大功率变频调速

1、2. 1传统大功率逆变电路传统的大功率逆变电路有:普通三相逆变器、降压普通变频升压电路、交交变频电路、变压器耦合的多脉冲逆变器。这些传统大功率逆变电路由于体积大,性能差,对电网污染严重,功率因数低,无功损耗大,成本高,因此应用领域越来越多地受到限制。2. 2新型多电平电压型逆变器1980年日本长冈科技大学的A.Nabae等人首次提出三电平逆变器,又称中点箝位式(NPC)逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。三相逆变器与普通双电平逆变器相比具有以下优点:更适合大容量、高电压的场合。可产生M层阶梯形输出电压,理论上提高电平数可接近纯正弦波形,谐波含量很小。电磁干扰(EMI

2、)问题大大减轻,因为开关一次动作的dv/dt通常只有传统双电平的1/M-1。效率高。消除同样谐波,双电平采用了PWM控制法,开关频率高,损耗大,而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作,开关频率低,损耗小,效率提高。2. 3PWM控制技术由于全控型电力半导体器件的出现,不仅使得逆变电路的结构大为简化,而且在控制策略上与晶闸管类的半控型器件相比,也有着根本的不同,由原来的相位控制技术改变为脉冲宽度控制技术,简称PWM技术。PWM技术可以极其有效地进行谐波抑制,在频率、效率各方面有着明显的优点,使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显的提高。传统的PWM控制技术多应用于双电平逆变器的门极驱动控制。近年

3、来,优化PWM技术得到了迅速发展。它是根据谐波含量、谐波畸变率最小,转矩脉动最小等目标函数,寻求控制波形。它具有一般技术不具备的特殊优点,如电压利用率高、开关次数少及可实现特定优化目标等。优化PWM可用于多电平逆变器。在国外,高性能交流调速传动是从20世纪60年代后期发展起来的。随着大功率电子器件及变流技术的发展、电子产品制造工艺水平的提高和微电子技术及微型计算机的发展,高性能交流调速传动目前发展到了一相当高的水平。当前的情况可从以下几个方面进行概括:高性能交流调速系统已可应用于大容量和特大容量的调速对象,解决了装置的功能指标问题和高压变流技术问题。填补了直流调速传动在特大容量调速传动方面的空

4、白;具有高的可靠性及长期连续运行的能力,可连续运行数万小时而不停机检修,满足了某些要求长期不能停机检修或对可靠性有特殊要求的部门的需要;能实现高性能、高精度的转速控制,其调速精度可达0. 1,并实现了矢量变换控制的商品化;应用领域广泛,且能在较多领域中与直流调速传动进行竞争。以下为正文：1轧钢机主传动控制要求在棒线材及型钢车间,一般初轧机只作简单的开坯使用,没有调速方面的要求。对中精轧机的主传动系统由于必须能够满足连轧所要求的速度级联和轧制张力控制,调速系统要有较高的速度和转矩控制精度,其他性能指标没有特别要求,尤其是对系统的调速范围要求不高。中厚板轧机的主传动电机及热连轧板带轧机的开坯机属于

5、低速、大容量可逆轧机,要求有大转矩过载能力,过载2. 5倍以上,但对速度精度和动态响应要求并不高。而热轧带钢厂的精轧机需要进行5机架以上的连续轧制,轧机功率大,转速较开坯机高,特别对稳态精度和动态恢复性能提出很高的要求。冷轧机主传动基本与热连轧精轧机相似,但由于需要达到工艺上准确的张力控制要求,对单机的速度、转矩控制精度和响应时间等有着更高的要求。相关性能指标要求参见表1。2轧机主传动交流调速技术比较目前,能够满足轧机传动要求的交流调速系统主要有交-交变频和交-直-交变频两种形式。其中交-交变频又分为无环流交-交变频系统和有环流交-交变频系统;而交-直-交变频按照输出电压的电平数可以分为二电平

