1、前言

　　我國的鋼產量已連續多年居世界第一，并每年以20%以上的高速度在增長。2004年的鋼產量是2.73億噸，2005年將超過3億噸，占世界鋼產量的1/3。作為制造業基礎的鋼鐵工業，現在正在進行大規模建設和技術改造。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進入這個領域，出現了“大煉鋼鐵”的局面。然而中國鋼鐵工業的問題也非常突出。它的能耗水平高，對環境的污染嚴重，能夠生產高檔次鋼材的企業少，如用于電機行業的硅鋼片、高檔汽車用的鋼板每年還需要大量從國外進口。

　　變流器在鋼鐵方面的應用主要有兩個方面:一個是大型軋機傳動，由交流調速取代直流調速，提高軋鋼能效;另外一方面是環保節能的傳動，例如鋼鐵工業中的高爐鼓風機，冶煉除塵風機和水泵等等，現在大多數還是采用檔板截流的調節方式，采用高壓變頻調速將產生較大的節能效益，市場前景廣闊。當前在軋機主傳動中應用的交流調速技術主要是交—交變頻調速，IGCT/IGBT三電平交—直—交變頻調速。

　　大功率軋鋼機主傳動要求電氣傳動系統具有很高動態響應和相當高的過載能力。這一領域長期以來一直被直流電動機傳動所壟斷，由于直流電機存在著換向問題和換向器、電刷等部件維護工作量較大，使其在提高單機大容量、提高過載能力、降低轉動慣量以及簡化維護等方面受到了限制，已不能滿足軋鋼機向大型化、高速化方面的發展。隨著電力電子技術、微電子技術以及現代控制理論的迅速發展，該技術受到國內外鋼鐵工業和電氣傳動學術界的極大關注。70年代以后，隨著交流電機矢量控制理論的產生及其應用技術的推廣，世界工業發達國家都投入大量人力物力對交—交變頻軋鋼機主傳動進行研究。到目前，在世界上已有上千臺交流變頻軋機主傳動投入工業應用，在工業發達國家新建1000kW以上的軋機主傳動，無論是初軋機，中板軋機還是熱、冷連軋機，無一例外全部采用交流變頻調速。在大功率軋鋼機主傳動領域已出現交流調速傳動取代直流傳動的趨勢。

　　2、交—交變頻器

　　1987年湖南湘潭鋼鐵廠從西門子公司引進了交—交變頻的軋鋼機，拉開了我國軋鋼機采用交流傳動的序幕。這套軋鋼機投入運用后，湘潭鋼鐵廠的噸鋼能耗節約了30%。此后，交流調速技術在鋼鐵領域得到了大力推廣。

　　2.1交—交變頻的特點

　　交—交變頻調速系統如圖1所示，由三組反并聯晶閘管可逆橋式變流器組成，它沿續著晶閘管變流器的電網自然換流原理，具有過載能力強、效率高、輸出波形好等優點，但同時也存在著輸出頻率低(最高頻率小于1/2電網頻率)，電網功率因數低，旁頻諧波影響等缺點。交—交變頻區分為有環流和無環流方式，可驅動同步電機或異步電機。

　　2.2交、直流調速的比較

　　軋鋼機交流傳動較傳統的直流傳動有許多優點:

　　(1)交流電機的單機容量不受限制，而直流電機的極限是5000kW/500r/min;

　　(2)同等功率情況下，交流電機的轉動慣量比直流電機的要小得多，如寶鋼有臺2×4500kW的直流電機，它的轉動慣量GD2=76.8tm2，而9MW交流同步電機單電機傳動，GD2=17.2tm2，為直流電機的1/4.5。因此交流電機的加速性能要大大超過直流電機;

　　(3)交流調速的動態性能好，速度響應由直流的15～30rad/s提高到40～100rad/s;

　　(4)交流電機的效率比直流電機提高2～3%;采用交流調速可提高生產效率，綜合節能30%(耗電/噸鋼);

　　(5)交流調速體積小、重量輕、占地面積小，維護簡單。

　　采用交流調速對寶鋼2050熱連軋和武鋼1700熱連軋進行改造，用一臺1萬多kW的電機來取代原來的3臺直流電機，體積減小了2/3。總體來說在鋼鐵領域交流調速取代直流調速已經形成了一個趨勢。

　　2.3交—交變頻器的國產化研究

　　國家把大型軋機主傳動裝備國產化列入“七五”、“八五”、“九五”國家重大技術攻關項目。國家要求大功率交流調速系統技術盡快產業化，以改變大型工業機械傳動裝備長期依賴于進口的局面。原冶金部和機械部把交—交變頻列為重點科研項目。冶金自動化院、天津電氣傳動研究所對該技術進行攻關，同時，清華大學、浙江大學等高校參與了項目的研制和理論分析，哈爾濱電機廠、東方電機廠、上海電機廠等企業則研制用于交—交變頻調速系統的同步電機。

