1、引言 
    中國的鋼產(chǎn)量已連續(xù)多年居世界*，并每年以20%以上的高速度在增長。2004年的鋼產(chǎn)量是2.73億噸，2005年將超過3億噸，占世界鋼產(chǎn)量的1/3。作為制造業(yè)基礎(chǔ)的鋼鐵工業(yè)，現(xiàn)在正在進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)和技術(shù)改造。有資料顯示，50萬噸以上的鋼廠全面盈利，這吸引了眾多民營企業(yè)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，出現(xiàn)了“大煉鋼鐵”的局面。然而中國鋼鐵工業(yè)的問題也非常突出。它的能耗水平高，對環(huán)境的污染嚴(yán)重，能夠生產(chǎn)次鋼材的企業(yè)少，如用于電機(jī)行業(yè)的硅鋼片、汽車用的鋼板每年還需要大量從國外進(jìn)口。
    電力電子的變流器在鋼鐵方面的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面:一個(gè)是大型軋機(jī)傳動(dòng)，由交流調(diào)速取代直流調(diào)速，提高軋鋼能效；另外一方面是環(huán)保節(jié)能的傳動(dòng)，例如鋼鐵工業(yè)中的高爐鼓風(fēng)機(jī)，冶煉除塵風(fēng)機(jī)和水泵等等，現(xiàn)在大多數(shù)還是采用檔板截流的調(diào)節(jié)方式，采用高壓變頻調(diào)速將產(chǎn)生較大的節(jié)能效益，市場前景廣闊。當(dāng)前在軋機(jī)主傳動(dòng)中應(yīng)用的交流調(diào)速技術(shù)主要是交—交變頻調(diào)速，IGCT/IGBT三電平交—直—交變頻調(diào)速。
    大功率軋鋼機(jī)主傳動(dòng)要求電氣傳動(dòng)系統(tǒng)具有很高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和相當(dāng)高的過載能力。這一領(lǐng)域長期以來一直被直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)所壟斷，由于直流電機(jī)存在著換向問題和換向器、電刷等部件維護(hù)工作量較大，使其在提高單機(jī)大容量、提高過載能力、降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及簡化維護(hù)等方面受到了限制，已不能滿足軋鋼機(jī)向大型化、高速化方面的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，該技術(shù)受到國內(nèi)外鋼鐵工業(yè)和電氣傳動(dòng)學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。70年代以后，隨著交流電機(jī)矢量控制理論的產(chǎn)生及其應(yīng)用技術(shù)的推廣，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家都投入大量人力物力對交—交變頻軋鋼機(jī)主傳動(dòng)進(jìn)行研究。到目前，在世界上已有上千臺(tái)交流變頻軋機(jī)主傳動(dòng)投入工業(yè)應(yīng)用，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家新建1000kW以上的軋機(jī)主傳動(dòng)，無論是初軋機(jī)，中板軋機(jī)還是熱、冷連軋機(jī)，無一例外全部采用交流變頻調(diào)速。在大功率軋鋼機(jī)主傳動(dòng)領(lǐng)域已出現(xiàn)交流調(diào)速傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)的趨勢。
    2、交—交變頻器
    1987年湖南湘潭鋼鐵廠從西門子公司引進(jìn)了交—交變頻的軋鋼機(jī)，拉開了我國軋鋼機(jī)采用交流傳動(dòng)的序幕。這套軋鋼機(jī)投入運(yùn)用后，湘潭鋼鐵廠的噸鋼能耗節(jié)約了30%。此后，交流調(diào)速技術(shù)在鋼鐵領(lǐng)域得到了大力推廣。
    2.1 交—交變頻的特點(diǎn)
    交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示，由三組反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成，它沿續(xù)著晶閘管變流器的電網(wǎng)自然換流原理，具有過載能力強(qiáng)、效率高、輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著輸出頻率低(zui高頻率小于1/2電網(wǎng)頻率)，電網(wǎng)功率因數(shù)低，旁頻諧波影響等缺點(diǎn)。交—交變頻區(qū)分為有環(huán)流和無環(huán)流方式，可驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)或異步電機(jī)。

