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【摘 要 】随着主传动交直交变频调速系统和交交变频调速系统在热轧工程中的运用,其各自的优缺点在实际生产中也逐渐显现出来.本文旨在通过对主传动交直交变频调速系统和交交变频调速系统的介绍,并将两种常见的变频调速系统进行对比研究,促进大家对热轧主传动变频调速系统的进一步了解.
【关 键 词 】热轧；主传动；交直交变频调速系统
引言
热轧主传动装置作为热轧生产线的关键设备,对工程的投资和电气设备装备水平高低起决定作用,本文通过对交直交变频调速系统和交交变频调速系统的比较,来增进大家对热轧主传动变频调速系统的认识,以期对采用交直交变频调速系统还是交交变频调速系统的决策提供参考.
1.热轧主传动装置类型
19世纪80年代以来,随着交流调速技术的发展以及矢量控制技术的采用,变频器供电的轧机交流主传动以其单台容量不受限制,转动惯量低,节能效果显著,维护简单,控制性能好等优点,完全取代了传统的由晶闸管整流器供电的直流主传动.
目前热轧主传动变频调速装置主要有两类,即交交变频装置和交直交变频装置.目前主传动交交变频装置已经实现了国产化,但主传动交直交变频装置仍需要整体引进.
生产主传动交交变频装置的国内外公司有SIEMENS公司、ABB公司、ASIRobincon公司、金自天正、赛迪电气等；生产交直交变频装置的主要是TMEIC公司、ABB公司以及ASIRobincon公司等.近几年来,SIEMENS公司也推出交直交变频装置.
2.交交变频装置的技术特点
交交变频调速系统具有下列优点：
（1）由于电能只通过一套晶闸管直接进行交交传送,所以传动装置效率比较高.
（2）交交变频调速在低频时输出谐波很低,输出波形好,力矩脉动很小.
（3）交交变频采用普通晶闸管作为整流元件,其变频调速装置价格较IEGT或IGCT要低的多.
交交变频调速系统的主要缺点如下：
（1）电源输入侧的功率因数较低,在额定状态下功率因数约为0.8,而且随着转速下降,功率因数更低,平均功率因数低于0.6.
（2）交交变频调速系统电源侧的谐波大,频带较宽,且谐波分量的频率和谐波量随着转速的变化而变化,使抑制谐波比较困难.
（3）热连轧机主传动采用交交变频调速系统时,需要价格昂贵的动态无功补偿及滤波装置（SVC）,这使系统整体效率（包括整流变压器、整流装置、电机、SVC）下降,投资增加.
（4）装置输出最大频率小于20Hz.
3.交直交变频装置的技术特点
交直交变频调速系统与交交变频调速系统相比,具有下列优点：
（1）调速性能优异,不仅在高速时具有优异的调速性能（交交变频在高速时调速性能较差）,而且由于采用近几年发展起来的“三电平”PWM技术,使其低速时的调速性能也相当优异,达到了交交变频系统相当的水平.
（2）采用“有功前端”整流技术,可使系统在整个调速范围内具有优越的功率因数特性,功率因数可接近1,因此,不再需要价格昂贵且性能不稳定的动态无功补偿装置（SVC）.
（3）传动系统整体效率（包括整流变压器、整流装置、电机）较高,综合占地面积也较少.
交直交变频调速系统的主要缺点是：
（1）损耗较大,使传动装置本身的效率较交交变频调速装置低.需要采用水冷.
（2）功率元件的电荷存储时间差异过大,使功率在串联和并联应用时,需要有复杂的缓冲电路,这种电路几乎占最终设备体积的一半以上.
（3）装置本身成本较高.
4.主传动装置的国产化情况
交交变频调速技术在我国70年代中期就开始自主研发,并有部分研发装置用于冶金系统,但由于种种原因始终未形成自己的产品.我国在80年代初首次引进了交交变频装置并用于热轧主传动上,至90年代大量引进变频调速装置,至此国内开始了大功率交流变频调速技术的研制工作.
