大功率变频调速汇总.docx

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大功率变频调速汇总

2.1　传统大功率逆变电路

传统的大功率逆变电路有:

普通三相逆变器、降压———普通变频———升压电路、交交变频电路、变压

器耦合的多脉冲逆变器。

这些传统大功率逆变电路由于体积大,性能差,对电网污染严重,功率因数低,

无功损耗大,成本高,因此应用领域越来越多地受到限制。

2.2　新型多电平电压型逆变器

1980年日本长冈科技大学的A.Nabae等人首次提出三电平逆变器,又称中点箝位式（NPC）逆变器。

它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。

三相逆变器与普通双电平逆变器相比

具有以下优点:

更适合大容量、高电压的场合。

可产生M层阶梯形输出电压,理论上提高电平数可接近纯正弦波形,谐波含量很小。

电磁干扰（EMI）问题大大减轻,因为开关一次动作的dv/dt通常只有传统双电平的1/M-1。

效率高。

消除同样谐波,双电平采用了PWM控制法,开关频率高,损耗大,而多电平逆变器可用较

低频率进行开关动作,开关频率低,损耗小,效率提高。

2.3　PWM控制技术

由于全控型电力半导体器件的出现,不仅使得逆变电路的结构大为简化,而且在控制策略上与晶闸

管类的半控型器件相比,也有着根本的不同,由原来的相位控制技术改变为脉冲宽度控制技术,简称

PWM技术。

PWM技术可以极其有效地进行谐波抑制,在频率、效率各方面有着明显的优点,使逆变电路

的技术性能与可靠性得到了明显的提高。

传统的PWM控制技术多应用于双电平逆变器的门极驱动控制。

近年来,优化PWM技术得到了迅速发展。

它是根据谐波含量、谐波畸变率最小,转矩脉动最小等目

标函数,寻求控制波形。

它具有一般技术不具备的特殊优点,如电压利用率高、开关次数少及可实现特

定优化目标等。

优化PWM可用于多电平逆变器。

在国外,高性能交流调速传动是从20世纪60年代后期发展起来的。

随着大功率电子器件及变流技

术的发展、电子产品制造工艺水平的提高和微电子技术及微型计算机的发展,高性能交流调速传动目前

发展到了一相当高的水平。

当前的情况可从以下几个方面进行概括:

高性能交流调速系统已可应用于大容量和特大容量的调速对象,解决了装置的功能指标问题和高

压变流技术问题。

填补了直流调速传动在特大容量调速传动方面的空白;具有高的可靠性及长期连续

运行的能力,可连续运行数万小时而不停机检修,,满足了某些要求长期不能停机检修或对可靠性有特

殊要求的部门的需要;能实现高性能、高精度的转速控制,其调速精度可达0.1‰,并实现了矢量变换控

制的商品化;应用领域广泛,且能在较多领域中与直流调速传动进行竞争。

以下为正文：

1　轧钢机主传动控制要求

　　在棒线材及型钢车间,一般初轧机只作简单

的开坯使用,没有调速方面的要求。

对中精轧机

的主传动系统由于必须能够满足连轧所要求的速

度级联和轧制张力控制,调速系统要有较高的速

度和转矩控制精度,其他性能指标没有特别要求,

尤其是对系统的调速范围要求不高。

中厚板轧机的主传动电机及热连轧板带轧机的开坯机属于低

速、大容量可逆轧机,要求有大转矩过载能力,过

载2.5倍以上,但对速度精度和动态响应要求并

不高。

而热轧带钢厂的精轧机需要进行5机架以

上的连续轧制,轧机功率大,转速较开坯机高,特

别对稳态精度和动态恢复性能提出很高的要求。

冷轧机主传动基本与热连轧精轧机相似,但由于

需要达到工艺上准确的张力控制要求,对单机的

速度、转矩控制精度和响应时间等有着更高的要

求。

相关性能指标要求参见表1。

2　轧机主传动交流调速技术比较

　　目前,能够满足轧机传动要求的交流调速系

统主要有交-交变频和交-直-交变频两种形式。

其

中交-交变频又分为无环流交-交变频系统和有环

流交-交变频系统;而交-直-交变频按照输出电压

的电平数可以分为二电平变频和三电平变频。

目

前,由于器件电压等级的限制,二电平的交-直-交

变频系统以低压、中小功率为主。

大功率主轧机

主要采用三电平方式,并根据主回路电力电子器

件的不同可以分为门极可关断晶闸管（GTO）三

电平变频系统、绝缘栅双极晶体管（IGBT）三电平

变频系统、集成门极换向晶闸管（IGCT）三电平变

频系统、电子注入式增强门极晶体管（IEGT）三电

平变频系统。

各种交流调速技术的技术性能和典

型应用范围如表2所示。

3　交-交变频调速传动系统

　　交-交变频调速系统由直流调速技术演变而

来,其主回路功率元件采用相控晶闸管;一般对6

相变频方式使用3组反并联可逆桥式变流器为交

流电动机定子主回路供电,12相变频方式则采用

6组并联可逆整流桥供电。

图1为无环流交-交

变频系统的6相和12相主回路原理示意图。

交-

交变频系统的输出电压由电网电压的若干部分组

成,依靠矢量控制系统调节的移相角来平衡输出

的三相电压频率和幅值;其最大的特点是只能工

作于电网工频以下（最高频率小于1/2电网频

率）,调速范围受到限制,同时也存在着输出频率

低、电网功率因数低、旁频谐波影响等缺点,大型

轧机应用时需要同时配备动态无功补偿（SVC）和

谐波滤波（FC）装置。

但是,交-交变频系统也有

其一定的优势:

由于电能仅通过晶闸管相控桥的

直接一次变换为交流电动机供电,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,

传动效率比较高,并且具有优良的过载能力和输

出波形好等优点,与同等容量的交-直-交变频系

统相比还具有明显的价格优势。

图1　无环流交-交变频系统主回路原理示意图

　　德国西门子公司与日本富士电机公司先后于

20世纪80年代初研制成功了交-交变频同步电机

传动系统,并且成功地应用在轧钢厂的大型初轧

开坯机上。

这标志着大容量交流调速系统登上了

高性能调速系统的台阶。

1989年,交-交变频同

步电机传动系统在德国第一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。

到目前为止,世界

范围内已有近500套轧机传动采用了交-交变频

调速。

在我国,几乎在各大钢铁公司的轧钢厂都

可以看到交-交变频系统的使用。

另外,针对无环流交-交变频系统输出变频有

限、功率因数低、电网谐波污染严重等缺点,采用

可控环流的交-交变频系统能够有效缓解这些不

利影响。

其控制原理与无环流交-交变频调速系

统相似,主要区别是各相的正、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。

除有效控制电网侧无功

分量、减少用于无功补偿规模的优势外,可控环流

交-交变频系统还能够提高输出电压的频率,最高

可达电网频率的80%,而且不存在使用晶闸管正

反桥切换时的死区时间（2~3ms）,输出力矩更

平稳。

可控环流交-交变频系统在具备上述优点

的同时,也存在一定的缺点:

由于环流电流的存

在,整流变压器容量比无环流系统大约需要提高

50%,传动系统效率明显降低,系统接线复杂,设

备投资价格也高于无环流变频系统。

可控环流

交-交变频系统主要由日本东芝公司研制,在日本

有一定推广,我国的轧机尚无应用。

4　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（LCI）系

统由一台整流变压器、一套电源侧自然换流晶闸

管整流器、—个直流耦合电抗器、一套电动机侧负

载换流晶闸管逆变器等组成,它利用同步电机转

子过激磁的容性无功功率来提供晶闸管换流。

其

中电源侧整流器控制输出电压,电动机侧逆变器

控制输出电流。

LCI系统属于电流型交-直-交变频方式,容易

实现四象限运行,可满足高输出频率要求;但其电

流输出波形是梯形波、输出电流谐波较大、力矩脉

动也大,尤其是在低速范围内（小于10%额定转

速）;由于系统采用电流断续换流,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。

为了使输出力矩的脉动较小,大型LCI系统

通常采用12相供电方式,如图2所示。

图2　12相供电的LCI系统主回路示意图

　　LCI系统输出力矩的脉动和调速范围的限制

制约了其应用范围,一般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

可逆轧机主传动,如棒材、高速线材精轧主传动。

在我国武汉、天津、昆明等地的高速线材精轧机主

传动中均有应用。

5　交-直-交三电平变频传动系统

　　随着高压、大电流的IGBT、GTO、IGCT、IEGT

等大功率可关断电力电子器件的不断开发成功,

交-直-交电压型PWM变频调速技术正在不断向

大容量装置发展。

与传统的半可控晶闸管器件相

比,采用自关断电力半导体器件的电气传动装置

具有节约原材料、变换器装置结构简单、体积小、

重量轻、功率因数高、谐波污染小等显著优点。

通

—3—

2008,35（8）

过采用全数字三电平PWM技术使得交-直-交电

压型PWM变频调速系统性能得到极大提高,系

统装机容量也得到大幅度提高,完全能够满足轧

钢机高性能主传动的要求。

现在,交-直-交三电

平变频系统已经在中厚板轧机、带钢热连轧机、冷

连轧机、单机架冷轧机等大型轧机的主传动上与

交-交变频系统展开竞争。

作为轧机主传动的三电平PWM变频系统,

一般其电网侧和电动机侧采用相同的三电平结

构,前者完成系统的功率变换,后者完成系统的传

动功能。

电网侧的三电平PWM整流控制,可以

使系统在整个调速范围内电网侧功率因数保持在

1左右,且电流谐波总量THD控制在4%以内,能

够很好地实现高功率因数、低谐波污染且能量可

逆利用,不再需要价格昂贵且复杂的动态无功补

偿设备及谐波滤波装置。

而逆变侧的三电平

PWM控制则大大缓解了输出电压的du/dt,使输

出电压更加接近正弦波,减小了负载脉动,有效提

高了传动系统的性能指标。

采用中点箝位式（NeutralPointClamped,

NPC）结构的三电平PWM变频系统主回路接线

原理见图3。

图中可关断器件采用IGBT元件。

当采用GTO、IGCT等其他元件时,其主回路机构

一致,主要区别在于相应的保护回路和触发系统。

5.1　GTO三电平PWM变频系统

　　采用GTO元件的交-直-交变频系统首先被应

用在机车牵引上,成熟使用后,采用双三电平

PWM控制的GTO变频系统被引入到轧机主传动

中。

目前,日本三菱公司已成功研制出6000V/

6000A的大功率GTO元件,单机变频装置容量

可以达到10MW以上,在国内外大型轧机上有大

量应用。

我国的鞍钢1780mm热带全连轧和宝

钢1580mm半连轧生产线主传动都是采用的三

电平GTO同步电机变频调速系统。

但GTO器件

的通态损耗及开关损耗都存在很大缺点,而且无

法与反并联二极管集成,需要复杂的门极驱动电

路和阻容吸收回路,对系统的可靠性和效率有一

