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山西快乐十分派彩网: 寶鋼交流調速的應用現狀及思考

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瀏覽 次【字號 】 發布時間:2012-6-28 打印本頁
Application of Inverters and its Prospect 
寶鋼股份公司設備部 鐘述文 
Zhong Shuwen 
摘 要:文章以綜述的方式概要的介紹了寶鋼一、二、三期工程建設中交流調速的應用情況。在分析現場應用各類的基本結構、性能、應用效果、存在的不足以及變頻調速的應用給系統帶來的電磁兼容問題的基礎上。提出了寶鋼三期后過程以及一、二期設備改造中交流調速的方案選擇及需要注意的一些關鍵問題。 
關鍵詞:雙PWM 交流調速 節能 大、中型變頻器 通用變頻器 功率器件 電磁兼容 
Abstract:This paper introduced the application of inverter in steel factory, and raised the project reference in AC velocity 
modulation for appliance renovation and main problem in working. 
Keywords:double-PWM AC velocity modulation energy-saving inverter 
[中圖分類號] TM921 [文獻標識碼] A 文章編號 1561-0330(2002)03-0010-05 
1 引言 
  寶鋼是一個舉世注目的超大型鋼鐵聯合企業。從1978年開工建設打下第一根樁開始,直到2001年5月國家對寶鋼三期工程正式驗收為止,歷時20多年的一期工程建設、二期工程建設、三期工程建設。寶鋼人為此付出了大量的艱辛,方才形成迄今為止年產鋼1140萬噸的巨大規模。 
寶鋼擁有從原料輸送、儲存、處理,冶煉,板坯連鑄,初軋,熱連軋,冷連軋等多條主要的生產作業線??梢運?,這些作業線的生產工藝、設備的自動化控制水平都是世界第一流的。 
鋼鐵企業的生產設備,按照工藝要求可分為非調速和調速兩大類。在寶鋼現場的各主作業線上,凡是生產工藝對設備有調速要求的,都實現了自動調速控制。 
從電氣傳動的觀點看:調速類又可分為交流調速和直流調速兩大類。 

2 交流電動機變頻調速技術在寶鋼的應用情況 
  交流電動機變頻調速技術在寶鋼的應用是伴隨寶鋼一期工程、二期工程、三期工程的建設而發展的。 
在寶鋼的一期工程設計時,雖然當時交流電動機變頻調速技術在國外已有相當的發展,但受國內現狀的制約,寶鋼一期工程的引進項目中仍然沿用直流調速。僅引進了兩套變頻器作為大型電動機的起動用:其一是引進日本東芝公司生產的12MW(12kV、1024A)交-直-交變頻器供能源部1#高爐鼓風機的48MW同步電動機起動。其二是引進日本安川公司生產的VS-630(850kVA,1750V,最高輸出頻率30Hz)電流型交-直-交變頻器供1#高爐一、二次除塵風機的1600kW異步電動機起動。 
在二期工程中,交流變頻調速技術的應用范圍有所擴大,使用交流變頻調速技術的設備占需要調速的設備的比例有大幅度地增加,使用的變頻器以SPWM電壓型為主。這些變頻器(除2050熱軋廠 的R3和輥道驅動用變頻器采用模擬器件控制系統和晶體閘流管作功率開關元件外)大多采用可關斷的晶體管功率開關元件GTR,同時應用了數字化或全數字化控制技術。如一煉鋼連鑄和二高爐出鐵場除塵用的VS-686TV系列、VS-616H系列,第二燒結廠用的MELTRAC-200k系列、REQROL-400系列,以及2050熱軋R3所用的交-交變頻器,軋線輥道驅動用的交-直-交變頻器。從總體來講在二期工程中,直流調速還仍占主導地位。 
