動(dòng)機(jī)則無直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，維護(hù)量較少，作業(yè)率較高。特別是近十多年隨著電力電子和微電子技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)代控制理論應(yīng)用，使交流調(diào)速迅速發(fā)展，其調(diào)速特性與直流調(diào)速性能完全一樣甚至超過，完全可代替直流電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)。 ?。?）變頻調(diào)速經(jīng)濟(jì)效益高。交流調(diào)速有多種方法（異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，液力耦合器調(diào)速、機(jī)械差動(dòng)調(diào)速、變頻調(diào)速等），但主流是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的變頻電源有旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組和靜止變頻裝置。前者由異步或同步電動(dòng)機(jī)—直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)—同步發(fā)電機(jī)兩套機(jī)組組成。后者則由電力電子器件和微電子器件組成，無可動(dòng)部分。由于旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組設(shè)備龐大、有可動(dòng)部分、維護(hù)量大、效率低和性能差，故已被靜止變頻裝置代替?，F(xiàn)在所指的變頻調(diào)速是指靜止變頻調(diào)速裝置（變頻器）。據(jù)統(tǒng)計(jì)使用靜止變頻調(diào)速以后，可節(jié)電1至3%。因此交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和變頻調(diào)速在鋼鐵廠已廣泛應(yīng)用，特別是新建的機(jī)組，甚至大功率（單機(jī)達(dá)10,000千瓦）、要求嚴(yán)格的帶鋼熱連軋機(jī)也使用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流調(diào)速。 交流調(diào)速及變頻器在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)展變頻調(diào)速在鋼鐵工業(yè)的應(yīng)用，經(jīng)過多個(gè)階段。交流調(diào)速開始為節(jié)能而用于風(fēng)機(jī)、水泵代替要耗能的恒速運(yùn)行但調(diào)節(jié)閥門的方法，到上世紀(jì)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(jī)要求嚴(yán)格、產(chǎn)量大（年產(chǎn)600萬噸以上），稍有故障或性能達(dá)不到要求，損失就很大,故直到數(shù)字控制技術(shù)和矢量控制技術(shù)完全實(shí)用化（矢量控制的電動(dòng)機(jī)軸上裝有脈沖發(fā)生器，并以此進(jìn)行速度反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，用數(shù)字控制方式進(jìn)行速度控制或力矩控制，因而調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高，動(dòng)態(tài)性能已達(dá)到直流調(diào)速。而vvvf控制為開環(huán)系統(tǒng)，按照電壓／頻率（v/f）一定，用模擬技術(shù)進(jìn)行控制，因而調(diào)速范圍小，約為1:40，調(diào)速精度受限制，動(dòng)態(tài)性能不如直流調(diào)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(jī)主傳動(dòng)交流化創(chuàng)造基礎(chǔ)，但開始仍只限于在要求沒有串列的精軋機(jī)嚴(yán)格的粗軋機(jī)，然后經(jīng)過試驗(yàn)和多年后才用于精軋機(jī)。 要求嚴(yán)格、技術(shù)復(fù)雜和產(chǎn)量大的熱軋板帶軋機(jī)工廠實(shí)現(xiàn)全交流化，事實(shí)上鋼鐵工業(yè)全交流化就已實(shí)現(xiàn)，冷板帶連軋機(jī)、中厚板軋機(jī)、線棒軋機(jī)、型鋼軋機(jī)、鋼管軋機(jī)包括主、輔傳動(dòng)都相繼使用交流變頻調(diào)速。 直接連接（非高—低—高變換）式的高壓交流變頻調(diào)速裝置的研制成功，使那些需要調(diào)速6kv的高壓電動(dòng)機(jī)，如礦井提升機(jī)也得到解決。由于傳動(dòng)裝置和變頻裝置是工業(yè)控制的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在cims系統(tǒng)六級(jí)結(jié)構(gòu)中屬于l1級(jí)，要實(shí)現(xiàn)全線或部分自動(dòng)化，需要與plc或工業(yè)控制器相連，也開發(fā)了“傳動(dòng)—plc一體化”，它一般通過現(xiàn)場(chǎng)總線相連。 