定的影响,与功耗小、驱动简单而单元件容量逐步

增大的场控器件相比逐渐失去竞争优势。

这在一

定程度上限制了GTO变频系统的大范围应用。

5.2　IGCT三电平PWM变频系统

　　IGCT是在GTO元件基础上研制出的一种新

型大功率电力半导体器件。

该器件在结构设计中

减少了控制门极回路电感,并将驱动电路集成到

器件旁,使IGCT的开关损耗较GTO减少一个数

量级,取消了缓冲吸收电路,在简化变频器结构基

础上提高了系统效率。

同时,与GTO元件相比,

IGCT控制回路简单,功率部分易于模块化,无论

从系统经济性、可靠性和可维护性上都有大幅度

提高。

目前,单元件4000A/4500V的IGCT器

件已经投入产品化应用,采用IGCT的大功率三

电平PWM变频器在轧钢机主传动中得到了越来

越广泛的使用。

我国新建的舞阳钢厂宽厚板轧机

主传动以及本溪钢厂1700mm热轧精轧机主传

动都采用了IGCT三电平变频系统。

综合来看,

IGCT虽然是一种较为理想的大功率中高压开关

—4—

2008,35（8）变频应用专题EMCA

器件,但与电压型驱动器件相比,IGCT需要门极

驱动电路为其提供开通驱动电流和关断时的抽电

流,驱动功率依然比较大,这在开关频率高的应用

场合尤为明显,是IGCT元件的主要缺陷之一。

5.3　IGBT三电平PWM变频系统

　　IGBT元件属于场控器件,具有快速的开关特

性（可达10~30kHz）,易驱动、关断均匀、无需缓

冲电路,可以很容易地将反并联二极管与IGBT

元件集成在一起,总体性能优良,十分适用于高频

开关场合的应用;但长期以来受元件容量的限制,

主要应用在低压中、小容量变频系统中。

近年来

其在容量上有了很大发展。

德国已研制出

1000A/6500V的IGBT器件,同时也出现了采

用IGBT器件的三电平PWM变频装置应用于轧

机主传动的系统。

我国宝钢1550mm冷连轧机

及邯郸钢厂冷轧带钢生产线采用的都是IGBT元

件构成的三电平变频系统驱动主传动电动机。

较

之前所述的GTO等元件,IGBT系统在噪声、体积

和灵活性上有很大的进步。

目前,中小功率轧机

主传动交-直-交调速系统基本上已经被IGBT元

件所占领。

但由于高压IGBT元件存在通态压降

高、发热严重、关断时有电流拖尾现象等缺陷,在

超大容量轧机上普及应用还需要一定的发展过

程。

5.4　IEGT三电平PWM变频系统

　　IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor）,是

东芝公司1993年开发出的新一代电力电子器件,

具有通态压降低、门极驱动简单、开关损耗小、易

于串联运行等诸多优点。

IEGT与IGBT一样同属

于电压型触发器件,触发功率小（不到1W）,开关

速度高,也有关断速度快、损耗低、安全工作区域

较宽的特点。

另外,IEGT具有很高的开通/关断

速度和di/dt承受能力,在高开关频率下依然保

持较低的开关损耗,且元件本身很宽的安全工作

区能够承受较高的du/dt和di/dt,对吸收和缓冲

回路要求不高。

因此,在组成内部回路时用到的

器件数量较少,能够很大程度上提高系统的可靠

性。

采用IEGT器件构成的三电平PWM变频系

统在我国轧钢厂也已成功应用,目前涟源钢铁公

司薄板坯连铸连轧生产线、太原钢厂2250热连轧

生产线、新余钢厂中厚板的轧机主传动都采用了

这种系统。

从使用效果及性能指标上看,IEGT的

三电平变频系统具有一定的竞争优势,在目前来

讲是一种较为理想的适合在大功率变流器中使用

的可关断电力电子器件。

6　国内发展现状

　　国内目前各大中型钢铁企业对产品产量、质

量和品种不断提出新的目标,同时也带来了对大

型轧机的交流变频驱动设备更大的需求量和更高

的性能要求。

我国轧机传动系统的大功率化和交

流化已成为不可扭转的趋势。

国内新项目中,主

轧机的功率范围一般在12kW~6MW,几乎完全

采用了交流电动机驱动。

