馬竹梧（1931—）
男，廣東廣州人，教授級高級工程師，冶金部勞動(dòng)模范，1978全國科學(xué)大會(huì )先進(jìn)工作者，原冶金部自動(dòng)化研究院副院長(cháng)、院總工程師，現為中國鋼鐵協(xié)會(huì )信息化自動(dòng)化推進(jìn)中心顧問(wèn)，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì )專(zhuān)家咨詢(xún)委員會(huì )委員。
所獲獎項：
1978年全國科學(xué)大會(huì )獎2項。
國家級科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎1項。
冶金工業(yè)部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎1項，二等獎2項，不分等科學(xué)技術(shù)獎3項，專(zhuān)利4項。
發(fā)表科學(xué)技術(shù)論文100多篇，其中5篇被選參加國際會(huì )議（包括被選參加IFAC成立及在莫斯科第一屆學(xué)術(shù)會(huì )議）。
著(zhù)作有：已出版著(zhù)書(shū)9本（其中合著(zhù)7本，獨著(zhù)2本），已交稿即將出版書(shū)本3本（包括ASEA“冶金自動(dòng)化”及“冶金自動(dòng)化工程設計”），翻譯已出版英、俄、日文書(shū)4本。

1 鋼鐵工業(yè)流程及交流調速

    鋼鐵是現代工業(yè)中應用最廣，發(fā)展最快的金屬材料，是建筑、汽車(chē)、鐵路、航運、電器、電力、食品等工業(yè)不可缺少的材料。

    鋼鐵企業(yè)是由一系列工廠(chǎng)組成，是聯(lián)合企業(yè)型式，包括采礦、選礦、然后把選得的精礦燒結或球團，造成適合于高爐所需塊度的原料，經(jīng)高爐煉成生鐵，再由轉爐或電爐煉成鋼，鑄成錠以后，經(jīng)各式軋機軋成板材、管材、型材和線(xiàn)材等，生產(chǎn)過(guò)程十分復雜，規模大，設備極其不同。由礦石到鋼材的生產(chǎn)有多種流程，但主要是兩種流程[2]：采礦選礦-燒結球團和焦化-高爐-轉爐-軋機流程、直接還原或熔融還原或廢鋼-電爐-軋機流程。前者稱(chēng)為長(cháng)流程，后者稱(chēng)為短流程。兩者都是由一系列分廠(chǎng)或車(chē)間組成的鋼鐵總廠(chǎng)。

    由于下列原因：

    （1）鋼鐵工業(yè)耗電量極大，我國冶金系統年耗電量約占全國發(fā)電量的9.3%左右[1]，驅動(dòng)的電動(dòng)機占很大一部分，其中要求調速的占80%以上(據統計，鋼鐵工業(yè)要求調速的電動(dòng)機從數量上說(shuō)約為20%，而容量上說(shuō)卻占80%)，故其有效操作和節能降耗是至關(guān)重要的。

    （2）鋼鐵工業(yè)產(chǎn)量大、經(jīng)濟效益大，要求作業(yè)率高。如板帶熱連軋廠(chǎng)年產(chǎn)量大都超過(guò)600萬(wàn)噸，稍有故障停車(chē)，損失就很大，故提高作業(yè)率極為重要。鋼鐵企業(yè)使用的電動(dòng)機有直流電動(dòng)機和交流電動(dòng)機，由于許多要求調速的生產(chǎn)機械對電氣控制系統有一定的要求，如調速范圍、動(dòng)態(tài)響應、靜差度等，過(guò)去直流電動(dòng)機一直占主導地位，但直流電動(dòng)機有一系列缺點(diǎn)，如結構上有換向器及電刷使日常維護量增加、電刷與整流子經(jīng)常產(chǎn)生火花而要求安裝環(huán)境較好及不能用于易燃易爆場(chǎng)所、與同容量交流電動(dòng)機比體積和重量及轉動(dòng)慣量都較大、價(jià)格也較高、效率比交流電動(dòng)機低2~3%等，交流電動(dòng)機則無(wú)直流電動(dòng)機的缺點(diǎn)，維護量較少，作業(yè)率較高。特別是近十多年隨著(zhù)電力電子和微電子技術(shù)發(fā)展及現代控制理論應用，使交流調速迅速發(fā)展，其調速特性與直流調速性能完全一樣甚至超過(guò)，完全可代替直流電動(dòng)機及其調速系統。