在三期工程中,99%以上調速系統均使用了交流電動機變頻調速技術。如1580熱軋廠主軋機使用的以GTO作開關元件,具有高功率因數整流的三電平雙PWM同步電動機矢量控制變頻調速系統M-3000;軋線輔機以及輥道等使用的以IGBT作功率開關元件的三電平雙PWM異步電動機矢量控制變頻調速系統M-2000、M-1200;1420冷軋廠五機架以晶體閘流管作功率開關元件的交-交變頻矢量控制系統;1420冷軋廠輔機,二煉鋼連鑄設備的主、輔機設備以及三燒結主機使用的VS-676、 VS-616H3變頻調速系統;1550冷軋廠五機架以IGBT作開關元件的,具有高功率因數整流的三電平PWM變頻調速系統,高速線材廠軋線的ACS600系列直接轉矩控制(DTC)變頻調速系統和負載換流式(LCI)交-直-交型同步電動機變頻調速系統;還有二煉鋼的鋼包臺車驅動、原料場的堆取料機、原料碼頭卸料機、部分行車的走行控制系統均采用交流變頻調速技術??梢運?,交流變頻調速技術在寶鋼的應用已達到了相當的廣泛。 

3 粗淺的評價 
  交流電動機變頻調速技術得益于電力電子技術和微電子技術的高度發展而日新月異的發展,其應用領域得到了質的突破,以交代直已是無可非議的現實。隨著高精度的數字量化技術的實現,CPU運算速度的不斷提高,適時高速度地完成矢量控制,直接轉矩控制等的復雜的解析式的計算,已經不再是難題,因而使經典控制論,特別是現代控制理論能得到可靠實施;各種類型的大功率、高電壓半導體器件的出現,使高性能的斬波成為可能。 
由于交流電動機本身就是一個多變量強耦合的系統。從理論上說,交流調速系統比直流調速系統更為復雜得多。但是,由于高精度的全數字化控制的實現,大多數的運算都可以用一個一個具有標準功能的軟件??槔詞迪?,而這些功能軟件??櫚男閱苤副暝諶魏問焙蚨嘉扌氳ザ賴魘?,只要作一些簡單的、必要的設置就可以付諸使用。這樣,無論是設備的制造、調試、使用、維護等都大大地簡化。對用戶而言,省去了大量的維護工作量。交流電動機自身的耐環境,耐沖擊,過載能力強,制造方便,經濟……又為交流電動機的變頻調速控制提供了全天候的空間。 
從寶鋼一、二、三期工程中使用的情況看,交流電動機變頻調速技術的應用是相當成功的。主要從以下幾個方面可以說明: 
3.1 大、中型變頻調速裝置 
  1#、2#高爐鼓風機的48MW同步電動機起動、高速線材廠的精軋機組使用的交-直-交(LCI)變頻調速裝置;2050熱軋廠R3軋機、1420冷軋廠五機架使用的交-交變頻調速裝置; 1580熱軋廠主軋機、1550冷軋廠主軋機使用的具有高功率因數的交-直-交三電平雙PWM變頻調速裝置;高速線材廠軋線使用的ACS600系列(DTC)變頻調速裝置……這些變頻調速裝置都是國際上知名廠家精心研制的具有高性能的變頻調速裝置。經過長期運行考驗證明,這些裝置無論是靜態、動態性能以及維護性能都是優秀的,故障率極低。 
3.2 通用變頻器 
  通用變頻器在寶鋼的應用就更加廣泛了。有德國西門子公司生產的SIMOVERT Master Driver系列產品;日本安川公司生產的VS-676、VS-616H3系列;日本三菱公司生產的M-200、M-1200系列;ABB公司生產的ACS系列DTC產品等??梢運凳瞧分侄?,型號多,規格多,范圍廣。 
總之,交流調速技術能在寶鋼得到廣泛的應用,是因為交流電動機變頻調速技術本身具有其突出的優越性。從使用交流變頻調速技術的效果看:在節能,節約投資,降低維護工作量、維護費用方面取得了眾目共睹的顯著成就。 
3.3 存在的問題和不足 
  寶鋼在應用交流變頻調速技術的過程中也存在不足之處。主要表現在有的系統在設計方面還存在有相當不合理的地方。設計者沒有很好地利用變頻調速技術的優點,而是極端膚淺地實現系統的調速。比如××機的驅動系統均使用異步電動機變頻調速控制。在實際的生產運行中(4極)電動機長期穩定地運行在20Hz。無論是變頻器還是電動機的能力都只用了40%左右,這是極不合理的。 

4 在寶鋼,交流變頻調速技術的應用尚有待開拓的新領域 
  在寶鋼,交流電動機變頻調速技術雖然已得到了普遍的應用。但是,仍有待開拓的新領域:其一是風機、水泵設備的節能調速,其二是行車卷揚系統的節能調速??梢運到渙韉魎偌際跤τ糜謖飭礁齜矯嫫渚瞇б媸鞘摯曬鄣?。 