交流調(diào)速及變頻器實(shí)際應(yīng)用中要注意的幾個(gè)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(diào)制型等。其主回路的拓?fù)洹⒖刂撇呗远加卸喾N方式可以選擇，如功率器件有scr（晶閘管，thyristor）、gto（門極關(guān)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，integratedgateco毫米u(yù)tatedthyristor，是一種新型半導(dǎo)體功率器件，在gto的基礎(chǔ)發(fā)展起來的）等；主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可選擇兩電平、三電平、負(fù)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(zhuǎn)矩控制、脈沖寬度調(diào)制（pwm）或脈沖幅度調(diào)制（pam）等；電壓也有高壓（3至6kv，主要是大容量的同步或異步電動(dòng)機(jī)）、中壓或抵壓（如一般的小功率380v和軋鋼輔傳動(dòng)的電動(dòng)機(jī)）等。此外，變頻調(diào)速還有變極調(diào)速，無級(jí)調(diào)速還有矢量控制方式、變壓變頻（vvvf）控制方式等，價(jià)格極為不同，如何選擇是一大問題。表3示出了中國寶鋼從日本引進(jìn)的于1989年投產(chǎn)的1900毫米板坯連鑄全交流方式。從表中可以看出，變頻調(diào)速采用變極、vvvf和矢量變換控制三種方式，在調(diào)速要求不需無級(jí)的只須有限變速的采用變極控制方式，要求速度控制不嚴(yán)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(yán)格的才采用矢量變換控制方式，這樣目的是節(jié)約投資和簡(jiǎn)化維護(hù)，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(zhǔn)則，如燒結(jié)的全交流化，其配料的變頻器采用vvvf方式，臺(tái)車采用矢量變換控制方式。 對(duì)于變頻器生產(chǎn)，國外電氣公司都已產(chǎn)業(yè)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(chǎn)各種容量、不同電壓的通用變頻器可供選用，選擇時(shí)可適當(dāng)參照其業(yè)績(jī)及在類似或同樣機(jī)組使用情況和經(jīng)驗(yàn)與效果。變頻所用電動(dòng)機(jī)也需注意，一般1,000千瓦以下的電動(dòng)機(jī)，采用異步電動(dòng)機(jī)性能價(jià)格比較好，對(duì)于容量較大的可采用同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)一般采用線繞電機(jī)，而容量較小的電動(dòng)機(jī)一般采用鼠籠電機(jī)。由于傳動(dòng)控制系統(tǒng)一般采用pwm變頻器，故電機(jī)也須特殊設(shè)計(jì)，以滿足pwm變頻調(diào)速的要求（按不同機(jī)組情況，包括允許過載%、過載時(shí)間、工作制、絕緣等級(jí)、保護(hù)等級(jí)、額定電壓等）。一般來說，還須考慮電源污染對(duì)電網(wǎng)造成的影響問題，特別對(duì)容量特大并使用交—交變頻裝置的場(chǎng)合，考慮裝設(shè)無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（svc）是要認(rèn)真考慮的。 交流調(diào)速及變頻器國產(chǎn)化與產(chǎn)業(yè)化。交流變頻調(diào)速裝置在鋼鐵工業(yè)占重要地位，無論從生產(chǎn)需要或經(jīng)濟(jì)效益，其重要性是不言而喻。但大多是引進(jìn)，特別是大功率的軋鋼主傳動(dòng)，從早期引進(jìn)的寶鋼2,050毫米熱連軋r2、包鋼1,150毫米初軋機(jī)、鞍鋼1,150毫米初軋機(jī)到“十一五”建設(shè)的寶鋼1,880毫米熱連軋。 這需要花大量外匯和資金，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國產(chǎn)的交—交變頻器，價(jià)格約為500元rmb/kva（不包括整流變壓器），而引進(jìn)約為1.5倍國產(chǎn)價(jià)格，而一個(gè)大型板帶熱連軋廠主傳動(dòng)可達(dá)100,000千瓦，因此國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化和可靠性以及有所創(chuàng)造是關(guān)鍵問題。國內(nèi)許多單位，如天津電氣傳動(dòng)研究設(shè)計(jì)所、冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院（前身為冶金部自動(dòng)化研究院）等遠(yuǎn)在上世紀(jì)70年代末，就已致力于交流變頻調(diào)速的研究和國產(chǎn)化與實(shí)用化工作。大概可分為三個(gè)階段。第一階段為上世紀(jì)70年代末至1985年。開始從事交流調(diào)速研究及工業(yè)試驗(yàn)與應(yīng)用，并在實(shí)用化取得初步成績(jī)，例如1983年研制成功線繞型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)雙饋?zhàn)冾l調(diào)速裝置并在15噸冷拔機(jī)組中良好使用。