    （3）變頻調速經(jīng)濟效益高。交流調速有多種方法（異步電動(dòng)機的變極調速、調壓調速、轉子串電阻調速、電磁轉差離合器調速，液力耦合器調速、機械差動(dòng)調速、變頻調速等），但主流是變頻調速。變頻調速的變頻電源有旋轉變頻機組和靜止變頻裝置。前者由異步或同步電動(dòng)機-直流發(fā)電機和直流電動(dòng)機-同步發(fā)電機兩套機組組成。后者則由電力電子器件和微電子器件組成，無(wú)可動(dòng)部分。由于旋轉變頻機組設備龐大、有可動(dòng)部分、維護量大、效率低和性能差，故已被靜止變頻裝置代替?，F在所指的變頻調速是指靜止變頻調速裝置)。據統計使用靜止變頻調速以后，可節電1~3%。

    因此交流電動(dòng)機驅動(dòng)和變頻調速在鋼鐵廠(chǎng)已廣泛應用，特別是新建的機組，甚至大功率（單機達10000kW）、要求嚴格的帶鋼熱連軋機也使用交流電動(dòng)機驅動(dòng)和交流調速。

2 交流調速及變頻器在鋼鐵工業(yè)應用的進(jìn)展

    變頻調速在鋼鐵工業(yè)的應用，大致如表1所示，經(jīng)過(guò)多個(gè)階段。

    表1  交流變頻調速在鋼鐵工業(yè)的進(jìn)展：

    表2  板帶熱連軋機使用交流變頻調速情況及趨勢：

    對于變頻器生產(chǎn)，國外電氣公司都已產(chǎn)業(yè)化了，如德國西門(mén)子、法國阿爾斯通、瑞典ABB、美國GE、意大利ANSOLDO、日本日立、日本三菱、日本安川等公司都生產(chǎn)各種容量、不同電壓的通用變頻器可供選用，選擇時(shí)可適當參照其業(yè)績(jì)及在類(lèi)似或同樣機組使用情況和經(jīng)驗與效果。

    變頻所用電動(dòng)機也需注意，一般1000kW以下的電動(dòng)機，采用異步電動(dòng)機性能價(jià)格比較好，對于容量較大的可采用同步電動(dòng)機或異步電動(dòng)機。異步電動(dòng)機一般采用線(xiàn)繞電機，而容量較小的電動(dòng)機一般采用鼠籠電機。由于傳動(dòng)控制系統一般采用PWM變頻器，故電機也須特殊設計，以滿(mǎn)足PWM變頻調速的要求（按不同機組情況，包括允許過(guò)載%、過(guò)載時(shí)間、工作制、絕緣等級、保護等級、額定電壓等）。

    一般來(lái)說(shuō)，還須考慮電源污染對電網(wǎng)造成的影響問(wèn)題，特別對容量特大并使用交-交變頻裝置的場(chǎng)合，考慮裝設無(wú)功動(dòng)態(tài)補償裝置(SVC)是要認真考慮的.

5 交流調速及變頻器國產(chǎn)化與產(chǎn)業(yè)化

    交流變頻調速裝置在鋼鐵工業(yè)占重要地位，無(wú)論從生產(chǎn)需要或經(jīng)濟效益，其重要性是不言而喻。但大多是引進(jìn)，特別是大功率的軋鋼主傳動(dòng)，從早期引進(jìn)的寶鋼2050mm熱連軋R2、包鋼1150mm初軋機、鞍鋼1150mm初軋機到“十一五”建設的寶鋼1880mm熱連軋。這需要花大量外匯和資金，據統計，國產(chǎn)的交-交變頻器，價(jià)格約為500元RMB/KVA(不包括整流變壓器)，而引進(jìn)約為1.5倍國產(chǎn)價(jià)格，而一個(gè)大型板帶熱連軋廠(chǎng)主傳動(dòng)可達100,000kW，因此國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化和可靠性以及有所創(chuàng )造是關(guān)鍵問(wèn)題。

    國內許多單位，如天津電氣傳動(dòng)研究設計所、冶金自動(dòng)化研究設計院(前身為冶金部自動(dòng)化研究院)等遠在上世紀70年代末，就已致力于交流變頻調速的研究和國產(chǎn)化與實(shí)用化工作。大概可分為三個(gè)階段。

    第一階段為上世紀70年代末至1985年。開(kāi)始從事交流調速研究及工業(yè)試驗與應用，并在實(shí)用化取得初步成績(jì)，例如1983年研制成功線(xiàn)繞型感應電動(dòng)機雙饋變頻調速裝置并在15T冷拔機組中良好使用。