以金自天正公司（原冶金部自动化研究院）和天津传动研究所为首开始研究交交变频装置的国产化.由于我国普通晶闸管制造技术很成熟,交交变频装置国产化成为可能.因此由晶闸管组成的功率单元国产化,全数字的控制单元采用引进,并在两者相关联的触发回路上做了大量的研究,使国产的功率单元和引进的控制单元很好地组合在一起.这种国产化的交交变频装置于1994年首先在中板厂得到应用,2001年用于攀钢1450mm热轧主传动的改造上,效果不错.
由可关断的大功率管组成的交直交变频装置目前还没有国产化能力.
5.选用交直交变频装置或交交变频装置需考虑的因素
从目前国内热轧厂主传动变频装置的使用情况可以看出,交直交和交交变频装置在热轧厂均有应用,选用哪种变频装置,需要根据工程具体情况确定.以下是选用交直交变频装置或交交变频装置需考虑的一些因素.
（1）价格因素
由于交交变频装置的功率单元采用的是普通晶闸管,而交直交变频装置采用大功率可关断的晶体管或晶闸管（IEGT或IGCT）,单这一点而言,交交变频装置的价格比交直交变频装置便宜很多,但交交变频装置应用于轧机主传动上必需设置价格昂贵的SVC装置,而交直交变频装置不需要SVC装置.
随着交直交变频装置的日趋成熟,其价格也逐渐趋于下降,交交变频方案的价格优势已逐渐减弱.但总体而言,采用国产的交交变频装置配置国产的SVC装置其价格仍比引进的交直交变频装置便宜.
（2）SVC装置
SVC装置的技术含量很高,过去主要以引进ABB和SIEMENSD的SVC装置,目前均采用国产SVC装置.对热轧厂而言, SVC增加了现场的维护工作量,也增加了该部分的备品备件. （3）总图布置
一个热轧厂的SVC装置（采用交交变频方案）约需800m2的地方.总图布置时必须考虑SVC的空间.
（4）变频器的控制单元
国产化的主传动控制系统是从SIEMENS公司整柜引进的SIMADYN-D全数字矢量控制交交变频控制系统.该产品早在90年代初推出,90年代中期得到大量应用,到90年代末SIEMENS公司推出了新一代产品TDC取代了SIMADYN-D.特别是近几年来,SIEMENS公司推出S150系列交直交变频装置后,SIEMENS公司已不用SIMADYN-D,因此可预见SIMADYN-D控制单元的备件购买会越来越困难,且价格会越来越贵.
（5）主传动变频装置发展趋势
大容量的交交变频调速系统和交直交变频调速系统一直是传动装置两大流派.
80年代初SIEMENS公司首先推出矢量控制型交交变频系统,并在宝钢的2050mm热轧上应用.
80年代中期由于可关断的大功率管GTO的问世,日本三菱电机推出了矢量控制GTO交直交型变频系统,在宝钢的1580mm和鞍钢1780mm热轧上应用.
90年代初ABB公司研制了可关断的大功率管IGCT,美国GE公司以及ASIRobincon公司等推出了矢量控制IGCT交直交型变频系统.
90年代末ABB公司在控制系统上有新的突破,推出了直接转矩控制IGCT交直交型变频系统.
随着大功率管的研发,日本三菱的GTO、ABB的IGCT、东芝的IEGT、三菱的GCT等产品不断推出,单管功率越做越大,损耗越来越小,使得交直交型变频系统应用越来越广泛,并有很大的发展空间.
交直交变频调速系统已成为热轧主传动调速系统的发展方向,在热轧主传动中TMEIC公司、ABB公司以及ASIRobincon公司均主推交直交变频调速系统.特别是近几年来,原主推交交变频传动的SIEMENS公司也开始主推S150交直交变频装置.
6.结束语
不管是从技术角度还是实际使用情况来看,交交变频装置和交直交变频装置均能满足热轧生产线的性能技术要求,主传动选用哪种变频调速装置,需要根据工程的具体情况确定.
如果从节约投资角度考虑,可采用交交变频装置.通常主传动交交变频系统（包括整流变压器、励磁变压器、国产交交变频装置和国产SVC）比交直交变频系统（包括整流变压器、励磁变压器、交直交变频装置）节约投资约30%左右.
如果从技术发展、备品备件以及维护等角度考虑,可采用交直交变频装置.