6、变频和三电平变频。目前,由于器件电压等级的限制,二电平的交-直-交变频系统以低压、中小功率为主。大功率主轧机主要采用三电平方式,并根据主回路电力电子器件的不同可以分为门极可关断晶闸管(GTO)三电平变频系统、绝缘栅双极晶体管(IGBT)三电平变频系统、集成门极换向晶闸管(IGCT)三电平变频系统、电子注入式增强门极晶体管(IEGT)三电平变频系统。各种交流调速技术的技术性能和典型应用范围如表2所示。3交-交变频调速传动系统交-交变频调速系统由直流调速技术演变而来,其主回路功率元件采用相控晶闸管;一般对6相变频方式使用3组反并联可逆桥式变流器为交流电动机定子主回路供电, 12相变频方式则采用6组

7、并联可逆整流桥供电。图1为无环流交-交变频系统的6相和12相主回路原理示意图。交-交变频系统的输出电压由电网电压的若干部分组成,依靠矢量控制系统调节的移相角来平衡输出的三相电压频率和幅值;其最大的特点是只能工作于电网工频以下(最高频率小于1/2电网频率),调速范围受到限制,同时也存在着输出频率低、电网功率因数低、旁频谐波影响等缺点,大型轧机应用时需要同时配备动态无功补偿(SVC)和谐波滤波(FC)装置。但是,交-交变频系统也有其一定的优势:由于电能仅通过晶闸管相控桥的直接一次变换为交流电动机供电,避免了交-直-交变频的中间直流回路元件的空间占用及损耗,传动效率比较高,并且具有优良的过载能力和输

8、出波形好等优点,与同等容量的交-直-交变频系统相比还具有明显的价格优势。图1无环流交-交变频系统主回路原理示意图德国西门子公司与日本富士电机公司先后于20世纪80年代初研制成功了交-交变频同步电机传动系统,并且成功地应用在轧钢厂的大型初轧开坯机上。这标志着大容量交流调速系统登上了高性能调速系统的台阶。1989年,交-交变频同步电机传动系统在德国第一次应用于热连轧的精轧机主传动,使大容量同步电机变频调速终于达到并超过了直流调速的性能。到目前为止,世界范围内已有近500套轧机传动采用了交-交变频调速。在我国,几乎在各大钢铁公司的轧钢厂都可以看到交-交变频系统的使用。另外,针对无环流交-交变频系统输

9、出变频有限、功率因数低、电网谐波污染严重等缺点,采用可控环流的交-交变频系统能够有效缓解这些不利影响。其控制原理与无环流交-交变频调速系统相似,主要区别是各相的正、反两组晶闸管整流桥分别由变压器不同的二次绕组供电,采用恒定无功控制(AQR)原理,通过检测电源进线的无功分量值来控制正、反两组整流桥之间的环流,实现电源端的无功功率恒定。除有效控制电网侧无功分量、减少用于无功补偿规模的优势外,可控环流交-交变频系统还能够提高输出电压的频率,最高可达电网频率的80%,而且不存在使用晶闸管正反桥切换时的死区时间(23 ms),输出力矩更平稳。可控环流交-交变频系统在具备上述优点的同时,也存在一定的缺点:

10、由于环流电流的存在,整流变压器容量比无环流系统大约需要提高50%,传动系统效率明显降低,系统接线复杂,设备投资价格也高于无环流变频系统。可控环流交-交变频系统主要由日本东芝公司研制,在日本有一定推广,我国的轧机尚无应用。4负载换流变频调速系统采用负载换流的同步电机变频调速(LCI)系统由一台整流变压器、一套电源侧自然换流晶闸管整流器、个直流耦合电抗器、一套电动机侧负载换流晶闸管逆变器等组成,它利用同步电机转子过激磁的容性无功功率来提供晶闸管换流。其中电源侧整流器控制输出电压,电动机侧逆变器控制输出电流。LCI系统属于电流型交-直-交变频方式,容易实现四象限运行,可满足高输出频率要求;但其电流输

