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常規(guī)熱連軋主傳動(dòng)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)
時(shí)間:2009-03-30 16:55:29來源:xuzh
圖3 交直交變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[/align]
3.2.2 交直交變頻器在軋鋼傳動(dòng)中應(yīng)用
在大功率高電壓變頻調(diào)速領(lǐng)域,GTO元件曾占主要地位。20世紀(jì)90年代,日本三菱公司率先研制成功6000V/6000A大功率GTO元件,并將世界最大功率7000kW,3kV,GTO同步電機(jī)變頻調(diào)速成功地應(yīng)用于我國(guó)寶鋼1580mm熱連軋機(jī)、鞍鋼1780mm熱連軋機(jī)及上海不銹鋼熱連軋機(jī)。圖4為GTO交直交多電平PWM變頻調(diào)速系統(tǒng),該系統(tǒng)為電壓型變頻器,電源測(cè)變流器亦采用GTO脈寬調(diào)制技術(shù),控制輸入電流的相角可以達(dá)到功率因數(shù)始終為1,并減少輸入電流的諧波。該變頻器采用三電平GTO元件串聯(lián)控制技術(shù),使變頻器輸入和輸出電壓可達(dá)到3300V。與采用晶閘管元件的交交變頻調(diào)速系統(tǒng)相比,GTO變頻器具有輸出頻率不受限,電網(wǎng)諧波污染小,功率因數(shù)高等顯著優(yōu)點(diǎn),但也存在著GTO元件開關(guān)損耗較大,效率低,需要水冷卻,維護(hù)困難等問題。
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圖4 GTO交直交三電平PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路[/align]
由于GTO元件的上述缺點(diǎn),世界各國(guó)開始競(jìng)相研究新的高電壓大功率電力半導(dǎo)體器件。由瑞士ABB公司研制成功的門極可關(guān)斷晶閘管IGCT,是在GTO元件基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新的一種新型大功率電力半導(dǎo)體器件。它在器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減少了控制門極回路電感,將驅(qū)動(dòng)電路集成到器件旁,使IGCT的開關(guān)損耗較GTO減少一個(gè)數(shù)量級(jí),提高了開關(guān)速度,取消了緩沖吸收電路,大大簡(jiǎn)化了變頻器結(jié)構(gòu)并提高了系統(tǒng)效率。ABB,GE,以及西門子公司已研制成功采用IGCT元件的大功率三電平PWM變頻器用于軋機(jī)主傳動(dòng)。我國(guó)本溪鋼鐵公司1700軋機(jī)改造采用了GE公司的IGCT三電平變頻器,電機(jī)功率7MW/6kV。IGCT已成為GTO的換代器件。
日本東芝公司研制成功高電壓大功率的IEGT元件,即電子促進(jìn)絕緣柵雙極晶體管,4000A/4500V。IEGT是IGBT的一種形式,具有IGBT元件電壓驅(qū)動(dòng), 開關(guān)速度快,可自保護(hù)等優(yōu)點(diǎn),東芝公司已將采用IEGT元件的7MW/3kV大功率三電平變頻器應(yīng)用于我國(guó)鏈源鋼鐵公司薄板坯連鑄連軋主傳動(dòng)中。
3.2.3 交直交變頻器存在的問題
盡管交直交變頻器具有輸出頻率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),但交直交變頻器仍存在許多待改進(jìn)的問題:
?。?)當(dāng)前大功率高電壓電力電子器件處在發(fā)展期,GTO元件面臨淘汰,IGBT,IGCT尚待成熟。
(2)采用IGCT(或者GTO)、IECT的變流器,器件故障造成直通短路的保護(hù)還是難題;電源側(cè)變流器如果發(fā)生直通短路會(huì)造成電網(wǎng)短路,所以變流器必須采用高漏抗輸入變壓器,一般要求15%,甚至高達(dá)20%。
(3)交直交變頻器低頻運(yùn)行時(shí)過載能力減低,一般運(yùn)行在5Hz以下時(shí)變頻器過載能力減半。
