冶金轧机主传动交流调速系统的发展及应用

张勇军，何安瑞

（北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083）

现代冶金轧机主传动对电气传动系统设备在过载能力、装机容量、动态响应上提出了更高要求。国内外电气传动学术界和大型跨国电气公司也十分重视和关注以大功率、高性能为特点的轧机传动控制领域。由于直流电机转动惯量、单机最大容量以及后期维护等方面的缺陷，使长期以来具有优良转矩控制精度的直流电机传动系统的垄断地位有所改变，并限制了其进一步的发展和应用。交流电机具有结构坚固简单、能量转换效率高、单机容量大、维护工作量小等显著优点，有效克服了直流电机固有的缺陷。随着现代控制理论、电力电子及微电子技术的迅速发展，特别是交流电机矢量控制（Vector Control）理论的发展已日渐成熟，交流变频调速技术及其系统装置也得到了迅速推广。在近几年新开工建设的大型轧钢厂，交流变频调速系统已经成为主要的传动设备，这些采用新技术的交流电机调速控制系统具有优良的动静态性能，完全可与直流调速系统相媲美［1］。

1 交交变频调速传动系统

由直流调速技术演变而来的交交变频调速系统，主回路的功率元件采用相位控制晶闸管。对六相变频方式，交流电机定子主回路由三组反并联可逆桥式变流器供电；对十二相变频方式，定子主回路由六组并联可逆整流桥供电。图1为应用最为广泛的无环流交交变频系统的六相主回路原理示意图。

交交变频系统输出到电动机的电压由电网电压的若干部分组成，由移相角来平衡输出三相电压的频率和幅值，其最大特点是只能工作在电网基准频率以下，一般最高频率小于1/2电网频率，存在电网功率因数不高、调速范围受到限制、受旁频谐波影响等缺点。为此，在轧机大容量系统应用时需配备相应的谐波滤波装置和动态无功补偿装置。交交变频系统也有其自身的优势，如传动效率较高、过载能力强等优点，同时也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，使电能仅通过晶闸管相控桥的直接一次变换为交流电机供电［2］。相比同等容量的采用全关断器件的交直交变频系统，其一次性投资成本上有一定优势。

此外，采用可控环流的交交变频系统可有效减少无环流交交变频系统输出变频有限、电网谐波污染严重，功率因数偏低带来的影响，其控制原理基本与无环流交交变频调速系统相类似，区别在于各相的正、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。这种方式除减少无功补偿规模，有效控制电网侧无功分量的优势外，可控环流交交变频系统还能大幅提高输出电压的频率，最高可达电网频率的80%，而且不存在用于晶闸管正反桥切换的死区时间（2～3 ms），输出力矩更平稳。除上述优点外，可控环流交交变频系统也存在一定的缺点，由于环流电流的存在，整流变压器容量较之无环流系统需要提高约50%，传动系统效率明显下降，系统接线繁杂，设备投资价格高于无环流变频系统［3］。

20世纪80年代初，标志着大容量交流调速系统登上了高性能调速系统台阶的交交变频同步电机传动系统，分别由日本富士电机公司和德国西门子公司研制成功，并成功应用于轧钢厂的大型初轧开坯机上。德国于20世纪80年代末，将交交变频同步电机传动系统首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。迄今为止，全球已有近500套轧机传动系统采用了交交变频调速，在我国钢铁企业中也有广泛的应用，在各大钢铁企业的轧钢厂，交交变频系统依然发挥着重要作用。

2 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系统（LCI）是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，由电源侧整流器控制输出电压、电机侧逆变器控制输出电流。LCI系统主要由整流变压器、电机侧负载换流晶闸管逆变器、电源侧自然换流晶闸管整流器、直流耦合电抗器等部分组成。负载换流变频系统主回路示意图见图2。

LCI系统属于电流型交直交变频方式，易于实现四象限运行，可满足高输出频率的要求，但其电流输出波形为梯形波，输出电流谐波较大，因此大型LCI调速系统通常采用12相供电方式以减小谐波影响。而且由于该系统采用电流断续换流方式，在小于10%额定转速的低速范围内力矩脉动明显增大，通常LCI系统的调速范围限制在1∶10以内。受到输出力矩脉动和调速范围的制约，通常LCI系统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传动系统中。

