大功率轧机主传动交流调速技术

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1、大功率轧机主传动交流调速技术李崇坚冶金工业部自动化研究院1.前言大功率轧钢机主传动要求电气传动系统具有很高动态响应和相当高的过载能力。这一领域长期以来一直被直流电动机传动所垄断，由于直流电机存在着换向问题和换向器、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，已不能满足轧钢机向大型化、高速化方面的发展。随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的迅速发展，在大功率轧钢机主传动领域已出现交流调速传动取代直流传动的趋势。轧钢机是大容量高过载，快速响应

2、的生产机械，交流变频调速不仅具有直流传动同样优越的调速性能，还有许多优于直流传动的特点。1)单机容量不受限制众所周知，直流电机由于换向器的换向能力限制了电机的容量和速度，直流电动机的极限容量和速度之积约为106kW·r/min，例如厚板轧机主传动直流电机功率2×8000kW(50/100r/min)已达到极限值，而交流电机单机容量可以突破这一限制，达到2×11000kW，为设备提供更大的动力。2)体积小、重量轻、占地面积小由于交流电机结构简单、体积小、重量轻、占地面积大大减少。而直流电机不仅单机体积大，为

3、了减少转动惯量，常常采用双电枢或三电枢串联方式，占地面积很大。日本某钢厂采用交交变频同步电机替代了原三电枢直流电机，电机功率同为11250kW，交流电机仅用了原直流电机1/3的占地面积。交流电动机由于结构简单、坚固，因此有可能与机械合为一体，形成机电一体化产品，例如轧钢地下卷取机的卷取芯棒就作为同步电机的转子。3)转动惯量小以宝钢2050mm热连轧机为例，直流主传动电动机2´4500kW(250/578r/min)双电枢传动，转动惯量76.8tm2，而交流主传动电动机9000kW(250/578r/min

4、)单电枢传动，转动惯量17.2TM2，仅为直流电机的1/4.5。4)动态响应好由于交流电机转动惯量大大减少，并且交流电机没有换向火花对过载能力的限制，电机可以具有更大的动态加速电流。因此，交交变频同步电机较直流电机有更好的动态响应特性，宝钢2050mm热连轧机交流电机的速度响应时间由120ms提高到80ms。5)维护简单化由于交流电机无需换向器，维护量大大减少，德国厚板轧机直流主传动年维修工作量145h，而采用交流传动后只需36h，仅为直流传动的1/4。6)节约能源交流同步电机的效率比直流电机提高2～3%

5、，以包钢1150初轧机改造为例，原直流传动2´4500kW，功率消耗2´343kW，消耗冷却水2´110t3/h；而采用交流传动，电机容量增大到2´5000kW，功率消耗仅2´186.7kW，减少功率损耗46%，冷却水消耗为2´59t3/h，仅为原直流电机的54%，采用交流传动后，每吨钢电耗节约15%以上，而产量则提高30%。正是由于交流变频调速具有上述优点，该技术受到国内外钢铁工业和电气传动学术界的极大关注。70年代以后，随着交流电机矢量控制理论的产生及其应用技术的推广，世界工业发达国家都投入大量人力物

6、力对交交变频轧钢机主传动进行研究。到目前，在世界上已有数百台交流变频轧机主传动投入工业应用，在工业发达国家新建2000kW以上的轧机主传动，无论是初轧机，中板轧机还是热、冷连轧机，无一例外全部采用交流变频调速。1.交交变频调速系统交交变频调速系统如图1所示，由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成，它沿续着晶闸管变流器的电网自然换流原理，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

7、同步电机或异步电机。图1交交变频同步电机调速系统70年代初，随着交流电机矢量控制理论的产生及其应用技术的推广，国际上各大电气公司都投入大量人力物力对交交变频同步电机传动进行试验研究，期望这一技术可以应用于高性能要求的轧机主传动及矿井提升机传动。1981年西门子公司研制成功第一台4000kW初轧机交交变频同步电机传动系统，使大容量交流调速系统登上了高性能调速的台阶。1982年日本富士电机公司研制成功日本第一台2500kW初轧机交交变频同步电机主传动系统。日本东芝公司1988年为川崎制铁公司研制了世界上第一套

8、交交变频异步电机调速高精度冷连轧机，速度响应达到60弧度/s，速度控制精度为0.004％，超过了直流调速的指标，但由于同步电机变频调速对于大容量轧机主传动具有许多异步机所不及的优点，日本80年代末又开始研制同步电机变频调速装置，三菱电机公司1990年推出世界最大转矩交交变频同步电机轧机主传动，7000kW，35/79r/min，1992年又陆续制造2～3台同步电机轧机主传动装置。东芝公司制造了日本最大容量11250kW交交变频