这其中,交-交变频系统

以其优秀的性能价格比仍然具有很大的市场占有

量,占据着约70%以上的中厚板、冷热轧宽带钢

主传动调速市场,但这一份额也在日益减小;交-

直-交三电平变频系统价格相对昂贵,需要一次性

投资较大（约为交-交变频的2~3倍）,但它对电

网侧的优良性能表现能够避免对无功补偿设备的

额外资金和场地占用,长期使用中也能显著节电,

有着不可比拟的优势,已经成为现代化大型轧钢

厂先进电气装备的标志,有广阔的应用前景。

在

棒线材、中小规模型钢厂,除部分（约有20%）企

业出于成本考虑仍采用直流系统外,大部分新项

目都采用了全交流调速方式;由于功率范围及调

速方式的特点,调速系统一般都采用交-直-交变

频方式,特别是线材的精轧机连续的工作方式决

定了LCI系统具有一定的优势,有着广泛应用。

轧钢机高性能交流电动机控制系统的研究是

一门集电机学、电力电子、自动化、控制论、计算机

应用及数字仿真等于一体的综合学科。

长期以

来,我国大型轧机主传动电控系统装备一直依赖

于进口,而且主要被几家大型跨国电气公司所垄

断。

自20世纪90年代开始,国家也加大了这方

面研究的力度,但是由于基础硬件（如功率器件、

核心芯片等）方面的落后,研究起点相对比较低,

不能在短时间内形成规模和工程化产品,暂时无

法形成与国外大公司成熟系统之间的有效竞争。

值得欣慰的是,高性能大功率交流调速系统的研

制在我国已越来越得到了重视;国家把大型轧机

主传动交流调速国产化列入重大技术装备科技攻

关项目,高等学校、研究院所、电机厂、大型钢铁

公司等单位都对此进行了各个层次的研究和探

讨;针对三电平整流和逆变主回路拓扑结构,

PWM调制理论的研究也成为重点;采用高性能数

字信号处理器（DSP）控制的交-直-交变频系统已

在中小功率范围内日趋成熟,为大功率高性能交

流传动系统的国产化、早日打破国外大公司对轧

机主传动交流系统的垄断地位打下了良好基础。

7　结　语

　　大型轧机主传动电动机功率大、负荷重、连续

作业、过载倍数大,对电控系统有很高的要求,在

我国存在大量改造和新建系统需求,有着广阔的

应用前景。

通过对以上几种能够满足轧钢机主传

动驱动要求的高性能调速系统进行的分析比较,

得出如下结论。

（1）高性能交流调速系统的各项

指标已经达到或者超过了直流系统。

大型轧机主

传动电控系统已经由过去的直流系统逐步为交流

变频调速所取代。

新建生产线的主传动无一例外

采用了变频调速技术。

（2）LCI系统调速范围有

限,无法胜任所有轧机的工艺要求。

交-交变频系

统功率器件成熟,性能指标完全满足轧机主传动

需要,但对电动机频率输出有限,电网侧需要加繁

杂的滤波补偿系统,应用范围受到一定限制。

采

用可关断功率器件的双三电平PWM交-直-交变

频系统在电网侧和负载侧同时获得了优良的控制

性能,采用IGBT、IGCT、IEGT等功率器件的集成

化变频装置已经大量在轧钢机上应用,成为目前

交流调速发展的主流方向。

（3）我国在轧机用大

功率高性能变频调速方面的制造和技术水平距离

发达国家大型电气公司的成熟产品尚有一定差

距,必须尽快加强在交流电机控制理论、器件制造

工艺、系统结构等方面的研究,跟踪世界先进技术

发展,尽快打破国外产品在这一领域的垄断局面。

以上是北科大（张勇军）

2　大功率变频器的应用分析

2.1　大功率变频器

大功率变频器用于大型轧机主传动，

功率在3～10MW以上。

在这个功率范围

内，与传统的直流调速相比，交流变频调

速中变频器增加的成本可以从电动机和维

护节约的成本中得到补偿，采用交流调速

无论从技术上还是从经济上看都比较合

理，基本上实现了以交流调速取代直流调

速。

除功率大外，主传动还要求：

过载能

力强（2～2.5倍）；能快速正反转（可逆轧

机类）；静态转速精度高、动态冲击速降小、恢复快

及加减速跟踪性能好（连轧机类）；变频器需有能量

回馈功能，四象限运行。

大型主传动使用的变频器主要有两类；基于晶