3 三电平电压型PWM变频传动系统

交直交电压型PWM变频调速技术得益于高电压、大电流的绝缘栅双极晶体管IGBT、电子注入增强栅晶体管IEGT、集成门极换向晶闸管IGCT等可关断电力电子器件的持续发展，系统装机功率得到迅速增大。采用自关断电力半导体器件的电压型交直交电气传动装置具有结构简单、重量轻、体积小、功率因数高、谐波污染小等一系列显著优点。为进一步提高功率等级和改善谐波问题，轧制主传动系统中广泛采用的是具有三电平拓扑结构和SVPWM技术的中压交直交变频技术，其控制性能及系统装机容量能够更好地满足高性能轧机传动的需求，目前已成为在带钢热连轧机、中厚板轧机、单机架冷轧机、冷连轧机等高性能大功率轧机传动系统中广泛应用的技术。

为减少道岔故障对有轨电车运营带来的影响，一般宜在 3 个方向设置单渡线供道岔发生故障后临时折返。双Y道岔在各种故障情况下临时运行情况如图 4 所示。

用于轧机驱动的三电平PWM变频系统一般在电机侧和电网侧均采用相同的三电平结构，前者负责完成系统的电动机驱动功能，后者负责系统的电网侧功率变换。逆变侧的三电平PWM控制能够大大降低输出到电动机的电压dV／dt幅值，使输出电压更接近于正弦波，负载脉动减小，传动系统的性能指标得到有效提高。电网侧的三电平PWM整流控制可使系统能量双向完全流动，在整个调速范围内网侧均可保持在单位功率因数，且电流谐波总量THD不高于4%，不需要配置谐波滤波装置及动态无功补偿设备即可实现系统的低谐波污染、高功率因数运行。

图3所示为采用IGBT元件的中点箝位式（Neutral Point Clamped，简称NPC）结构三电平PWM变频系统主回路原理图，同样也可以采用IEGT、IGCT等其它元件，主要在相应的保护回路及触发系统有所区别。

3.1 IGBT三电平PWM变频系统

IGBT元件属于场控器件，具有双极型晶体管的高电压、大电流处理能力和功率MOSFET的快速开关性能（10～30kHz），可以很容易的与反并联二极管集成，关断均匀，易驱动，无需缓冲电路，总体性能较好，适合应用于高频开关场合。之前受限于元件容量，应用范围主要集中在低压中小容量的变频系统中。近年来在容量上得到了很大的突破，德国已研制出1000A/6500V的IGBT器件，同时也出现了采用新型IGBT器件构成三电平PWM变频装置的轧机主传动系统，该变频装置在体积、噪音、灵活性上已有了一定的改进。我国宝钢1550mm冷连轧及邯钢冷轧带钢生产线都是采用IGBT元件构成的三电平变频系统驱动主传动电机。目前，采用IGBT元件的交直交调速主传动系统已基本占领了中小功率轧机传动市场。

3.2 IGCT三电平PWM变频系统

门极可关断晶闸管IGCT是在GTO（门极可关断晶闸管）基础上研制而出的一种大功率电力半导体器件，它结合了GTO和IGBT的优点，如开通损耗低，可靠性强，电压电流容量大，开关频率高等。该器件将门极驱动电路集成到门极换流晶闸管（GCT）旁，并在结构设计中减少了控制门极回路电感，使IGCT的开关损耗得到进一步减少。在简化变频装置结构方面，取消了缓冲吸收电路，提升了系统效率。IGCT控制回路相对简单，功率部分易于模块化，无论从系统经济性、可维护性和可靠性上都有较大的提高。目前4000A/4500V的单管IGCT器件已经投入产品化应用，采用IGCT的大功率三电平PWM变频装置在大功率轧机主传动方面得到了广泛的应用。