圖1 交—交變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
    2.2 交、直流調(diào)速的比較
    軋鋼機(jī)交流傳動(dòng)較傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)有許多優(yōu)點(diǎn)：
    （1）交流電機(jī)的單機(jī)容量不受限制，而直流電機(jī)的極限是5000kW/500r/min；
    （2）同等功率情況下，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比直流電機(jī)的要小得多，如寶鋼有臺(tái)2×4500kW的直流電機(jī)，它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2=76.8tm2，而9MW交流同步電機(jī)單電機(jī)傳動(dòng)，GD2=17.2tm2，為直流電機(jī)的1/4.5。因此交流電機(jī)的加速性能要大大超過直流電機(jī)；
    （3）交流調(diào)速的動(dòng)態(tài)性能好，速度響應(yīng)由直流的15～30rad/s提高到40～100rad/s；
    （4）交流電機(jī)的效率比直流電機(jī)提高2～3%；采用交流調(diào)速可提高生產(chǎn)效率，綜合節(jié)能30%（耗電/噸鋼）；
    （5）交流調(diào)速體積小、重量輕、占地面積小，維護(hù)簡單。
    采用交流調(diào)速對寶鋼2050熱連軋和武鋼1700熱連軋進(jìn)行改造，用一臺(tái)1萬多kW的電機(jī)來取代原來的3臺(tái)直流電機(jī)，體積減小了2/3?？傮w來說在鋼鐵領(lǐng)域交流調(diào)速取代直流調(diào)速已經(jīng)形成了一個(gè)趨勢。
    2.3 交—交變頻器在熱連軋機(jī)上的應(yīng)用
    圖2是一個(gè)熱連軋鋼機(jī)驅(qū)動(dòng)的典型圖例。

圖2 熱連軋鋼機(jī)驅(qū)動(dòng)典型圖例
    圖2中一共有7臺(tái)電機(jī)，*、二機(jī)架是8500kW的，第三到第七機(jī)架是10000kW的，如附表。熱連軋機(jī)傳動(dòng)的電機(jī)功率大，裝備規(guī)模大，技術(shù)性能要求高。在上只有少數(shù)幾家電氣公司可以承接該項(xiàng)目，我國熱連軋機(jī)等大型機(jī)械傳動(dòng)裝備一直依賴于進(jìn)口。
附表 熱連軋鋼機(jī)的傳動(dòng)配置


    2.4 交—交變頻器的國產(chǎn)化研究
    國家把大型軋機(jī)主傳動(dòng)裝備國產(chǎn)化列入“七五”、“八五”、“九五”國家重大技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。國家要求大功率交流調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)盡快產(chǎn)業(yè)化，以改變大型工業(yè)機(jī)械傳動(dòng)裝備長期依賴于進(jìn)口的局面。原冶金部和機(jī)械部把交—交變頻列為重點(diǎn)科研項(xiàng)目。冶金自動(dòng)化院、天津電氣傳動(dòng)研究所對該技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，同時(shí)，清華大學(xué)、浙江大學(xué)等高校參與了項(xiàng)目的研制和理論分析，哈爾濱電機(jī)廠、東方電機(jī)廠、上海電機(jī)廠等企業(yè)則研制用于交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)的同步電機(jī)。
    1993年*套國產(chǎn)的2500kW交—交變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研制成功，應(yīng)用于包鋼軌梁廠850型鋼軋機(jī)；1996年*套4000kW國產(chǎn)全數(shù)字控制交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)問世，應(yīng)用于重鋼中板軋機(jī)主傳動(dòng)；1999年*套國產(chǎn)雙機(jī)傳動(dòng)交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)研制成功，應(yīng)用于武鋼軋板廠中板軋機(jī)；2000年*套熱連軋機(jī)交—交變頻調(diào)速的在攀枝花鋼鐵公司投入運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)從1996年至2005年，我國大功率交—交變頻軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)共263套，其中國內(nèi)制造171套，占65%。我國大功率交—交變頻的技術(shù)水平與應(yīng)用規(guī)模已超過美國GE、法國Alstom、意大利Ansaldo，達(dá)到*水平；*扭轉(zhuǎn)了大型工業(yè)軋鋼傳動(dòng)裝備長期依賴于進(jìn)口的局面。