11、出波形是梯形波、输出电流谐波较大、力矩脉动也大,尤其是在低速范围内(小于10%额定转速);由于系统采用电流断续换流,力矩脉动明显增大,通常LCI系统的调速范围限制在110以内。为了使输出力矩的脉动较小,大型LCI系统通常采用12相供电方式,如图2所示。图212相供电的LCI系统主回路示意图LCI系统输出力矩的脉动和调速范围的限制制约了其应用范围,一般无法满足工艺要求严格的板材冷、热轧机的主传动控制,目前主要用于对过载能力要求不高,速度高但调速范围不大的不可逆轧机主传动,如棒材、高速线材精轧主传动。在我国武汉、天津、昆明等地的高速线材精轧机主传动中均有应用。5交-直-交三电平变频传动系统随着高压

12、、大电流的IGBT、GTO、IGCT、IEGT等大功率可关断电力电子器件的不断开发成功,交-直-交电压型PWM变频调速技术正在不断向大容量装置发展。与传统的半可控晶闸管器件相比,采用自关断电力半导体器件的电气传动装置具有节约原材料、变换器装置结构简单、体积小、重量轻、功率因数高、谐波污染小等显著优点。通32008,35(8)过采用全数字三电平PWM技术使得交-直-交电压型PWM变频调速系统性能得到极大提高,系统装机容量也得到大幅度提高,完全能够满足轧钢机高性能主传动的要求。现在,交-直-交三电平变频系统已经在中厚板轧机、带钢热连轧机、冷连轧机、单机架冷轧机等大型轧机的主传动上与交-交变频系统展

13、开竞争。作为轧机主传动的三电平PWM变频系统,一般其电网侧和电动机侧采用相同的三电平结构,前者完成系统的功率变换,后者完成系统的传动功能。电网侧的三电平PWM整流控制,可以使系统在整个调速范围内电网侧功率因数保持在1左右,且电流谐波总量THD控制在4%以内,能够很好地实现高功率因数、低谐波污染且能量可逆利用,不再需要价格昂贵且复杂的动态无功补偿设备及谐波滤波装置。而逆变侧的三电平PWM控制则大大缓解了输出电压的du/dt,使输出电压更加接近正弦波,减小了负载脉动,有效提高了传动系统的性能指标。采用中点箝位式(Neutral Point Clamped,NPC)结构的三电平PWM变频系统主回路接

14、线原理见图3。图中可关断器件采用IGBT元件。当采用GTO、IGCT等其他元件时,其主回路机构一致,主要区别在于相应的保护回路和触发系统。5. 1GTO三电平PWM变频系统采用GTO元件的交-直-交变频系统首先被应用在机车牵引上,成熟使用后,采用双三电平PWM控制的GTO变频系统被引入到轧机主传动中。目前,日本三菱公司已成功研制出6 000 V/6 000 A的大功率GTO元件,单机变频装置容量可以达到10MW以上,在国内外大型轧机上有大量应用。我国的鞍钢1 780 mm热带全连轧和宝钢1 580 mm半连轧生产线主传动都是采用的三电平GTO同步电机变频调速系统。但GTO器件的通态损耗及开关损

15、耗都存在很大缺点,而且无法与反并联二极管集成,需要复杂的门极驱动电路和阻容吸收回路,对系统的可靠性和效率有一定的影响,与功耗小、驱动简单而单元件容量逐步增大的场控器件相比逐渐失去竞争优势。这在一定程度上限制了GTO变频系统的大范围应用。5. 2IGCT三电平PWM变频系统IGCT是在GTO元件基础上研制出的一种新型大功率电力半导体器件。该器件在结构设计中减少了控制门极回路电感,并将驱动电路集成到器件旁,使IGCT的开关损耗较GTO减少一个数量级,取消了缓冲吸收电路,在简化变频器结构基础上提高了系统效率。同时,与GTO元件相比,IGCT控制回路简单,功率部分易于模块化,无论从系统经济性、可靠性和

16、可维护性上都有大幅度提高。目前,单元件4 000 A/4 500 V的IGCT器件已经投入产品化应用,采用IGCT的大功率三电平PWM变频器在轧钢机主传动中得到了越来越广泛的使用。我国新建的舞阳钢厂宽厚板轧机主传动以及本溪钢厂1 700 mm热轧精轧机主传动都采用了IGCT三电平变频系统。综合来看,IGCT虽然是一种较为理想的大功率中高压开关42008,35(8)变频应用专题 EMCA器件,但与电压型驱动器件相比, IGCT需要门极驱动电路为其提供开通驱动电流和关断时的抽电流,驱动功率依然比较大,这在开关频率高的应用场合尤为明显,是IGCT元件的主要缺陷之一。5. 3IGBT三电平PWM变频系

