如今全球能源緊缺，如何保護資源和減少能源消耗成為科研和工業(yè)界的當務之急，尤其
是耗能大戶冶金鋼鐵、石油化工、傳統(tǒng)制造等領(lǐng)域。因此，對工業(yè)電機、風機、泵、壓縮機等負載使用變頻器改造成為了一種行之有效的節(jié)能方式。本文主要介紹高性能大功率變頻器在熱軋領(lǐng)域的應用，并提出幾點思考。
研究對象工藝說明
圖1交交變頻調(diào)速驅(qū)動交流同步電動機單線圖
(1)熱軋領(lǐng)域：本文主要是介紹黑色冶金行業(yè)（鋼鐵行業(yè)）熱軋帶鋼領(lǐng)域，包括常規(guī)熱連軋、短流程CSP、爐卷軋機、中厚板軋機等使用的高性能大容量變頻裝置。但是由于常規(guī)帶鋼熱連軋技術(shù)和產(chǎn)品要求最嚴格，因此本文重點闡述帶鋼產(chǎn)品寬度在1000mm及以上，厚度在1.2mm—21mm的熱連軋生產(chǎn)線。
(2)主機：在帶鋼熱連軋生產(chǎn)線中，一般其粗軋機和精軋機（連軋機）定義為主軋機（或主機），其對應的變頻調(diào)速裝置稱為主傳動裝置。
(3)大容量：指電機的額定功率在2500kW以上，或變頻裝置的額定容量在6MVA以上（無統(tǒng)一說法）。
(4)高性能：一般上述設備因其容量大且是產(chǎn)品生產(chǎn)（含產(chǎn)量和質(zhì)量）的核心裝備，其裝置控制性能要求非常高；響應速度快；靜態(tài)速度控制精度高（小于萬分之一）；電機輸出轉(zhuǎn)矩脈動小；動態(tài)速降小(小于0.3%S)；裝置效率高（大于97%）。
電機：一般而言，現(xiàn)在的主機用的電機均采用交流同步電動機，電機容量如下：粗軋機電機額定功率：2500kW—9000kW， 精軋機電機額定功率：6000kW—11000kW：
裝置：2008年以后，幾家大容量高性能的變頻調(diào)速裝置制造商一般采用交直交電壓型變頻裝置，其裝置的額定輸出容量根據(jù)電機額定功率以及過載倍數(shù)的不同而不同，但是裝置基本上分檔制成標準的主回路組件，其對應的額定大容量有4種：6MVA、8MVA、10MVA、12MVA。
據(jù)不完全統(tǒng)計，中國從1957年引進前蘇聯(lián)的鞍鋼2800/1700mm板帶連軋機到今天準備籌建的寶鋼湛江工程，其引進和自主設計的寬薄熱連軋機(寬度大于1000mm)不少于60條生產(chǎn)線，其中寶鋼8條(2050、1 580、1 780(上)、1 422、1 880、1 780（梅））；鞍鋼4條
（2800/1700、1 780、21 50、1 700（鞍凌））；武鋼3條（不含柳鋼等，1700、2250、1580）
全國僅帶鋼寬度在2000mm熱連軋機生產(chǎn)線就有1 0條：寶鋼2050，武鋼、太鋼、馬鋼、邯鋼、漣鋼的2250，以及本鋼的2300，首鋼21 60，日鋼和鞍鋼的2150等。此外還有CSP、中厚板軋機等各類熱軋生產(chǎn)線。
裝置技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展歷程
我們主要從電機、功率器件、變頻方式、控制技術(shù)等方面來了解這些裝置的技術(shù)與發(fā)展歷程。
電機：已經(jīng)從直流電機發(fā)展到同步電動機；
功率器件：已經(jīng)從可控硅發(fā)展到門控晶閘管( GTO)，再發(fā)展到IGCT( H-IGBT)和IEGT；
變頻方式：已經(jīng)從交交變頻發(fā)展到如今的交直交電壓型變頻；
控制技術(shù)：從矢量控制發(fā)展到直接轉(zhuǎn)矩控制。
目前正在使用的主傳動變頻裝置的代表產(chǎn)品與制造商：
(1) 交交變頻的應用配置（寶鋼分公司）（1 6套）（元器件均為SCR）（交交變頻調(diào)速驅(qū)動交流同步電動機單線圖見圖1）；
(2) 交直交三電平PWM變頻的應用配置（寶鋼分公司）（46套）。
3.典型產(chǎn)品／技術(shù)介紹
現(xiàn)以寶鋼1 880熱軋和日本TMEIC產(chǎn)品TM-70為例作介紹。
主電機有粗軋機R1上下輥、R2上下輥（同步電機）、精軋機Fl-F7（同步電機）、飛剪CS（異步機），板坯大側(cè)壓裝置SP(異步機)共1 1臺。