4.1 風機、水泵的節能調速 
  雖然少數風機、水泵設備也用到了變頻器。但是,其基本目的只是減小電動機的起動電流,以減小電動機在起動時對電網的沖擊。如前所述,高爐鼓風機同步電動機的起動,1#、2#高爐出鐵場除塵風機電動機的起動,2#、3#燒結機主排風機的電動機等的起動。然而,用于風機、水泵設備的節能調速運行的為數甚少。 
風機、水泵調速運行節能的理論眾所周知。在寶鋼除塵風機、水泵甚多,絕大部分是電動機全電壓運行,用擋板、閥門來控制介質流量。這樣,電動機從電網所吸取能源的一部分、甚至一大部分被擋板、閥門消耗或旁通,造成了不必要的能源浪費。現場的風機、水泵的裝機量相當大,若酌情實施調速運行,其節能效果是很大的,特別是大型泵組的節能效果更為可觀。 
4.2 行車卷揚的節能調速 
  目前行車卷揚系統的調速方式繁多,可謂五花八門。主要以渦流制動器(配合切除二次電阻)調速;調整電動機的一次電壓(配合切除二次電阻)調速;能耗制動調速;更簡單的是直接切除二次電阻調速…… 
行車卷揚可謂是電老虎。之所以這樣說,道理很簡單:行車卷揚是位能負載,其一是電動機頻繁起動,且經常處于高滑差狀態運行,滑差功率白白地消耗在二次電阻上;其二是重物被電動機驅動到高空,電能轉換成重物的位能。重物從高空下降的過程中這些位能幾乎全部消耗在電動機的二次電阻上了。其單機容量不一定很大,不十分引人注目。但是,它的電能損耗與其自身容量相比是相當高的。盡管在寶鋼二、三期工程的行車卷揚系統中大量使用交流調壓調速,但是,它的電動機仍然是常在高滑差狀態下運行,仍然存在二次電阻上的能量損耗的問題,同時還帶來諧波問題。如果采用變頻調速,重物以任何速度下降時,電動機都以"超同步"方式運行,重物的位能被電動機轉換成電能回送電網,沒有二次電阻耗能的問題,節能可達70%左右。如果是作業率高的生產用行車,其節能效益更是可觀。 
筆者經潛心研究認為,ABB公司研制的專門用于卷揚電機控制的ACC600以及相關系列的(DTC)產品,最適合用于卷揚機電動機的控制。它的零速轉矩可達100%,具有很高的可靠性,安全性和實用性,絕對不會發生溜鉤事件。 

5 有必要引起重視的幾個問題 
5.1 關于變頻器的用戶設置參數問題 
對于任何一臺變頻器,它的用戶設置參數的數據,是該系統能正常運行的最基本依據。因此,一旦調試結束、正常運行后,就必須如實地記錄下用戶設置的所有參數。否則,一旦什么原因發生改動或丟失了用戶設置參數,沒有原始的用戶設置參數作依據則很難快速地恢復系統。筆者認為:對于大、中型變頻器,現場對這方面的工作做得比較細,不會有太大的問題。然而對于小型通用變頻器,問題就比較多了。因此十分有必要對現場使用的每一臺變頻器的用戶設置參數作一次清理造冊,以備后患。 
5.2 關于小型通用變頻器的備件覆蓋問題 
  目前,在寶鋼廠內使用的小型通用變頻器的制造廠家、規格、型號繁多,可算是萬國博覽。因此,備件的規格、型號也雜亂繁多。一備一,二備一,三備一的現象較多。再者,許多廠家,甚至是名牌廠家可能在一夜之間就會宣布某某型號的變頻器停止備件的生產、供應。更嚴峻的是有的廠家宣布關門,備件無處采購。鑒于上述這些可能發生的情況,十分有必要選擇幾個名牌廠家的小型通用變頻器對不同廠家制造的小型通用變頻器的備件實行覆蓋,以減少備件的種類、數量及庫存,減少資金積壓。從這個意義上講,經濟效益是相當可觀的。這里有很大程度是管理的問題。然而,更重要的問題是細致的技術方面的調查和研究。 
5.3 關于電磁兼容的問題 
  電磁兼容(EMC)是指電氣設備、裝置或系統,在其電磁環境中,既能保持自身正常工作又不對該環境中的其他設備或系統構成不能承受的電磁干擾的能力。無可非議,任何一臺電氣設備、電力電子裝置或電氣傳動控制系統都存在儲能元件。當這些設備、裝置或系統中的某些元件發生換能時即呈現過渡過程,產生各種頻率的高次諧波。這些高次諧波不僅對自身設備或系統產生電磁干擾,同時也對其相關設備或系統產生電磁干擾。當這個干擾超過被干擾設備或系統的承受裕度時,被干擾的設備或系統就不能正常工作乃至不能工作。即發生電磁不兼容的故障。在寶鋼的一、二期工程中,曾經不止一次發生過電磁不兼容的故障。如:電磁干擾導致系統的PLC對小車的位置誤檢測,誤定位;使用對講機導致直流快速開關誤動作;電磁干擾導致錄波儀錄制的(用CT采得的)變頻器輸出的正弦電流信號,卻成了幅值按正弦規律變化的直流。在三期工程中表現更為突出,如:高速線材廠吐絲機組等的公共整流器,當它們處于整流工作狀態時,卻頻頻發生逆變(能量回饋)橋上的快熔燒壞故障;逆變器供電的電動機接地線連接不正確而導致系統的PLC的通訊網絡不能正常工作。如此等等,都是電磁兼容方面的問題。 