　　1993年第一套國產的2500kW交—交變頻同步電機調速系統研制成功，應用于包鋼軌梁廠850型鋼軋機;1996年第一套4000kW國產全數字控制交—交變頻調速系統問世，應用于重鋼中板軋機主傳動;1999年第一套國產雙機傳動交—交變頻調速系統研制成功，應用于武鋼軋板廠中板軋機;2000年第一套熱連軋機交—交變頻調速的在攀枝花鋼鐵公司投入運行。據統計從1996年至2005年，我國大功率交—交變頻軋機傳動系統共263套，其中國內制造171套，占65%。我國大功率交—交變頻的技術水平與應用規模已超過美國GE、法國Alstom、意大利Ansaldo，達到世界先進水平;徹底扭轉了大型工業軋鋼傳動裝備長期依賴于進口的局面。

　　3、交—直—交變頻器

　　3.1交—直—交變頻器的特點

　　進入80年代以來，打破晶閘管元件一統天下的自關斷電力半導體器件，大功率晶體管GTR，可關斷晶閘管GTO以及場控器件絕緣柵雙極晶體管IGBT相繼問世，開始了一個以自關斷電力半導體器件為核心的新時代，與傳統的半可控晶閘管器件相比，采用自關斷電力半導體器件的電氣傳動裝置具有節約原材料，變換器裝置結構簡單，體積小，重量輕，功率因數高，諧波污染小等顯著優點。

　　3.2交—直—交變頻器在軋鋼傳動中應用

　　在大功率高電壓變頻調速領域，GTO元件曾占主要地位。20世紀90年代，GTO變頻調速繼在鐵路牽引機車上普遍應用之后，世界各國開始研制軋機主傳動GTO變頻調速系統。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同步電機變頻調速成功地應用于我國寶鋼1580mm熱連軋機和鞍鋼1780mm熱連軋機。圖3為GTO交—直—交多電平PWM變頻調速系統，該系統為電壓型變頻器，電源測變流器亦采用GTO脈寬調制技術，控制輸入電流的相角可以達到功率因數始終為1，并減少輸入電流的諧波。該變頻器采用三電平GTO元件串聯控制技術，使變頻器輸入和輸出電壓可達到3300V。與采用晶閘管元件的交—交變頻調速系統相比，GTO變頻器具有輸出頻率不受限，電網諧波污染小，功率因數高等顯著優點，但也存在著GTO元件開關損耗較大，效率低，需要水冷卻，維護困難等問題，同時電力半導體領域一直對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體器件的研制是世界各國在軋機傳動領域的競爭熱點，由瑞士ABB公司研制成功的門極可關斷晶閘管IGCT，是在GTO元件基礎上進行創新的一種新型大功率電力半導體器件。它在器件的結構設計中減少了控制門極回路電感,將驅動電路集成到器件旁，使IGCT的開關損耗較GTO減少一個數量級，提高了開關速度，取消了緩沖吸收電路，大大簡化了變頻器結構并提高了系統效率。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變頻器用于軋機主傳動。我國本溪鋼鐵公司1700軋機改造采用了GE公司的IGCT三電平變頻器，電機功率7MW/6kV。IGCT已成為GTO的換代器件。

　　 GTO交—直—交三電平PWM變頻調速系統主電路

　　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元件電壓驅動,開關速度快，可自保護等優點，東芝公司已將采用IEGT元件的7MW/3kV大功率三電平變頻器應用于我國鏈源鋼鐵公司薄板坯連鑄連軋主傳動中。

　　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、功率因數高等優點，但交—直—交變頻器仍存在許多待改進的問題:

　　(1)當前大功率高電壓電力電子器件處在發展期，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還是難題;電源側變流器如果發生直通短路會造成電網短路，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20%;

　　(3)交—直—交變頻器低頻運行時過載能力減低，一般運行在5Hz以下時變頻器過載能力減半;

　　(4)交—直—交變頻器輸出PWM調制電壓波形的電壓變化率du/dt很高，容易造成電機和電器的絕緣疲勞損傷;輸出導線較長時，共模反射電壓會在電機側產生很高的電壓，如果是兩電平的變流器，這個電壓的峰值是直流電壓的兩倍，如果是三電平的變流器，這個電壓的峰值是中間一半電壓的三倍;

　　(5)交—直—交變頻器PWM調制將產生諧波、噪聲、軸電流等問題。

　　3.4交—直—交變頻器的國產化研究

　　國產的交—交變頻<