3.3 IEGT三电平PWM变频系统

电子注入式增强门极晶体管IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）是由东芝公司于1993年研发而出，与IGBT类似，IEGT属于电压型触发器件，触发功率低（功率小于1W），具有门极驱动简单、通态压降低等等诸多优点。此外，IEGT也具有较快的开通/关断速度，并在高开关频率下仍能保持较低的开关损耗，元件本身拥有较宽的安全工作区，对吸收和缓冲回路要求不高，能够承受较高的dV/dt和dI/dt，可在较大程度上提升系统的可靠性。我国众多冷热轧生产线的主传动电气控制装置目前都采用了由IEGT器件构成的三电平PWM变频系统。

4 交流变频调速典型系统

大功率化和全交流化日益成为冶金企业大型轧机驱动系统装备的发展趋势，国内外新建轧机主电机功率在3MW以上的几乎全部采用大功率交流变频系统驱动。这其中，交交变频系统以其优秀的性价比，占有了一定的市场。凭借综合性能上的优势，以及无需无功补偿设备投资和场地占用而带来的好处，各个大型跨国公司开发研制的交直交中压三电平变频系统也越来越成为主流和优选方案，尤其是随着国产装备的逐步成熟，大功率交直交中压电气传动系统的优势将更加凸显。

4.1 SL150交交变频系统

由西门子公司推出的交交变频调速系统SINAMICS SL150是上一代SIMADYN-D系统的升级替代产品［4］，其额定功率最高可达36 MW，适用于高转矩同步或感应电机控制，具有高能效和高可靠性等特点。

该系统由功率回路及控制装置组成。功率回路由励磁回路（对电励磁同步电机）和定子回路两部分组成，励磁回路向主电机的转子供电，定子回路向定子供电。根据矢量控制原理完成主电机精确的转矩和转速控制，进而在轧机上实现工艺调速功能。控制装置由处理器、PSA模板、远程ET200、核心单元I/O模板、以及OP面板等设备组成。其中，处理器部分由Sinamics CU320模板、及Simotion D445（或D455）模板组成；PSA为功率匹配模块，主要用于连接功率回路和控制装置，二者之间采用DP通讯模式。CU320的功能是实现三相交流电控制、速度控制和矢量变换等；D445为核心通信管理单元。利用Profibus DP网络在CU320、6RA70以及多个ET200远程I/O站之间实现数据传输，完成多种数据采集或动作命令下发。此外，D445与工程师站 (PC)、OP177面板也可通过如以太网、串口、MPI等多种通信方式进行通信，并支持SL150服务软件在线访问，便于协助现场调试。

SL150控制系统软件为Scout与Starter相结合的编程软件，适用于Sinamics系列所有系统产品，整个项目工程也可利用Step7平台实现集中管理，便于多传动系统之间以及传动与自动化系统间的统一管理及维护。SL150采用了简易而构思良好的创新设计，具有功能较强的保护和异常诊断系统，可确保显著缩短与维护相关的停产时间，是目前国内较为常用的一类交交直接变换型中压变频产品。

4.2 ACS6000交直交中压变频系统

瑞士ABB公司的大功率中压交流传动系统ACS6000SD（控制同步电机）和ACS6000AD（控制异步交流电机）主要用于冶金、船舶、轧机、矿山提升机等领域，是一种采用精确DTC直接转矩控制和脉宽调制技术的变频系统。

ACS 6000允许用在同一个直流母线上连接多个整流单元和逆变单元，从而实现拖动多个机械设备。它使用的IGCT元件组成功率部分。系统主要由逆变单元(INU)、有源整流单元（ARU）、电压限幅单元（VLU）、电容单元(CBU)、励磁单元（EXU）、水冷单元 (WCU)、控制单元（COU）、终端单元（TEU）等组成。通过模块化设计，根据所需的输出功率，电机配置和工艺需求，所有模块可以灵活的进行配置［5］。该系统的功率单元主要为ARU整流单元和INU逆变单元，共有7MVA、9MVA、11MVA、13MVA等多种模块可选，目前中间直流母线最多可接6个ARU和INU模块。