?。?)交直交變頻器輸出PWM調(diào)制電壓波形的電壓變化率du/dt很高,容易造成電機(jī)和電器的絕緣疲勞損傷;輸出導(dǎo)線較長(zhǎng)時(shí),共模反射電壓會(huì)在電機(jī)側(cè)產(chǎn)生很高的電壓,如果是兩電平的變流器,這個(gè)電壓的峰值是直流電壓的兩倍,如果是三電平的變流器,這個(gè)電壓的峰值是中間一半電壓的三倍。
?。?)交直交變頻器PWM調(diào)制將產(chǎn)生諧波、噪聲、軸電流等問題。
4、兩種交流變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)比
4.1.采用電力電子器件區(qū)別:
交交變頻:采用器件為晶閘管,是一種非常成熟的電力電子器件。
交直交變頻:采用器件為IGBT、GTO、IGCT、IEGT等,為新型可關(guān)斷器件,這些器件尚在不斷改型與更新,使用經(jīng)驗(yàn)不足,呈過渡性。
4.2.控制方式區(qū)別:
交交變頻:采用全數(shù)字矢量控制方式。
交直交變頻:采用脈沖調(diào)寬(PWM)全數(shù)字矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制方式。
4.3.過載能力:
交交變頻:較大,能承受250%過載。特別是在低速時(shí),具有并超過直流電機(jī)特性。
交直交變頻:較小,通常為136%。要提高過載能力必須加大裝置容量以滿足最大出力。低速時(shí)(頻率低于5赫茲)過載能力下降,一般要降低50%。
4.4.速度范圍:
交交變頻:一般最高使用頻率為22Hz,高于22Hz系統(tǒng)特性變差, 適用于中、低速傳動(dòng)。因此用于軋機(jī)時(shí),電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為660r/min。
交直交變頻:適用于中、高速,最低使用頻率為5Hz,頻率過低時(shí)力矩脈動(dòng)加大,出力降低。最高頻率可達(dá)到100Hz,電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6000r/min。
4.5.整流變壓器容量:
交交變頻調(diào)速裝置按變頻電壓峰值選擇整流變壓器,其容量約為電動(dòng)機(jī)容量1.8~2倍;交直交變頻調(diào)速裝置選擇整流變壓器容量為電動(dòng)機(jī)容量1.3~1.4倍。交交變頻比交直交變頻的變壓器容量大,變壓器鐵損大即空載損耗大。
4.6. 所用電纜:交交變頻器輸出電壓低,工作電流大,電纜尺寸相應(yīng)大;交直交變頻器輸出電壓高,電纜耐壓等級(jí)需要提高。
4.7. 電機(jī):交交傳動(dòng)配套的低速同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,總重量大,投資較高。
4.8. 冷卻方式:
交交變頻:SCR元件正向壓降小,僅為1.2-1.5V左右,由于元件損耗小,冷卻方式可采用風(fēng)冷。
交直交變頻:換流元件正向壓降大,通常為3.5-4V左右,由于元件正向壓降與開關(guān)損耗大,通常無法采用風(fēng)冷,必須采用水冷,因此必須附帶水冷裝置并使用大量二次循環(huán)冷卻水。一次性投資建設(shè)費(fèi)用較高,但冷卻效果優(yōu)良。
4.9.功率因數(shù):
交交變頻電機(jī)側(cè)功率因數(shù)為1;但電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)較低,通常為0.7以下,必須要無功補(bǔ)償。需要配套SVC 無功補(bǔ)償裝置提高功率因數(shù)。交直交變頻由于中間電容的作用,電機(jī)側(cè)與電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)均為1,無需無功補(bǔ)償。
4.10.諧波:
交交變頻:電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生諧波較高,采用6脈波時(shí)通常諧波含量為8%左右,需要濾波裝置。
交直交變頻:電網(wǎng)側(cè)諧波較低,通常諧波含量為4.5%左右,軋機(jī)有功沖擊較大或電網(wǎng)短路容量較小時(shí),也需要濾波裝置。
4.11.配套機(jī)械:
交直交變頻器輸出頻率高,電機(jī)轉(zhuǎn)速高,為滿足軋鋼工藝要求需要配套減速機(jī)及水冷系統(tǒng),增加了機(jī)械設(shè)備投資和建設(shè)安裝費(fèi)用;減速機(jī)體積大,影響工藝布置。
4.12. 變頻器:
