交直交变频大功率变频技术在冶金轧机上的应用

交直交变频大功率变频技术在冶金轧机上的应用

周琦越 刘子健

罗克韦尔自动化控制集成（哈尔滨）有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150000

摘要：交流变频调速技术近几年来发展迅速。该系统调速范围广、精度高、容量大、体积小。与交流电动机矢量控制技术的应用,世界上主要工业国家的高功率传输系统几乎所有的首选是交流变频调速系统,特别是在工业领域的冶金工厂,早已出现交流变频调速系统代替直流调速系统的趋势。

关键词：交直交；IGCT；大功率变频器；冶金轧机；

冶金轧机广泛应用于各大钢铁及有色金属行业，轧制的工艺方法具有生产效率高、品种型式多且质量优、生产过程连续性强、易于实现自动化控制等特点。轧机主传动电机负载变化快、启动和制动模式切换频繁、在较大速度范围内保持恒转矩输出且转矩阶跃大，而大功率交直交中压变频调速技术凭借其控制精度高、响应速度快、过载倍数大、调速范围宽等特点，非常适合应用于冶金轧机主传动领域。

一、冶金轧机交直交大功率轧机主电机技术特点

在冶金轧机工业领域，按照工艺可以划分为以下几类：中厚板、热粗轧机、热精轧机、单机架冷轧机和多机架冷连轧机。中厚板和热粗轧机的速度低、功率大、轧制方向可逆，要求具备低速大转矩及高倍过载能力。电机功率通常为5~12 MW，转速在50 r/min左右，过载倍数为2.25~2.5。对速度控制精度和动态响应速度要求相对较低。冷轧机的情况则相反，其主电机功率相对较小，一般在2~6 MW之间，但最高转速则需达到1000 r/min左右，所以对变频器性能要求非常高，速度精度需达到0.01%，动态响应速度也需达到60 rad/s。相对于粗轧机和冷轧机，热精轧机的性能要求比较居中。其电机功率一般在5~10 MW，转速在600 r/min以内，轧制方向不可逆，过载倍数在1.5倍左右。对变频器要求相对较高，需要具有0.1%的速度精度和高于30 rad/s的动态响应速度。

二、变频器技术特点

高性能大功率电气传动是一项系统工程，涉及到电力电子、微电子、控制及网络技术等多学科。冶金轧机主传动具有单机容量大（5~14 MVA）、过载倍数高（2~3倍）、转矩动态响应快（≤5 ms）等特点，属于电气传动领域的高端应用。研发基于IGCT的高性能大功率变流装置并进行冶金轧机主传动上的工程应用，需要解决如下技术难题：

1.大容量、高过载。全面、综合地考虑机、电、场、热等各方面因素，设计最优换流回路，确保低杂散电感，最大限度利用IGCT通流能力，提高功率密度，满足冶金工况对变频器大容量、高过载需求。相模块作为大功率变频器的核心部件，其设计难度高，首先要求模块在器件换流回路的杂散参数非常低，这样才能实现器件关断大电流的能力；其次IGCT为压装型器件，对器件压装力的控制以及压装匀度的要求都非常高，否则，器件将无法长期正常工作；最后模块要实现大功率，对模块散热能力要求高，不仅要求器件在运行时损耗最低，同时要对模块的散热进行精细优化设计。

2.IGCT短路检测及保护。IGCT是一种电流型器件，器件自身没有过流保护能力。如果关断电流超过IGCT关断能力，则必然导致器件失效。在系统中，IGCT器件是否失效通常由开关命令信号CS和器件反馈信号SF来判断，而SF信号在某些特定工况下可能存在反应变化慢的情况，使失效器件不能被及时检测。IGCT及其配套二极管均为压装型器件，在失效时都表现为短路；而二极管为不控器件，其发生失效时系统无法获知。在三电平拓扑中，如果故障定位不及时准确或者故障保护策略不正确，则会使故障进一步扩大，致使更多器件失效，甚至发展为半桥短路故障。一旦发生半桥短路却而未能及时保护，则会使系统非故障半桥直流电压提升至全桥电压，这将给系统带来灾难性后果，所以需研究桥臂短路故障快速检测和保护方法以确保器件和装置安全。