ARU和INU中都采用了带有S800-I/O站的主控制板AMC3，用于主传动ARU和INU模块的内部通讯、参数的设定、联锁等控制。AMC板的软件主要分为应用软件和控制软件两部分。应用软件主要实现故障信息的显示、直流母排的充放电控制、接地报警等信息的显示。控制软件主要实现电机电流、电网电压、直流电压、短路保护、IGCT开关控制、频率、速度、位置控制、通讯控制等功能。该传动系统基于DTC（直接转矩控制）理论，转矩响应时间理论上比传统的磁通向量控制或脉冲宽度调制的控制方式大大缩短，并能够在较宽的速度范围内实现恒转矩输出。此外，ACS6000变频器增加了滤波器，可有效避免由于DTC Bang-Bang控制使输出的电压波形产生尖峰，进而减少了dV/dt对电气绝缘的影响。ACS6000系统进入国内市场较早，也是目前国内占有率较高的交直交中压三电平变频系统产品。

4.3 SM150交直交中压变频系统

SINAMICS SM150交直交变频系统作为西门子公司推出的高端中压变频产品，同样使用了IGCT作为功率器件，同样适用于高压大功率的轧机主传动工业应用［6］。

该系统硬件部分主要由功率柜、控制柜、励磁柜及扩展柜等设备组成。控制部分与SINAMICS SL150类似，控制模块D445包含与传动其他部分通讯的以太网接口、软件和传动程序等；励磁部分主要用于电励磁同步电机的外部励磁，采用的是西门子6RA70直流调速装置作为励磁控制单元，励磁电流的大小是由D445控制。扩展柜内的CX32模块是专用于SIMOTION D445的控制器扩展，它与SIMOTION D445之间通过DRIVE-CLiQ方式连接。

SM150交直交变频系统的网侧整流AFE部分也采用PWM脉冲整流技术，可实现四象限运行及能量的双向流动，使网侧电流波形接近正弦波。电机侧的逆变部分采用的是基于磁场定向的矢量控制技术，与直流电机控制方式类似，解耦定子电流中的励磁电流分量和转矩电流分量，使得采用矢量控制的交直交变频系统在低速时也能获得较好的动静态性能。对于多电机驱动器也能够采用公共直流母线技术，实现用于电动和发电驱动的不同电机间的直接能量交换。

SINAMICS SM150采用电压源型矢量控制技术和高功率因数、三电平及模块化设计，使得其具有比较优良的网侧谐波控制能力和较好的动态控制性能，也可根据工艺要求提供多种选件用于控制同步电机和异步电机，该系统已经用于国内多条轧制生产线中。

4.4 TMdrivre-70交直交中压变频系统

TMdirve-70是由日本TMEIC公司推出的采用IEGT作为功率器件的中压交直交型变频产品，TMdrive-70电路结构为同样为双三电平PWM变换电路，电能可在网测和电机侧双向流动，实现四象限运行，可以直接用于驱动轧机主传动使用的异步电机或同步电机［7］。

TMdirve-70变频装置主要包括逆变器、整流器，其中逆变器的三电平PWM控制模式可输出最高为3.4 kV的正弦电压。整流器采用固定脉冲模式控制使得功率因数接近1，输出电压近似于正弦波，减少了高次谐波及转矩纹波，减少了对电网的污染。固定脉冲模式可自动平衡交流输入功率。当输入电压降低时，产生超前功率，提高输入电压；当输入电压升高时，产生滞后功率，降低输入电压。

该系统的控制器采用了由东芝公司开发的功率电子专用的高性能微处理器PP7，主控制模块完成所有内外部数据如电流检测、速度反馈、速度参数计算、外部输入输出信号等的处理，是整个系统的关键部分。为获得高动态性能，TMdirve-70系统也采用了与西门子公司类似的矢量控制技术，将交流电机通过坐标系变换等效成直流电机，再模仿直流电机的控制方法进行控制。TMdrive-70高压大功率变频控制系统功能强大、控制精度高、响应速度快、运行安全可靠，具备良好的动态性能，在国内多条大、中轧制生产线中也有了良好的应用。