交交變頻器主要功率設(shè)備實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化,國(guó)內(nèi)制造商已經(jīng)具有成功供貨和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),價(jià)格較低;大功率交直交變頻器在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)完全依靠進(jìn)口,設(shè)備價(jià)格昂貴,維護(hù)費(fèi)用較高。
4.13. 能耗:交交變頻器的風(fēng)機(jī)和空調(diào)冷卻以及SVC 的能耗較高于交直交變頻器。
綜上所述,我們可以看出:
1. 交交和交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)都是先進(jìn)的、性能良好的調(diào)速方式,它們各有特點(diǎn)。都能滿足大型熱帶軋機(jī)主傳動(dòng)的技術(shù)性能要求。
2. 交交變頻技術(shù),過載能力大,效率高,簡(jiǎn)單可靠,可以完全國(guó)產(chǎn)化是其顯著優(yōu)點(diǎn)。而交交變頻頻率低、速度低、功率因數(shù)低,需無功補(bǔ)償?shù)仁侵饕秉c(diǎn)。它適用于大功率中、低速且過載能力大的軋機(jī)驅(qū)動(dòng),如:大型熱帶軋機(jī)、中厚板軋機(jī)和型鋼軋機(jī)。
3. 交直交變頻頻率高、速度高、功率因數(shù)高,不需無功補(bǔ)償過載是其主要優(yōu)點(diǎn),而其效率較低、過載能力差,使用經(jīng)驗(yàn)不足,不能國(guó)產(chǎn)化,備件和技術(shù)服務(wù)問題大是其顯著缺點(diǎn)。適用于大功率中、高速的風(fēng)機(jī)、水泵及過載能力較小的軋機(jī)驅(qū)動(dòng),如:高速冷軋機(jī)、無縫鋼管軋機(jī)。
5、 結(jié)束語(yǔ)
從國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)和正在建設(shè)的大型熱帶軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)來看 , 交交變頻調(diào)速系統(tǒng)無論技術(shù)還是數(shù)量上仍是主流。分析主要原因是:投資省、效率高, 過載能力強(qiáng),可以完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。我國(guó)軋機(jī)傳動(dòng)交交變頻調(diào)速系統(tǒng)能取得長(zhǎng)足進(jìn)步,是因?yàn)橐劳辛酥袊?guó)多年積累的晶閘管技術(shù)基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)交交變頻調(diào)速技術(shù)上十分成熟, 已成功地解決了主傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)很多關(guān)鍵技術(shù),如:軋機(jī)傳動(dòng)的高精度和高動(dòng)態(tài)響應(yīng);大功率交交變頻器;交交變頻同步電機(jī)設(shè)計(jì)與制造;交交變頻對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無功、諧波計(jì)算與諧波治理;軋機(jī)的扭振計(jì)算與抑制等。但交交系統(tǒng)產(chǎn)生大量諧波對(duì)電網(wǎng)造成一定程度的污染,為此在電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的線路上要額外增加濾波及無功補(bǔ)償裝置,這項(xiàng)缺陷目前還不能完全克服。
目前傳動(dòng)領(lǐng)域需要大功率的交直交變頻的國(guó)產(chǎn)化研制。交直交變頻技術(shù)和設(shè)備以其優(yōu)良的控制性能,較高的功率因數(shù),良好的節(jié)電效果正逐步得到推廣。隨著高電壓大功率的電力半導(dǎo)體器件GTO、IGCT、IEGT等功率元件性能提高,設(shè)備尺寸隨之縮小,以及交交變頻裝置的輸出頻率低(最高頻率小于1/2電網(wǎng)頻率)、電網(wǎng)功率因素低、旁頻諧波影響、需要SVC及占地大等因素的影響,新世紀(jì)的熱軋帶鋼生產(chǎn)線主傳動(dòng)變頻裝置正由三電平電壓型交直交PWM矢量控制變頻裝置或直接轉(zhuǎn)矩控制變頻裝置所取代。
參考文獻(xiàn)
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