闸管移相控制的交－交变频器和基于高压大容量自

关断器件PWM控制的三电平交－直－交变频器。

现

在流行的H桥级联多电平变频器在主传动中几乎不

用，原因是整流电源数目太多，实现能量回馈复杂。

与通用变频器不同，主传动用变频器输出的额定

电压根据变频器拓扑和使用器件的电压等级决定，额

定频率根据工艺要求的恒转矩和恒功率调速范围决

定，通常不同于供电电网。

这一方面是因为主传动要

求电动机过载倍数大、惯量小、结构强，需要专门设

计，可以充分考虑变频器和工艺的期望，充分利用器

件电压和电流；另一方面主传动不要求在变频器故障

时旁路变频器，让电动机直接挂网恒速工作，因此电

动机电压和频率没有必要和电网一致。

交－交变频

器额定输出电压为1650V或3300V，三电平变频器

额定输出电压有2300V、3000～3300V及4160V，都

和我国电网电压不同。

交－交变频器已在我国大量应用，多达数百套，

近年来大功率三电平交－直－交变频器的应用逐渐

增多，目前两类设备并存，各有优缺点，比较如下：

（1）两类系统都是高性能调速系统，动、静态

品质优良，都能满足轧机主传动的极高要求。

（2）由于交－交变频器及其电网补偿装置已国产

化，价格便宜。

以7MW的装置为例，一套两倍过载

的交－交变频装置大约需要人民币300多万元（由于

补偿装置是全车间统一配置，很难折算到每套变频支

出，在此不计入补偿装置价格）。

三电平变频器尚未

国产化，价格高昂，一套基于IGCT的9MV·A双PWM

三电平进口变频器（无过载能力）需要约100万美元，

要满足7MW电动机两倍过载要求，需两套并联（由

于控制部分公用，价格不加倍）。

（3）交－交变频器的器件基于晶闸管，过载能

力大，可靠性高，国产晶闸管的质量已达世界先进

水平，变频装置基于可逆整流，技术成熟；三电平

变频器基于大功率可关断器件IGCT、IEGT或IGBT

（7MV·A以下装置），不能过载，可靠性不如晶闸

管，装置的成熟程度也不如交－交变频。

从备品备

件角度考虑，交－交变频器也优于三电平变频器。

（4）随着输出频率的降低，交－直－交逆变器

中各个器件承受大电流的时间加长，温升增加，需

要降低装置输出电流。

以ABB的9MV·A装置为

例，从8Hz开始降低输出，8～3Hz从100％线性降

至70％，0～3Hz为70％，若轧机有长时间低速运

行工况，例如可逆轧机，需增大变频装置容量30％。

交－交变频器在降低输出频率时，每个晶闸管的导

通时间不变，仍为3.3ms，不降低电流输出能力，比

较适合低速运行工况。

（5）双PWM三电平变频器的最大优点是电网侧

电流正弦，无功量可从感性到容性人为设置和控制，

包括零无功（功率因数=1），不需要电网补偿装置或

仅需一组高通滤波器；交－交变频工作时产生大量

无功和谐波（特征谐波和旁频），需要大的电网补偿

装置，不仅增加设备，还占据庞大建筑面积（主要

是电抗器和电容量占地），采用交－交变频节约的投

资被电网补偿增加的设备和土建投资抵消掉一大部

分，甚至反而超出。

（6）晶闸管的导通压降比大功率可关断器件低，

交－交变频是一次换流，而交－直－交变频是二次

换流，所以从变频器本身而言交－交应比交－直－

交损耗小，效率高，但计入电网补偿装置的损耗（主

要是电抗器损耗）后，交－交方案可能反而损耗大。

（7）轧制车间中通常有多套主传动，电网补偿

是整个车间统一补偿，两种变频方案哪个更经济需

要全车间统一核算，在核算中不仅要考虑变频及补

偿设备总价及总损耗，还要计及土建投资。

（8）若车间中有多套主传动，一部分用双PWM

三电平交－直－交变频器（例如精轧主传动），另一

部分用交－交变频器（例如粗轧主传动），用交－直

－交变频器有源前端产生的容性无功去补偿交－交

变频器产生的感性无功，从而省去动态无功补偿装

置，节约投资，能取得很好效果，西门子公司已有

成功应用实例。

3　变频器控制系统

绝大多数轧制传动要求调速系统有良好的动、

静态性能，需要高性能控制系统（矢量控制或直接

转矩控制