4.5 TGS6000交直交中压变频系统

依托长期以来在高速铁路交流电机牵引传动系统中的技术积累，南车株洲电力机车研究所联合北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，在国家科技部课题支持下对交直交冶金轧机主传动系统的关键技术进行了大量研究，开发出首套在冶金生产线上获得成功应用的具有完全自主知识产权的TGS6000交直交主传动系统。

该系统采用三电平二极管中点钳位电压型主电路结构，功率部件由IGCT器件采用模块化设计，具有单机或公共直流母线多种灵活配置结构，功率范围覆盖5MW～27MW。网侧为四象限PWM脉冲整流，可实现全功率能量回馈并且可根据需要进行无功补偿，功率因数控制在±1。电机侧与网侧电路结构相同，可驱动大功率异步电机、电励磁同步电机、永磁同步电机。控制系统采用自主TEC3000多DSP结构传动控制平台，高速专用总线贯穿整个控制单元，通过高性能处理器为主构建系统管理器进行管理和调度，周期短、信息化程度高。通过软件编程设置保护门阀值，实现系统多级保护，达到控制器对变频故障的纳秒级快速响应。控制单元拥有Profibus总线接口，与上位机PLC可以形成控制与通讯系统。TSG6000系统拥有自主研发的PC机组态调试工具软件CSR_Drive，具有全中文的清晰图形化操作界面，使得对于传动单元的应用变得十分简便，其中的用户二次组态开发功能可满足系统在不同应用场合的需求［8］。

整体系统的研制开发是以中压交直交系统国际领先前沿技术为标杆，整机性能的定位完全满足高性能冶金轧机主传动控制系统的要求。该系统已在宽厚板粗轧机上下辊主传动交流同步电机的驱动中投入使用，各项性能指标满足轧制工艺要求，成功实现国内首套完全自主研制的大功率高性能中压交直交轧机主传动系统的现场应用，为打破国外对我国高性能大功率交直交轧机主传动系统的垄断、提升我国冶金核心制造装备自主配套能力迈出坚实的一步。

5 结论

（1）直流调速系统的各项指标已被高性能交流调速系统达到或者超越，冶金轧机主传动系统是高性能交流变频调速技术的典型应用，在新建生产线或技术升级中依然将发挥重要作用。

（2）交交变频系统功率器件成熟，在低速大扭矩场合能够满足轧机主传动需要，但网侧谐波较大、输出频率低等缺点使得应用范围受到一定限制；LCI系统调速范围有限，无法胜任所有轧机的工艺要求。

（3）采用 IGBT、IGCT、IEGT 等功率器件的集成化变频装置，已经在冶金轧机上得到广泛应用，这也是目前交流调速技术发展的主流方向。采用可关断功率器件的双三电平PWM交直交变频系统在网侧和负载侧同时获得了优良的控制性能

（4）高性能交流电机控制系统一直为国外技术所垄断，立足于国产功率器件和控制平台，开发并推广具有独立自主知识产权的轧机主传动交流变频系统是提高我国冶金行业核心制造装备的自主配套能力和产业竞争力的必由之路。

［1］ 李华德，白晶，李志民，等.交流调速控制系统［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［2］ 李崇坚.大功率轧机交流调速技术的发展 ［J］.冶金自动化,2004,28（增刊）:113-119.

［3］ 张勇军，王京,李静,等.轧机主传动交流变频传动技术的发展及应用［J］.电机与控制应用,2008（8）:1-5.

［4］ 栗欣，沈梁，刘建军，等.SL150控制系统在钢板桩轧机主传动中的应用［J］.冶金自动化,2014（6）:50-55.

［5］ 刘延斌，闫学良.ACS6000变频传动系统在冷轧机中的应用［J］.有色金属加工,2013,42（6）:61-63.

［6］ 周恩会，范冰.西门子SM150中压变频器在沙钢宽厚板轧制中的应用［J］.变频器世界,2015（1）：98-103.

［7］ 付红宝，吴洁旻.IEGT三电平变频器在轧机主传动的应用［J］.冶金自动化，2014（S1）：221-224.

［8］ 张勇军，郝春辉，张永康，等.国产交直交轧机主传动变频系统开发及应用［C］//第九届中国钢铁年会论文集.北京：中国金属学会，2013：1-5.