3.高速、多任务控制平台的搭建。大功率中压传动控制系统集兆瓦级电机控制、网侧PWM整流控制、器件保护、水冷单元监控及外部逻辑保护功能于一体，既要保证冶金工况下的高精度、快速转矩控制要求，又要最大限度发挥系统的鲁棒性特点，保证系统的可用性，因此对控制系统的容错能力、故障诊断、可靠性、实时性、可扩展都提出极高要求。需开发基于高速总线技术和高速处理器为核心的软硬件平台，满足轧机主传动快速高精度及分布式多任务控制的需求。为了解决传动系统这一平台性难题，目前国外公司采用的方案通常有两种：第一种是采用分布式控制平台，其故障点多，串行式通信的实时响应能力没有并行背板总线效率高，并且其故障诊断采用被动响应方式，其架构很难满足协同实时性要求；第二种是采用集中式控制平台，故障诊断策略繁杂，其扩展能力不足，不能满足不同客户对于产品的个性化、多样化应用需求。

4.大功率冲击负荷下的传动鲁棒性和速度跟随性。在冶金轧机主传动中，电机负载变化频繁、电机参数变化范围大；而传统的速度闭环控制一般采用PI调节器，当负载转矩突然变化时，由于PI调节器存在滞后效应，控制系统不能及时响应负载变化，会造成转速的较大跌落，恢复时间较长，进而造成动态速降大，很难满足工艺需求，因此需解决大功率冲击负荷下的传动鲁棒性和速度跟随性。

5.谐波污染等电能质量问题。大功率半导体器件(如IGCT,IEGT等)开关频率普遍较低,而在低开关频率条件下如何降低网侧谐波水平、减小谐波对变压器的危害及电网的污染为系统设计需要关注的重要问题。另一方面，由于超大容量的需求，通常采用公共直流母线技术，对于网侧而言，多个网侧变频器模块可连接多个独立变压器的绕组，采用此种主电路结构及控制方式有以下两个缺点：一是由于大功率器件低开关频率的原因,变压器二次侧电流谐波含量较高、电流峰值脉动较大，容易引起过流保护；二是大功率交流传动系统网侧变频器一般不会单独配置电抗器，故传统设计方案需选取较大的变压器短路阻抗以等效外部电感，会增加变压器的体积和成本。再者，受控制系统采样偏差、器件延时特性及管压降等因素影响，网侧变频器输出PWM电压中存在直流分量，若长期累积，将使变压器铁心进入饱和，使得变频器输入电流畸变，容易引起过流保护。因此需设计最优网侧系统，在变压器短路阻抗小、器件开关频率低的情况下，减小变频器输入电流峰值脉动，确保变频器容量充分发挥。

6.系统工程化实时测试。轧机主传动控制系统是整个金属材料轧制生产线的关键核心装备，对稳定性和系统安全有极高要求，参数调整和性能测试过程难度很大，尤其是大功率高性能轧机用大型交流电机的工程化实时测试技术是长期难以解决的问题。

三、轧机主传动类型的应用

随着中压变频传动系统技术日益成熟，对变频器各个不同功能的单元柜，已经做到标准化和模块化。系统结构设计时，可以根据客户不同的工艺需求，自由选择功能单元柜进行搭配。传动基本可以分为单传动、多传动及冗余传动3种类型。在冶金及有色金属轧机工业领域，传动方案一般多选择单传动和多传动，如单机架冷轧机就选择典型的多传动方案。其变频器输入和输出由1个整流单元和3个逆变单元构成，3个逆变单元分别控制轧机主电机、开卷机和卷取机，柜间采用共直流母线的方式。如果被控电机功率较大，一个整流单元无法满足需求，也可以采用双整流单元并联的结构。

总之，随着大功率交直交变频器的国产化进程推进，交直交传动系统的价格已经逐步向交交传动系统靠拢，同样的价格、更好的控制性能使得交直交传动将越来越具有优势。

参考文献：

［1］刘航.浅谈交直交变频大功率变频技术在冶金轧机上的应用.2019.

［2］张山.交流变频调速技术在轧机主传动装置中的应用.2018.