17、统IGBT元件属于场控器件,具有快速的开关特性(可达1030 kHz),易驱动、关断均匀、无需缓冲电路,可以很容易地将反并联二极管与IGBT元件集成在一起,总体性能优良,十分适用于高频开关场合的应用;但长期以来受元件容量的限制,主要应用在低压中、小容量变频系统中。近年来其在容量上有了很大发展。德国已研制出1 000 A/6 500 V的IGBT器件,同时也出现了采用IGBT器件的三电平PWM变频装置应用于轧机主传动的系统。我国宝钢1 550 mm冷连轧机及邯郸钢厂冷轧带钢生产线采用的都是IGBT元件构成的三电平变频系统驱动主传动电动机。较之前所述的GTO等元件, IGBT系统在噪声、体积和灵活

18、性上有很大的进步。目前,中小功率轧机主传动交-直-交调速系统基本上已经被IGBT元件所占领。但由于高压IGBT元件存在通态压降高、发热严重、关断时有电流拖尾现象等缺陷,在超大容量轧机上普及应用还需要一定的发展过程。5. 4IEGT三电平PWM变频系统IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor),是东芝公司1993年开发出的新一代电力电子器件,具有通态压降低、门极驱动简单、开关损耗小、易于串联运行等诸多优点。IEGT与IGBT一样同属于电压型触发器件,触发功率小(不到1W),开关速度高,也有关断速度快、损耗低、安全工作区域较宽的特点。另外, IEGT具有很高的

19、开通/关断速度和di/dt承受能力,在高开关频率下依然保持较低的开关损耗,且元件本身很宽的安全工作区能够承受较高的du/dt和di/dt,对吸收和缓冲回路要求不高。因此,在组成内部回路时用到的器件数量较少,能够很大程度上提高系统的可靠性。采用IEGT器件构成的三电平PWM变频系统在我国轧钢厂也已成功应用,目前涟源钢铁公司薄板坯连铸连轧生产线、太原钢厂2250热连轧生产线、新余钢厂中厚板的轧机主传动都采用了这种系统。从使用效果及性能指标上看, IEGT的三电平变频系统具有一定的竞争优势,在目前来讲是一种较为理想的适合在大功率变流器中使用的可关断电力电子器件。6国内发展现状国内目前各大中型钢铁企业

20、对产品产量、质量和品种不断提出新的目标,同时也带来了对大型轧机的交流变频驱动设备更大的需求量和更高的性能要求。我国轧机传动系统的大功率化和交流化已成为不可扭转的趋势。国内新项目中,主轧机的功率范围一般在12 kW6MW,几乎完全采用了交流电动机驱动。这其中,交-交变频系统以其优秀的性能价格比仍然具有很大的市场占有量,占据着约70%以上的中厚板、冷热轧宽带钢主传动调速市场,但这一份额也在日益减小;交-直-交三电平变频系统价格相对昂贵,需要一次性投资较大(约为交-交变频的23倍),但它对电网侧的优良性能表现能够避免对无功补偿设备的额外资金和场地占用,长期使用中也能显著节电,有着不可比拟的优势,已经

21、成为现代化大型轧钢厂先进电气装备的标志,有广阔的应用前景。在棒线材、中小规模型钢厂,除部分(约有20%)企业出于成本考虑仍采用直流系统外,大部分新项目都采用了全交流调速方式;由于功率范围及调速方式的特点,调速系统一般都采用交-直-交变频方式,特别是线材的精轧机连续的工作方式决定了LCI系统具有一定的优势,有着广泛应用。轧钢机高性能交流电动机控制系统的研究是一门集电机学、电力电子、自动化、控制论、计算机应用及数字仿真等于一体的综合学科。长期以来,我国大型轧机主传动电控系统装备一直依赖于进口,而且主要被几家大型跨国电气公司所垄断。自20世纪90年代开始,国家也加大了这方面研究的力度,但是由于基础硬