  交流變頻調速技術的大量應用給工廠生產自動化,節能對產品的產量和質量的提高帶來了極大的福音。然而,其反面就是豐富的高次諧波給系統帶來嚴峻的電磁兼容問題。 
對于常規的交流調速系統而言,諧波的產生有兩個方面:其一是整流器產生的諧波,它基本上存于在電網側:其二是逆變器斬波時產生的諧波,它主要存在于逆變器及其輸出側。 
在電網側的高壓方面都根據需要設有諧波吸收裝置。理論而言,吸收裝置對預定次數的諧波分量可以吸收到所規定的標準指標之內;絕大部分變頻器都是電壓型SPWM輸出,輸出諧波分量能達到規定的指標之內。在正常情況下,系統保持電磁兼容的相對平衡,并有一定裕度。一旦系統的工作狀態發生某些不合理的改變或者裝置中的元件性能發生某些變遷,使系統的電磁兼容裕度變差乃至喪失,系統就無法正常工作。 
表面看來,電磁兼容莫名其妙、捉摸不定。但是,只要用科學的態度加以分析可知它是有規律性可循的。我們可以由表及里,由現象到本質,逐步研究掌握一定的規律,逐漸提高,不斷進行治理。 

6 關于三期后工程以及一、二期設備改造中值得考慮的一些問題 
  寶鋼三期后工程將逐步開始運作,一、二期工程項目的改造亦將逐步有序的進行。而在實施這些工程項目時,在電氣傳動設備方面需要考慮些什么?需要注意些什么?在此談談自己粗淺的看法和想法: 
總之一句話:在傳動控制設備的選型方面要以高性能,高可靠性,高效率、節能、經濟性,維護簡便為前提。 
可選傳動控制設備對象較多,各有優劣之處,各有其最佳使用的場合。要根據工藝的具體要求進行選擇,以達到揚長避短的目的。 
6.1 關于大、中型變頻調速系統 
a.交-交變頻調速系統 
  寶鋼已使用的大、中型交流變頻調速系統,如2050熱軋廠R3、1420冷軋廠五機架使用的交-交變頻同步電機矢量控制系統。該類系統是由直流可逆系統演化而成,系統結構簡單、成熟,易于掌握、維護,還易于實現大容量,元件成本低,且已能國產化了。其缺點是最高輸出頻率受限(不超過40Hz),網側的諧波及無功分量大,還有旁頻。但其輸出電壓波形平滑,dV/dt小,對電動機的絕緣無特殊要求。只需在網側設置性能可靠的無功補償和諧波濾波裝置即可。這類系統是較為理想的選擇。 
b. 交-直-交三電平雙PWM變頻調速系統 
  1580熱軋廠軋線主機、1550冷軋廠的五機架使用的交-直-交型三電平雙PWM矢量控制變頻調速系統。該類系統可用于同步電動機和異步電動機的調速,可實現大、中等容量。雖然主回路使用的功率開關元件數量多,即使用了兩套逆變器的主回路,其一作整流器,另一作逆變器,以獲得網側高功率因數(功率因數為1.0),低諧波分量的性能。整流變壓器和逆變器的容量可以相對減小,省掉了網側的無功補償和諧波濾波器。輸出頻率范圍控制自如。因裝置輸出為三電平,其輸出電壓的dv/dt相對降低了一半,因而對電動機絕緣耐受力的要求也相應降低一半。其性能價格比好,故是理想的選擇。 
c.直接轉矩控制(DTC)系統 
  在寶鋼應用之例是高速線材廠使用的ACS600(DTC)系列變頻調速系統。DTC控制技術是近年發展起來的一種高性能的傳動控制技術。它省去了矢量控制系統的解耦以及與解耦相關聯的旋轉環節,使系統結構簡單,直觀,物理意義清晰,極易理解。IGBT作功率開關元件,用于異步電動機調速控制。目前系統采用40MHz工作頻率,每25μs即可刷新一次控制參數,實現對轉矩和磁鏈的高性能控制。其綜合技術性能優于矢量控制系統。單機容量可做到4000kW(目前,ACS1000系列可做到5000kW),如果配上PWM整流器,可謂如虎添翼。是值得特別推薦的優良系統。 