    第二階段為1985年至1993年。在這階段是研究各種交流變頻調速機理、特性與工業(yè)應用以及數字調節器等，同時(shí)引進(jìn)單體變頻器自行設計系統，以后又自行設計和制造的國產(chǎn)化和具有自己知識產(chǎn)權的交流變頻調速系統和裝置，其中典型的是冶金部自動(dòng)化研究院的1988年4月成功地投產(chǎn)湘鋼金屬制品分廠(chǎng)的24#6/350活套拉絲機變頻調速系統（引進(jìn)日本富士PWM逆變器），以后自行設計和制造，1988年10月成功地投產(chǎn)軋鋼廠(chǎng)輥道控制的電流型變頻調速系統和裝置。1993年2月制成大功率交交變頻矢量控制的雙饋變頻調速裝置，并用于首鋼帶鋼廠(chǎng)φ500mm窄帶熱連軋主傳動(dòng)650kW交流電動(dòng)機上。1993年制成第一套國產(chǎn)的2500kW交交變頻同步電動(dòng)機調速系統(獲冶金科技進(jìn)步一等獎)，并用于包鋼軌梁廠(chǎng)850型鋼軋機。

    第三階段為1993年至現在。其特點(diǎn)是現代化、高性能化、全數字化，并大力應用于實(shí)際工業(yè)現場(chǎng)中。在鋼鐵工業(yè)中代表是1996年制成第一套國產(chǎn)的全數字的4000kW交交變頻調速系統，并用于重鋼五廠(chǎng)2450mm中板軋機；1999年制成第一套國產(chǎn)的雙機傳動(dòng)的交交變頻調速系統，并用于武鋼軋板廠(chǎng)中板軋機；2000年制成第一套熱連軋機傳動(dòng)的交交變頻調速系統，并用于攀枝花鋼鐵公司軋板廠(chǎng)；2001年完成第一套特大型全數字交交變頻主井提升裝置。此外，2003年投產(chǎn)的營(yíng)口中板廠(chǎng)精軋機2×4200kW主電機交交變頻調速系統；2004年投產(chǎn)的勝利油田臨盤(pán)采油廠(chǎng)560kW注水泵電動(dòng)機的高壓直接變頻調速系統(交-直-交方式，H橋串聯(lián)式)以及多套棒線(xiàn)軋機主輔傳動(dòng)交流變頻調速系統都是國產(chǎn)化例子。

    在這階段交交變頻調速系統有較大的發(fā)展，例如冶金部自動(dòng)化研究院的交交變頻調速技術(shù)與在鋼鐵工業(yè)應用規模已超過(guò)美國GE、法國Alston、意大利Ansaldo，達到Siemens、Toshiba、ABB的世界先進(jìn)水平。各項技術(shù)性能指標與國外Siemens、Toshiba相同，達到國際先進(jìn)水平；該院交交變頻占國產(chǎn)化市場(chǎng)的80％左右，單機功率也最大(4000kW)，大功率交交變頻裝置已為國內提供208套，容量共2000MW，占全國首位。該院還在交交變頻調速系統有所突破，表現為：① 提出同步電機磁場(chǎng)定向控制理論與方法，阻尼磁鏈定向發(fā)明專(zhuān)利，提高了交交變頻系統的技術(shù)性能；② 提出電機、電網(wǎng)、系統一體化理論與仿真，解決了大型交流調速對電網(wǎng)影響問(wèn)題；③ 研制了現代控制理論的負荷觀(guān)測器，解決了熱連軋機電振蕩問(wèn)題；④ 建立了交交變頻工程設計與調試方法，使工程規范化，推廣應用規?；?⑤ 研制成功4英寸大功率晶閘管及大功率變流裝置，功率全范圍覆蓋，單機達到20MW；⑥ 樹(shù)立了國產(chǎn)化樣板，第一套熱連軋交流調速，第一套礦井提升機交流傳動(dòng)；⑦在863項目支持下，研制成功7500kW的IGCT變流器，完成了3600kW同步電機的工業(yè)試驗。并研發(fā)電子控制器。

6 國產(chǎn)化的問(wèn)題與展望

    國產(chǎn)化近年來(lái)取得很大的成功和重大的經(jīng)濟效益，包括國內許多公司開(kāi)發(fā)的高壓直接變頻調速系統，但如果冷靜地分析一下，國內大多數公司和單位，大多是設計主回路，而核心技術(shù)如數字式的電子控制器和電力電子器件都是外購，其中電子控制器都是外國公司如西門(mén)子公司生產(chǎn)(實(shí)際上完全國產(chǎn)化的大功率變頻系統只有模擬式控制系統，如包鋼軌梁廠(chǎng)850型鋼軋機的2500kW交交變頻同步電動(dòng)機調速系統)，電力電子器件則只有晶閘管?chē)鴥瓤缮a(chǎn)，而第三代可關(guān)斷電力電子器件，包括IGBT、IGCT等，全部進(jìn)口，國內交交變頻之所以得到蓬勃發(fā)展，主要依托國內多年的晶閘管生產(chǎn)技術(shù)和較便宜的價(jià)格。無(wú)可置疑，交直交變頻特別對電源污染方面都是優(yōu)于交交變頻方式(從表3已經(jīng)看出其趨向)，但IGBT、IGCT等電力電子器件依靠國外而使交直交變頻發(fā)展較慢。但要開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)IGBT、IGCT等電力電子器件要投入財力物力太大，一個(gè)單位難以負擔，需要國家大力投資研發(fā)和生產(chǎn)。