22、件(如功率器件、核心芯片等)方面的落后,研究起点相对比较低,不能在短时间内形成规模和工程化产品,暂时无法形成与国外大公司成熟系统之间的有效竞争。值得欣慰的是,高性能大功率交流调速系统的研制在我国已越来越得到了重视;国家把大型轧机主传动交流调速国产化列入重大技术装备科技攻关项目,高等学校、研究院所、电机厂、大型钢铁公司等单位都对此进行了各个层次的研究和探讨;针对三电平整流和逆变主回路拓扑结构,PWM调制理论的研究也成为重点;采用高性能数字信号处理器(DSP)控制的交-直-交变频系统已在中小功率范围内日趋成熟,为大功率高性能交流传动系统的国产化、早日打破国外大公司对轧机主传动交流系统的垄断地位打下

23、了良好基础。7结语大型轧机主传动电动机功率大、负荷重、连续作业、过载倍数大,对电控系统有很高的要求,在我国存在大量改造和新建系统需求,有着广阔的应用前景。通过对以上几种能够满足轧钢机主传动驱动要求的高性能调速系统进行的分析比较,得出如下结论。(1)高性能交流调速系统的各项指标已经达到或者超过了直流系统。大型轧机主传动电控系统已经由过去的直流系统逐步为交流变频调速所取代。新建生产线的主传动无一例外采用了变频调速技术。(2) LCI系统调速范围有限,无法胜任所有轧机的工艺要求。交-交变频系统功率器件成熟,性能指标完全满足轧机主传动需要,但对电动机频率输出有限,电网侧需要加繁杂的滤波补偿系统,应用范

24、围受到一定限制。采用可关断功率器件的双三电平PWM交-直-交变频系统在电网侧和负载侧同时获得了优良的控制性能,采用IGBT、IGCT、IEGT等功率器件的集成化变频装置已经大量在轧钢机上应用,成为目前交流调速发展的主流方向。(3)我国在轧机用大功率高性能变频调速方面的制造和技术水平距离发达国家大型电气公司的成熟产品尚有一定差距,必须尽快加强在交流电机控制理论、器件制造工艺、系统结构等方面的研究,跟踪世界先进技术发展,尽快打破国外产品在这一领域的垄断局面。以上是北科大（张勇军）2大功率变频器的应用分析2.1大功率变频器大功率变频器用于大型轧机主传动，功率在310 MW以上。在这个功率范围内，与传

25、统的直流调速相比，交流变频调速中变频器增加的成本可以从电动机和维护节约的成本中得到补偿，采用交流调速无论从技术上还是从经济上看都比较合理，基本上实现了以交流调速取代直流调速。除功率大外，主传动还要求：过载能力强（22.5倍）；能快速正反转（可逆轧机类）；静态转速精度高、动态冲击速降小、恢复快及加减速跟踪性能好（连轧机类）；变频器需有能量回馈功能，四象限运行。大型主传动使用的变频器主要有两类；基于晶闸管移相控制的交交变频器和基于高压大容量自关断器件PWM控制的三电平交直交变频器。现在流行的H桥级联多电平变频器在主传动中几乎不用，原因是整流电源数目太多，实现能量回馈复杂。与通用变频器不同，主传动用

26、变频器输出的额定电压根据变频器拓扑和使用器件的电压等级决定，额定频率根据工艺要求的恒转矩和恒功率调速范围决定，通常不同于供电电网。这一方面是因为主传动要求电动机过载倍数大、惯量小、结构强，需要专门设计，可以充分考虑变频器和工艺的期望，充分利用器件电压和电流；另一方面主传动不要求在变频器故障时旁路变频器，让电动机直接挂网恒速工作，因此电动机电压和频率没有必要和电网一致。交交变频器额定输出电压为1 650 V或3 300 V，三电平变频器额定输出电压有2 300 V、3 0003 300 V及4 160 V，都和我国电网电压不同。交交变频器已在我国大量应用，多达数百套，近年来大功率三电平交直交变频