電機額定功率具體如下：
R1:2500kW×2；
R2:9000kW×20
F1 - F5:10000kW×5；
F6 - F7: 9000kW×20
SP:3300kW×1；
CS:2500kW×1。
上述主傳動裝置均采用日本TMEIC的TM-70的8MVA的驅(qū)動裝置，其整流器和逆變器都是用IEGT作為其功率元件的交直交電壓型3電平PWM全數(shù)字矢
圖2 IEGT變頻器機柜
量控制傳動系統(tǒng)。這種控制方式真正實現(xiàn)了正弦波輸出，減少了高次諧波和力矩紋波，不需要采用SVG濾波裝置；同時高電壓輸出減少了電纜和導線的成本。
R2上下輥和精軋機F1-F7由于其電機額定容量在9000kW到10000kW之間，故一套裝置不夠用，必須同時使用兩套IEGT裝置，容量在8MVA的TM-70裝置才行。
而R1上下輥、GS、SSP由于其電機容量在2500kW到3300kW之間，故只需要一套IEGT裝置，容量在8MVA的TM-70裝置即可。
IGCT、IEGT變頻器（實物圖見圖2、3）規(guī)格對照表見表1。
如今，IEGT三電平整流器逆變器應用更廣泛，其主要性能為：
高效率：大于98.5%；
高可靠性：因為不使用電解電容器，所以不易出故障；
容易維護：拆卸容易，無需專業(yè)工具就能快速拆卸
圖3單組變頻器
功率IEGT Stack；
對電網(wǎng)影響小。
4．幾點思考
4.1雙系統(tǒng)并聯(lián)驅(qū)動
冶金行業(yè)（特別是寬帶鋼的熱連軋生產(chǎn)線軋）在高速軋制高強度薄帶鋼時，需要電機額定功率在
10000kW以上，對于特大牽引交通負載，其驅(qū)動電機將會更大。在現(xiàn)有的大容量功率器件下，一個功率回路( bank)無法滿足上述負載的需要。因此存在兩個并聯(lián)甚至三個或四個回路并聯(lián)情況。如何解決這一問題，有兩種典型方法：多繞組電機法和驅(qū)動回路并聯(lián)法。
采用多繞組電機法以日本東芝三菱公司TM-70為典型，采用驅(qū)動回路并聯(lián)法以日本原三菱電機產(chǎn)品MELVEC-3000系列及東芝4并系統(tǒng)最為典型。表1IGCT、IEGT變頻器規(guī)格對照表
4.2同步電機勵磁系統(tǒng)
日本三菱電機的MELVEC3000系統(tǒng)和德國西門子SM-150、日本TMEIC的TM-70產(chǎn)品在給同步電機供電時，其同步機勵磁驅(qū)動裝置一般都采用可控硅全波整流。
這幾家采用的勵磁主回路拓撲結(jié)構(gòu)差不多，但為防止勵磁回路能量釋放引起的過電壓，各方設計的過電壓保護回路差別較大。
日本TMEIC公司的TM-70設計配套的勵磁保護過電壓回路非常復雜，因其硬件設計欠周到和其控制PLC軟件編程錯誤，導致多次燒壞二極管和電阻。而日本三菱電機設計的非常簡單且使用實效性好，系統(tǒng)運行近16年，從未出現(xiàn)過故障。
4.3軋機機電共振控制功能
由于軋機的速度不是很高( 20rpm—6580rpm)，因此其對應的變頻裝置控制頻率也不會太高。根據(jù)N=60×f/P，考慮電機制作難易程度以及電機的工作效率、成本，其電機極對數(shù)在4—8之間。故控制速度的逆變器輸出頻率在2.6—44Hz之間。由于機械自身固有頻率也比較低，當軋制高強鋼時，系統(tǒng)通過軋制的板坯讓系統(tǒng)產(chǎn)生共振，輕者引起系統(tǒng)跳電，無法軋鋼，重者會損壞設備。寶鋼1 880熱軋的粗軋機R1就是典型的例子。盡管TM - 70具有抑制系統(tǒng)扭振功能SFC．但是由于多方面原因，即使通過日方專家多次調(diào)試和系統(tǒng)優(yōu)化，并使用了SFC功能，其效果還是不
能滿足現(xiàn)場實際的需要。容易出現(xiàn)共振的軋機有：R1軋機、F3和F4軋機。
4.4其他
采用何種高性能大功率變頻器還要考慮采購成本、配件成本、維護維修成本，在技術(shù)方面要考量功率器件和裝置制造技術(shù)、裝配技術(shù)、調(diào)試技術(shù)、維修技術(shù)等綜合因素。