    現在國內電氣公司越來(lái)越多，分出來(lái)也越來(lái)越多，原因是傳動(dòng)調速系統，經(jīng)濟效益大，設計主回路，外購電子控制器和電力電子器件，然后組裝、調試，已越來(lái)越多人掌握，辦個(gè)組裝車(chē)間也非難事，但人力分散，研發(fā)和基礎工作——電子控制器和電力電子器件卻很少人也無(wú)力致力于研發(fā)和生產(chǎn)。當今合并組成大型集團公司是世界也是國內趨向，我們應效仿，這樣才能更有力量和利于發(fā)展并和西方大電氣公司競爭。目前只批判“短視行為”不足以解決，看來(lái)，除了國家大力和有效投資研發(fā)和生產(chǎn)電力電子器件，還應把有影響的電氣傳動(dòng)公司和電力電子器公司及著(zhù)名的研究院所合并成大型的集團公司，才足以有此財力和人力，來(lái)進(jìn)一步發(fā)展交流變頻調速技術(shù)，并和國際著(zhù)名公司（如西門(mén)子公司）等競爭，化進(jìn)口為出口。

    目前集團公司有些不問(wèn)專(zhuān)業(yè)而以工藝行業(yè)進(jìn)行合并，例如冶金系統的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的研究院與工藝方面的研究院合并而成鋼鐵集團公司，看上去似乎合理，但實(shí)質(zhì)上是過(guò)去冶金部、煤炭部、化工部等小而全方式，這樣很難有大的發(fā)展，反觀(guān)國外，大都是專(zhuān)業(yè)合并，三足鼎立——機械設備、電氣、工藝，如德國德馬克等機械公司、西門(mén)子等電氣公司、蒂森等鋼鐵公司(及其他化工、輕工等工藝公司)，美國也如是，如Wean-United等機械公司、GE等電氣公司、美鋼聯(lián)等鋼鐵公司(及其他如杜邦化工等工藝公司)，日本也如是，如IHI、三菱重工等機械公司，東芝等電氣公司，新日鐵、日本鋼管等鋼鐵公司(及其他化工、石油等工藝公司)。因為強大的專(zhuān)業(yè)，無(wú)論技術(shù)、生產(chǎn)能力或開(kāi)發(fā)才有可能最大發(fā)展，故應跳出過(guò)去工藝行業(yè)，集中組織電氣集團公司，才能和德國西門(mén)子公司、日本三菱公司、法國阿爾斯通公司、瑞典ABB公司競爭。

    我國目前電動(dòng)機裝機容量估計是6.22億kW，其用電量占全國發(fā)電量的60~70%，其中交流電動(dòng)機約占90%，是調速的主要對象。風(fēng)機、泵類(lèi)和壓縮機等總容量達2.3億kW，其用電量占全國發(fā)電量>30%，目前其流量調節90%以上仍用落后的調節擋板或閥門(mén)方式。據調查，交流電動(dòng)機的70%應該調速運行，改造率約50%、2.6億kW，若以全國發(fā)電量28344億kW-h為基數、平均節電率按20%計算，其節電潛力為400億kW-h，占全國發(fā)電量的4.4%，可相應減小發(fā)電裝機1660萬(wàn)kW，減小電力基建投資800億元以上，可減小發(fā)電用煤4000萬(wàn)t，相應減少CO2排放量約2000萬(wàn)t（煤計算），減少SO2排放量約40萬(wàn)t，按調速裝置造價(jià)和平均節電率計算，節電投資為500~2500元/ kW，僅為新建電廠(chǎng)造價(jià)的1/10~1/2.，可見(jiàn)交流調速的節電潛力和社會(huì )效益相當顯著(zhù)[4]。

參考文獻：

    [1]鋼鐵企業(yè)電力設計手冊編委會(huì )編.鋼鐵企業(yè)電力設計手冊（上下冊）[M].北京 ：冶金出版社，1996.

    [2]馬竹梧.鋼鐵工業(yè)及變頻器的應用[J].《變頻器世界》，2007(1)，A冶金《變頻器世界》行業(yè)應用專(zhuān)刊：3-4.

    [3]李崇堅.大功率電力電子技術(shù)在鋼鐵工業(yè)中的應用[J].《變頻器世界》，2007(1)，A冶金《變頻器世界》行業(yè)應用專(zhuān)刊：4-5.

    [4]周德賢.大力推廣變頻調速節能技術(shù)[J].《世界儀表與自動(dòng)化》，2007(8) ：13-16.