27、器的应用逐渐增多，目前两类设备并存，各有优缺点，比较如下：（1）两类系统都是高性能调速系统，动、静态品质优良，都能满足轧机主传动的极高要求。（2）由于交交变频器及其电网补偿装置已国产化，价格便宜。以7 MW的装置为例，一套两倍过载的交交变频装置大约需要人民币300多万元（由于补偿装置是全车间统一配置，很难折算到每套变频支出，在此不计入补偿装置价格）。三电平变频器尚未国产化，价格高昂，一套基于IGCT的9 MVA双PWM三电平进口变频器（无过载能力）需要约100万美元，要满足7 MW电动机两倍过载要求，需两套并联（由于控制部分公用，价格不加倍）。（3）交交变频器的器件基于晶闸管，过载能力大，可靠

28、性高，国产晶闸管的质量已达世界先进水平，变频装置基于可逆整流，技术成熟；三电平变频器基于大功率可关断器件IGCT、IEGT或IGBT（7 MVA以下装置），不能过载，可靠性不如晶闸管，装置的成熟程度也不如交交变频。从备品备件角度考虑，交交变频器也优于三电平变频器。（4）随着输出频率的降低，交直交逆变器中各个器件承受大电流的时间加长，温升增加，需要降低装置输出电流。以ABB的9 MVA装置为例，从8 Hz开始降低输出，83 Hz从100线性降至70，03 Hz为70，若轧机有长时间低速运行工况，例如可逆轧机，需增大变频装置容量30。交交变频器在降低输出频率时，每个晶闸管的导通时间不变，仍为3.3

29、 ms，不降低电流输出能力，比较适合低速运行工况。（5）双PWM三电平变频器的最大优点是电网侧电流正弦，无功量可从感性到容性人为设置和控制，包括零无功（功率因数=1），不需要电网补偿装置或仅需一组高通滤波器；交交变频工作时产生大量无功和谐波（特征谐波和旁频），需要大的电网补偿装置，不仅增加设备，还占据庞大建筑面积（主要是电抗器和电容量占地），采用交交变频节约的投资被电网补偿增加的设备和土建投资抵消掉一大部分，甚至反而超出。（6）晶闸管的导通压降比大功率可关断器件低，交交变频是一次换流，而交直交变频是二次换流，所以从变频器本身而言交交应比交直交损耗小，效率高，但计入电网补偿装置的损耗（主要是电抗

30、器损耗）后，交交方案可能反而损耗大。（7）轧制车间中通常有多套主传动，电网补偿是整个车间统一补偿，两种变频方案哪个更经济需要全车间统一核算，在核算中不仅要考虑变频及补偿设备总价及总损耗，还要计及土建投资。（8）若车间中有多套主传动，一部分用双PWM三电平交直交变频器（例如精轧主传动），另一部分用交交变频器（例如粗轧主传动），用交直交变频器有源前端产生的容性无功去补偿交交变频器产生的感性无功，从而省去动态无功补偿装置，节约投资，能取得很好效果，西门子公司已有成功应用实例。3变频器控制系统绝大多数轧制传动要求调速系统有良好的动、静态性能，需要高性能控制系统（矢量控制或直接转矩控制），另外由于工艺要

31、求的多样性，还要求变频器控制系统除具有双环（速度外环和转矩内环）基础调速功能外，还需有灵活修改系统满足各种工艺控制要求的能力。目前国产变频器大多基于开环V/F控制，只有少量产品有矢量控制，在这些矢量控制产品中实现工艺控制的能力不足。轧制传动对基础调速控制系统的要求为：（1）基础调速控制系统应包括开环V/F控制和高性能控制（矢量控制或直接转矩控制）两类系统，其中高性能系统还应有无编码器和带编码器两种控制方法，几种控制应能通过软件选择。带编码器的系统用于转速精度和跟踪性能要求高（精度取决于数字量的分辨率）、有长期低速运行工况或要求大起动转矩场合；无编码器系统用于转速精度大于0.1转差率、转速和跟踪性能一般、无长期低速工况或起动转矩一般场合。（2）高性能系统应能通过软件设置选择转速转矩双环工作模式或转矩环单环工作模式。单环工作时转矩设定通过改变转速调节器限幅值或专用输入口输入，以满足主、从控制或张力控制等要求。轧制传动的工艺控制要求种类繁多，多在