1 引言
軋機(jī)交流傳動(dòng)是我們追求的目標(biāo)，因?yàn)檐垯C(jī)傳動(dòng)功率大，調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速精度高，電氣傳動(dòng)的控制性能直接影響軋制產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量。變頻調(diào)速的應(yīng)用為交流電動(dòng)機(jī)用于軋機(jī)傳動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。首先成功應(yīng)用于軋機(jī)的交流傳動(dòng)是交-交變頻器同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，它應(yīng)用于我國(guó)多套軋機(jī)，如鞍鋼初軋機(jī)、大型材軋機(jī)、寶鋼連軋機(jī)、邯鋼板坯連鑄軋機(jī)、攀鋼連軋機(jī)等。交-交變頻器主回路本質(zhì)上是三套可逆反并聯(lián)直流晶閘管調(diào)速裝置，每相一套。輸出的波形是正負(fù)可變的緩慢變化的直流波形，輸出的頻率為電源頻率的1/3以下。其系統(tǒng)如圖1所示，采用矢量控制，其調(diào)速范圍、調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)均能滿足軋鋼工藝的要求。

圖1 siemens用于軋機(jī)主傳動(dòng)的同步機(jī)全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)框圖


圖2 主傳動(dòng)供電系統(tǒng)示意圖

交-交變頻的主要的缺點(diǎn)是功率因數(shù)低，波形諧波分量大，對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重，這是因?yàn)樗墓╇娧b置本質(zhì)是調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角α變化，使輸出電壓緩慢隨給定波形變化。α角的改變使系統(tǒng)功率因數(shù)變化并且波形失真。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，系統(tǒng)必須配備強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，如圖2所示。以攀鋼為例系統(tǒng)總功率為38mw，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償為55mvar。

2 交-直-交變頻器及其在軋機(jī)上的應(yīng)用
隨著pwm技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代變頻器均以此為核心，輸出波形好，頻率調(diào)節(jié)范圍寬，控制算法簡(jiǎn)單，其開(kāi)關(guān)器件為igbt，這種變頻器在低壓獲得廣泛應(yīng)用，普通的pwm變頻器輸入側(cè)為不可控的全波整流橋，不能實(shí)現(xiàn)能量回饋，電動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，為了制動(dòng)，一般采用直流環(huán)節(jié)加裝能耗制動(dòng)電阻的辦法。對(duì)于軋機(jī)電動(dòng)機(jī)電壓一般為3.3kv或6kv，需要有高壓變頻器，另外為了軋機(jī)快速性的要求，即快速正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，高壓變頻器需要四象限運(yùn)行，因此發(fā)展一種輸入輸出雙向?qū)ΨQ的變頻系統(tǒng)，也稱afe(active front end)如圖3所示。

圖3 3300v雙向?qū)ΨQ三電平功率橋


圖4 afe單相等值電路

整流橋與逆變橋?yàn)橄嗤慕Y(jié)構(gòu)，整流橋供電側(cè)串聯(lián)電感，控制直流電壓水平，達(dá)到調(diào)節(jié)功率因數(shù)的作用，電動(dòng)狀態(tài)從電源取得功率，調(diào)節(jié)支流電壓使電流與輸入電壓同相，即cosφ=1;再生發(fā)電時(shí)，電動(dòng)機(jī)的能量回饋給直流環(huán)節(jié)，整流橋逆變回饋電網(wǎng)，同樣控制直流電壓水平，使回饋電流與電網(wǎng)輸入電壓反相180°，cosφ=1。其工作原理向量圖如圖4。其中un為電網(wǎng)電壓;ub為整流橋段電壓;ul為輸入電抗壓降(包括變壓器漏抗);ub與直流環(huán)節(jié)電壓成正比例。i為交流相電流。其波形圖如圖5所示。從波形圖可見(jiàn)整流時(shí)和再生發(fā)電(逆變)時(shí)保持φ=0，或180°，即cosφ=1。

圖5 整流橋波形圖

所謂三電平，即將直流環(huán)節(jié)用電容分隔成兩半，形成p(udc+)，z(0)，n(udc-)三個(gè)電平，每個(gè)半橋臂由二極管將串聯(lián)的2個(gè)開(kāi)關(guān)管中點(diǎn)箝位于z(0)上。當(dāng)上橋臂的上下兩管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)輸出udc+，當(dāng)上管截止，下管導(dǎo)通，而且下橋臂的上管也導(dǎo)通(下管截止)時(shí)，輸出z(0)，即0電平。下半橋臂同樣，如兩管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出udc-，只有這三種導(dǎo)通狀態(tài)。這樣輸出電壓波形成臺(tái)階狀，如圖6所示，電壓波形接近正弦波，電流正弦波。

圖6 輸出電壓電流波形

這樣的系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)就是保證輸入功率因數(shù)為1，電網(wǎng)無(wú)諧波干擾，清潔能源。圖7給出美國(guó)ge公司的這類變頻器(mv-sp)的功率因數(shù)與交-交變頻器功率因數(shù)的比較圖。這樣使用這種變頻器完全省去了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，大大節(jié)省了投資，也減少運(yùn)行費(fèi)用。這樣的系統(tǒng)是比較理想的。

圖7 輸入功率因數(shù)比較

這樣系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于開(kāi)關(guān)器件，首先使用的是gto(門(mén)極可關(guān)斷晶閘管)在鞍鋼熱連軋機(jī)組上采用日本三菱公司生產(chǎn)的melvec-3000系統(tǒng)10套總?cè)萘?0mw。gto器件雖然是可關(guān)斷器件，但是關(guān)斷功率大，損耗大，di/dt，dv/dt吸收回路復(fù)雜。abb公司在gto的基礎(chǔ)上研制出一種igct(門(mén)極集成換流晶閘管)把門(mén)極控制回路集成在器件上，用戶只須提供一個(gè)電源(20v、15w)和光導(dǎo)纖維控制信號(hào)就可以工作了，開(kāi)關(guān)頻率為1khz，其電路如圖8，該器件采用特殊的緩沖層結(jié)構(gòu)，使其導(dǎo)通壓降特別小，開(kāi)、關(guān)損耗小，承受的di/dt，dv/dt大，并且反向同一個(gè)芯片上造一個(gè)逆導(dǎo)兩極管。該器件串聯(lián)使用時(shí)均勻性好，可以無(wú)吸收電路工作。它與gto特性比較見(jiàn)表1。


igct單只電壓可做到5500v，電流1800a。
使用igct的高壓變頻器，美國(guó)ge公司生產(chǎn)mv-sp型3300v/6000v最大功率20mw。本鋼熱連軋生產(chǎn)線主傳動(dòng)全部采用這種變頻器，可以說(shuō)是世界最先進(jìn)的理想交流傳動(dòng)系統(tǒng)。

圖8 igct門(mén)極控制回路示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)
我們今后應(yīng)大力發(fā)展和推廣使用igct的高壓變頻器。
其他高壓變頻器還有高壓igbt三電平高壓變頻器;電容箝位的igbt四電平高壓變頻器;多電平低壓igbt串聯(lián)型高壓變頻器;以及gto或sgct電流型高壓變頻器等。