d.交-直-交負載換流式(LCI)系統 
  交-直-交負載換流式(LCI)系統也是一種可選的方案。它使用十分成熟的晶體閘流管作功率開關元件,系統結構簡捷,元件價格便宜。高爐鼓風機起動裝置、高速線材廠精軋機組的控制就是在寶鋼成功應用之例?;褂新薇隹檔乃酵昝牢扌巢ǖ謀淦底爸?。它和交-交變頻一樣,可以輸出較為理想的正弦波電壓,因而對電動機的絕緣沒有任何特殊要求。在寶鋼初軋廠有應用之例。但是,因其主回路結構太復雜,因而硬件的維護工作量太大。 
總之,上述幾種在寶鋼使用的大、中型變頻調速裝置各有其長處和不足,在表1中顯示出了幾類系統的有關技術性能。 
6.2 關于小型通用變頻器 
  關于小型通用變頻器,因其在寶鋼使用的種類以及制造廠家繁多而顯得有些雜亂無序。小型通用變頻器的控制方式大體上可分為:矢量控制、滑差頻率控制、直接轉矩控制和V/f(標量)控制。它們的控制性能各有優劣,但各有其用武之地。 
目前,小型通用變頻器的制造廠家都稱自己產品性能卓著,其實不盡然。從寶鋼現場使用的情況看,也發現有輸出諧波指標THD達40%的,也有控制板或IGBT元件頻頻損壞的。 
應該說一般大型的公司如:西門子、ABB、三菱、日立、富士……制造的小型通用變頻器性能優,通用性好,故障率低,是可選之例。 
特別要說明一點的是:矢量控制的理論十分成熟,但不同的制造廠家其系統構成的方式差異很大。對有的產品我們很難相信其是真正意義上的矢量控制,用戶不用特殊的手段很難鑒別之。因此,極易發生花高價錢,賣低檔貨。筆者認為在選擇產品時有必要注意以下兩個方面:其一是看廠家提供的資料中的各功能塊的不同功能內容,利用用戶設置軟件進行設置,能否構成矢量控制的基本系統;其二是看裝置是否有ID或自動辨識運行功能。除非是同一家廠生產的變頻器和電動機,否則,僅靠用戶寫入電動機的銘牌參數,系統很難達到我們所需要的控制性能指標。因為,系統在自動辨識運行中要準確地測量電動機的某些(銘牌上沒有的)參數,以供適時的矢量控制演算。 
6.3 關于功率開關元件的問題 
  由表2,表3中的參數可知,大、中容量的變頻裝置中,GTO元件已經不再受寵了,代之以IGCT、IECT或IGBT;晶體閘流管因其技術成熟,價格便宜,已能國產化,應是可選之例;IGBT已能制造出3300V/1200A的元件,雖然其單只元件容量不太大,但其有適合于并聯的天性,開關性能優異,宜用于中等容量的裝置。寶鋼已經用到2000kW的IGBT作開關元件的裝置。自然,中等容量的變頻器中IGBT元件應該是首選。 
目前,小型通用變頻器廣泛使用IGBT、GTR,也有使用GTO的。IGBT由于其開關性能好,容量適合,無須并聯或少并聯。無論如何IGBT應該是首選。 
6.4 關于變頻調速系統的可選件問題 
  在一個系統中變頻器的可選件考慮得是否得當,直接影響到系統的電磁兼容裕度,涉及到系統的穩定性、可靠性??裳〖淖饔迷詼淌奔淠諛巖蘊逑殖隼?。應該說,大中容量的變頻器不一定存在這個問題。因為,制造廠家在這方面用心良苦。而小容量通用變頻器這個問題比較突出。首先需要說明的一點是:在可能的情況下最好采用公共整流器集中供電。這樣易于控制網側的諧波和無功分量。又能向網側回饋能量,實現節能運行。從現場使用的情況看,公共整流器的結構形式很多,原則上都可以使用。但是,由于結構形式的不同,他們的電磁兼容性能差異很大,其功率因素從0.75~0.95不等,選用時要謹審從事。 
在不能使用公共整流的時候,要考慮交流進線電抗器。即使使用公共整流器,也要考慮交流進線電抗器。變頻器的輸出也一定要考慮選用制造廠家推薦的,適配的濾波器或dV/dt限制器。減輕很高的dV/dt對電動機定子繞組絕緣造成的損害;減輕高頻諧波對其他電子設備造成干擾。否則難以保持系統足夠的電磁兼容裕度。 

6 參考資料 
可控硅電路 北京鋼鐵學院 趙殿甲 主編 
冶金工業出版社 
本文網址://www.cxclik.com.cn/News/ZiXunView-16.html
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