第二階段為1985年至1993年。在這階段是研究各種交流變頻調(diào)速機(jī)理、特性與工業(yè)應(yīng)用以及數(shù)字調(diào)節(jié)器等，同時(shí)引進(jìn)單體變頻器自行設(shè)計(jì)系和完全設(shè)計(jì)和制造國產(chǎn)化和具有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)和裝置，其中典型的是冶金部自動(dòng)化研究院的1988年4月成功地投產(chǎn)湘鋼金屬制品分廠的24號(hào)6/350活套拉絲機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)（pwm逆變器），1988年10月成功地投產(chǎn)軋鋼廠輥道控制的電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)和裝置。1993年2月制成大功率交—交變頻矢量控制的雙饋?zhàn)冾l調(diào)速裝置，并用于首鋼帶鋼廠直徑500毫米窄帶熱連軋主傳動(dòng)650千瓦交流電動(dòng)機(jī)上。1993年制成第一套國產(chǎn)的2,500千瓦交—交變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（獲冶金科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)），并用于包鋼軌梁廠850型鋼軋機(jī)。第三階段為1993年至現(xiàn)在。其特點(diǎn)是現(xiàn)代化、高性能化、全數(shù)字化和產(chǎn)業(yè)化，并大力應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中。在鋼鐵工業(yè)中代表是1996年制成第一套國產(chǎn)的全數(shù)字的4,000千瓦交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)，并用于重鋼五廠2,450毫米中板軋機(jī)；1999年制成第一套國產(chǎn)的雙機(jī)傳動(dòng)的交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)，并用于武鋼軋板廠中板軋機(jī)；2000年制成第一套熱連軋機(jī)傳動(dòng)的交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)，并用于攀枝花鋼鐵公司軋板廠；2001年完成第一套特大型全數(shù)字交—交變頻主井提升裝置。此外，2003年投產(chǎn)的營口中板廠精軋機(jī)2乘4,200千瓦主電機(jī)交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)；2004年投產(chǎn)的勝利油田臨盤采油廠560千瓦注水泵電動(dòng)機(jī)的高壓直接變頻調(diào)速系統(tǒng)（交—直—交方式，h橋串聯(lián)式）以及多套棒線軋機(jī)主輔傳動(dòng)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)都是國產(chǎn)化例子。在這階段交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)有較大的發(fā)展，例如冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院的交—交變頻調(diào)速技術(shù)與在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用規(guī)模已超過美國ge、法國alston、意大利ansaldo，達(dá)到siemens、toshiba、abb的世界先進(jìn)水平。各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)與國外siemens、toshiba相同，達(dá)到國際先進(jìn)水平；該院交—交變頻占國產(chǎn)化市場(chǎng)的80％左右，單機(jī)功率也最大（4,000千瓦），大功率交—交變頻裝置已為國內(nèi)提供208套，容量共2,000mw，占全國首位。該院還在交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)有所突破： （1）提出同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制理論與方法，阻尼磁鏈定向發(fā)明專利，提高了交—交變頻系統(tǒng)的技術(shù)性能； （2）提出電機(jī)、電網(wǎng)、系統(tǒng)一體化理論與仿真，解決了大型交流調(diào)速對(duì)電網(wǎng)影響問題； （3）研制了現(xiàn)代控制理論的負(fù)荷觀測(cè)器，解決了熱連軋機(jī)電振蕩問題； （4）建立了交—交變頻工程設(shè)計(jì)與調(diào)試方法，使工程規(guī)范化，推廣應(yīng)用規(guī)模化; （5）研制成功4英寸大功率晶閘管及大功率變流裝置，功率全范圍覆蓋，單機(jī)達(dá)到20mw； （6）樹立了國產(chǎn)化樣板，第一套熱連軋交流調(diào)速，第一套礦井提升機(jī)交流傳動(dòng); （7）在863項(xiàng)目支持下，研制成功7,500千瓦的igct變流器，完成了3600千瓦同步電機(jī)的工業(yè)試驗(yàn)。 并研發(fā)電子控制器 在產(chǎn)業(yè)化方面也是效果顯著。