    3、交—直—交變頻器
    3.1 交—直—交變頻器的特點(diǎn)
    進(jìn)入80年代以來，打破晶閘管元件一統(tǒng)天下的自關(guān)斷電力半導(dǎo)體器件，大功率晶體管GTR，可關(guān)斷晶閘管GTO以及場控器件絕緣柵雙極晶體管IGBT相繼問世，開始了一個(gè)以自關(guān)斷電力半導(dǎo)體器件為核心的新時(shí)代，與傳統(tǒng)的半可控晶閘管器件相比，采用自關(guān)斷電力半導(dǎo)體器件的電氣傳動(dòng)裝置具有節(jié)約原材料，變換器裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，功率因數(shù)高，諧波污染小等顯著優(yōu)點(diǎn)。
    3.2 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，GTO變頻調(diào)速繼在鐵路牽引機(jī)車上普遍應(yīng)用之后，世界各國開始研制軋機(jī)主傳動(dòng)GTO變頻調(diào)速系統(tǒng)。日本三菱公司研制成功6000V/6000A大功率GTO元件，并將世界zui大功率7000kW，3kV，GTO同步電機(jī)變頻調(diào)速成功地應(yīng)用于我國寶鋼1580mm熱連軋機(jī)和鞍鋼1780mm熱連軋機(jī)。圖3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，同時(shí)電力半導(dǎo)體領(lǐng)域一直對GTO元件看法不一，期待更新型的場控器件來取代它。
    近幾年，高電壓大功率電力半導(dǎo)體器件的研制是世界各國在軋機(jī)傳動(dòng)領(lǐng)域的競爭熱點(diǎn)，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，提高了開關(guān)速度，取消了緩沖吸收電路，大大簡化了變頻器結(jié)構(gòu)并提高了系統(tǒng)效率。ABB，GE，ANSALDO，以及西門子公司已研制成功采用4000A/4500V, 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。

圖3 GTO交—直—交三電平PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路 
    日本東芝公司近期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)用于我國鏈源鋼鐵公司薄板坯連鑄連軋主傳動(dòng)中。
    3.3 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：
    （1）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；
    （4）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；
    （5）交—直—交變頻器PWM調(diào)制將產(chǎn)生諧波、噪聲、軸電流等問題。
    3.4 交—直—交變頻器的國產(chǎn)化研究
    國產(chǎn)的交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)已成功應(yīng)用于低速、大轉(zhuǎn)矩的大型熱軋機(jī)主傳動(dòng)，但對于高轉(zhuǎn)速的冷軋機(jī)交—交變頻器顯然不具優(yōu)勢，冷軋機(jī)應(yīng)采用交—直—交變頻器。因此，大功率交—直—交變頻驅(qū)動(dòng)的冷連軋機(jī)國產(chǎn)化已作為國家“十一五”重大裝備攻關(guān)項(xiàng)目。
    冶金自動(dòng)化院在國家863項(xiàng)目的支持下，研制成功一臺(tái)5000kW的IGCT變流器，完成了驅(qū)動(dòng)3600kW同步電機(jī)的工業(yè)性試驗(yàn)。目前，課題組通過充分分析國外IGCT變流器電路拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)，研制降低電路雜散電感的結(jié)構(gòu)布置，使國產(chǎn)IGCT變流器能力已經(jīng)達(dá)到了10MVA，而且體積大大縮小。
    4、發(fā)展展望
    總體來說，目前鋼鐵行業(yè)、礦山、牽引（包括船舶推進(jìn)）、油氣輸送都急需要大功率的交—直—交變頻的研制。我國軋機(jī)傳動(dòng)交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)能取得長足進(jìn)步，是因?yàn)橐劳辛酥袊嗄攴e累的晶閘管技術(shù)基礎(chǔ)。因此，在交—直—交變頻器國產(chǎn)化研制過程中，如果沒有我國自己的器件作為基礎(chǔ)，不可能形成國產(chǎn)大功率交—直—交變頻器產(chǎn)業(yè)。希望國內(nèi)科研單位加速研制和完善我國自主創(chuàng)新的IGCT器件，協(xié)同國內(nèi)其它相關(guān)單位一起把大功率交—直—交變頻器的國產(chǎn)化工作做好。