除了低壓、中小容量的變頻調(diào)速系統(tǒng)及其相關(guān)元器件已系列化、產(chǎn)品化和商品化以外，高壓直接變頻調(diào)速系統(tǒng)及裝置夜已有多家公司系列化、產(chǎn)品化。 國產(chǎn)化的問題與展望。國產(chǎn)化近年來取得很大的成功和重大的經(jīng)濟(jì)效益，包括國內(nèi)許多公司開發(fā)的高壓直接變頻調(diào)速系統(tǒng)，但如果冷靜地分析一下，國內(nèi)大多數(shù)公司和單位，大多是設(shè)計(jì)主回路，而核心技術(shù)如數(shù)字式的電子控制器和電力電子器件都是外購，其中電子控制器都是外國公司如西門子公司生產(chǎn)（實(shí)際上完全國產(chǎn)化的大功率變頻系統(tǒng)只有模擬式控制系統(tǒng)，如包鋼軌梁廠850型鋼軋機(jī)的2,500千瓦交—交變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)），電力電子器件則只有晶閘管國內(nèi)可生產(chǎn)，而第三代可關(guān)斷電力電子器件，包括gtr、gto，更不用說igbt、igct了，全部進(jìn)口，國內(nèi)交—交變頻之所以得到蓬勃發(fā)展，主要依托國內(nèi)多年的晶閘管生產(chǎn)技術(shù)和較便宜的價(jià)格。無可置疑，交直交變頻特別對(duì)電源污染方面都是優(yōu)于交—交變頻方式，但igbt、igct等電力電子器件依靠國外而使交—直—交變頻發(fā)展較慢。但要開發(fā)和生產(chǎn)igbt、igct等電力電子器件要投入財(cái)力物力太大，一個(gè)單位難以負(fù)擔(dān)，需要國家大力投資研發(fā)和生產(chǎn)，并希望國家能擇優(yōu)和考慮有效投資?，F(xiàn)在國內(nèi)電氣公司越來越多，分出來也越來越多，原因是傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)效益大，設(shè)計(jì)主回路，外購電子控制器和電力電子器件，然后組裝、調(diào)試，已越來越多人掌握，辦個(gè)組裝車間也非難事，但人力分散，基礎(chǔ)工作—電子控制器和電力電子器件卻很少人也無力致力于研發(fā)和生產(chǎn)。當(dāng)今合并組成大型集團(tuán)公司是世界也是國內(nèi)趨向，我們應(yīng)該效仿，這樣才能更有力量和利于發(fā)展并和西方大電氣公司競(jìng)爭(zhēng)。目前只批判“短視行為”不足以解決，看來，只能是國家大力和有效投資研發(fā)和生產(chǎn)電力電子器件，把有影響的電氣傳動(dòng)公司和電力電子器公司及著名的研究院所合并成大型的集團(tuán)公司，才足以有此財(cái)力和人力，來進(jìn)一步發(fā)展交流變頻調(diào)速技術(shù)，并和國際著名公司，如德國西門子公司等競(jìng)爭(zhēng)，化進(jìn)口為出口。目前集團(tuán)公司有些不問專業(yè)而以工藝行業(yè)進(jìn)行合并，例如冶金系統(tǒng)的自動(dòng)化專業(yè)的研究院與工藝方面的研究院合并而成鋼鐵集團(tuán)公司，看上去似乎合理，但實(shí)質(zhì)上是過去冶金部、煤炭部、化工部等小而全方式，這樣很難有大的發(fā)展，反觀國外，大都是專業(yè)合并，三足鼎立——機(jī)械設(shè)備、電氣、工藝，如德國德馬克等機(jī)械公司、西門子等電氣公司、蒂森等鋼鐵公司（或其他化工、輕工等工藝公司），美國也如是，如wean-united等機(jī)械公司、ge等電氣公司、美鋼聯(lián)等鋼鐵公司（或其他如杜邦化工等工藝公司），日本也如是，如ihi、三菱重工等機(jī)械公司，東芝等電氣公司，新日鐵、日本鋼管等鋼鐵公司（或其他化工、石油等工藝公司）。因?yàn)閺?qiáng)大的專業(yè)，無論技術(shù)、生產(chǎn)能力或開發(fā)才有可能最大發(fā)展，故應(yīng)跳出過去工藝行業(yè)，集中組織電氣集團(tuán)公司，才能和德國西門子公司、日本三菱公司、法國阿爾斯通公司、瑞典abb公司競(jìng)爭(zhēng)。中國目前電動(dòng)機(jī)裝機(jī)容量估計(jì)是6.22億千瓦，其用電量占全國發(fā)電量的60至70%，其中交流電動(dòng)機(jī)約占90%，是調(diào)速的主要對(duì)象。風(fēng)機(jī)、泵類和壓縮機(jī)等總?cè)萘窟_(dá)2.3億千瓦，其用電量占全國發(fā)電量大于30%，目前其流量調(diào)節(jié)90%以上仍用落后的調(diào)節(jié)擋板或閥門方式。據(jù)調(diào)查，交流電動(dòng)機(jī)的70%應(yīng)該調(diào)速運(yùn)行，改造率約50%、2.6億千瓦，若以全國發(fā)電量28,344億千瓦小時(shí)為基數(shù)、平均節(jié)電率按20%計(jì)算，其節(jié)電潛力為400億千瓦小時(shí)，占全國發(fā)電量的4.4%，可相應(yīng)減小發(fā)電裝機(jī)1,660萬千瓦，減小電力基建投資800億元以上，可減小發(fā)電用煤4,000萬噸，相應(yīng)減少co2排放量約2,000萬噸（煤計(jì)算），減少二氧化硫排放量約40萬噸，按調(diào)速裝置造價(jià)和平均節(jié)電率計(jì)算，節(jié)電投資為500至2,500元/千瓦，僅為新建電廠造價(jià)的1/10至1/2，可見交流調(diào)速的節(jié)電潛力和社會(huì)效益相當(dāng)顯著。 |
（轉(zhuǎn)載）
