鋼鐵工業(yè)是材料工業(yè)，由于鋼鐵具有良好的物理和化學(xué)性能，故鋼鐵是現代工業(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。

　?。?）鋼鐵工業(yè)耗電量極大，中國電工產(chǎn)品耗電約占全國總發(fā)電量的70%，而冶金系統年耗電量約占全國發(fā)電量的9.3%左右，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至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（變頻器）。據統計使用靜止變頻調速以后，可節電1至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10,000千瓦）、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。

　　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，經(jīng)過(guò)多個(gè)階段。交流調速開(kāi)始為節能而用于風(fēng)機、水泵代替要耗能的恒速運行但調節閥門(mén)的方法，到上世紀80年代初日本川崎鋼鐵公司首先在連鑄車(chē)間全交流化，取得了良好的效果，以后，不但在連鑄車(chē)間使用，而且推及到各工序、各車(chē)間全交流化。由于由于熱軋板帶軋機要求嚴格、產(chǎn)量大（年產(chǎn)600萬(wàn)噸以上），稍有故障或性能達不到要求，損失就很大,故直到數字控制技術(shù)和矢量控制技術(shù)完全實(shí)用化（矢量控制的電動(dòng)機軸上裝有脈沖發(fā)生器，并以此進(jìn)行速度反饋構成閉環(huán)系統，用數字控制方式進(jìn)行速度控制或力矩控制，因而調速范圍寬，調速精度高，動(dòng)態(tài)性能已達到直流調速。而vvvf控制為開(kāi)環(huán)系統，按照電壓／頻率（v/f）一定，用模擬技術(shù)進(jìn)行控制，因而調速范圍小，約為1:40，調速精度受限制，動(dòng)態(tài)性能不如直流調速，尤其是小容量、低速情況下不理想），才為熱軋板帶軋鋼廠(chǎng)軋機主傳動(dòng)交流化創(chuàng )造基礎，但開(kāi)始仍只限于在要求沒(méi)有串列的精軋機嚴格的粗軋機，然后經(jīng)過(guò)試驗和多年后才用于精軋機。

　　要求嚴格、技術(shù)復雜和產(chǎn)量大的熱軋板帶軋機工廠(chǎng)實(shí)現全交流化，事實(shí)上鋼鐵工業(yè)全交流化就已實(shí)現，冷板帶連軋機、中厚板軋機、線(xiàn)棒軋機、型鋼軋機、鋼管軋機包括主、輔傳動(dòng)都相繼使用交流變頻調速。

　　直接連接（非高—低—高變換）式的高壓交流變頻調速裝置的研制成功，使那些需要調速6kv的高壓電動(dòng)機，如礦井提升機也得到解決。由于傳動(dòng)裝置和變頻裝置是工業(yè)控制的基礎環(huán)節，在cims系統六級結構中屬于l1級，要實(shí)現全線(xiàn)或部分自動(dòng)化，需要與plc或工業(yè)控制器相連，也開(kāi)發(fā)了“傳動(dòng)—plc一體化”，它一般通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)相連。

　　交流調速及變頻器實(shí)際應用中要注意的幾個(gè)問(wèn)題。變頻裝置主要分為交—直—交變頻和交—交變頻兩大類(lèi)，交—直—交變頻又可分為電壓型和電流型兩大類(lèi)，交—交變頻多為電壓型，也有少量使用電流型。變頻控制方式分為電壓型、電流型、脈沖寬度調制型等。其主回路的拓撲、控制策略都有多種方式可以選擇，如功率器件有scr（晶閘管，thyristor）、gto（門(mén)極關(guān)斷晶閘管，gateturn-offthyristor）、igbt（絕緣柵雙極晶體管，insulated-gatebipolartransistor）、igct（集成門(mén)極換流晶閘管，integratedgateco毫米u(yù)tatedthyristor，是一種新型半導體功率器件，在gto的基礎發(fā)展起來(lái)的）等；主回路的拓撲結構可選擇兩電平、三電平、負載換相式scr電流型變頻器等，控制策略可選擇v/f控制、矢量控制、直接轉矩控制、脈沖寬度調制（pwm）或脈沖幅度調制（pam）等；電壓也有高壓（3至6kv，主要是大容量的同步或異步電動(dòng)機）、中壓或抵壓（如一般的小功率380v和軋鋼輔傳動(dòng)的電動(dòng)機）等。此外，變頻調速還有變極調速，無(wú)級調速還有矢量控制方式、變壓變頻（vvvf）控制方式等，價(jià)格極為不同，如何選擇是一大問(wèn)題。表3示出了中國寶鋼從日本引進(jìn)的于1989年投產(chǎn)的1900毫米板坯連鑄全交流方式。從表中可以看出，變頻調速采用變極、vvvf和矢量變換控制三種方式，在調速要求不需無(wú)級的只須有限變速的采用變極控制方式，要求速度控制不嚴格的如輥道速度控制采用變壓變頻（vvvf）方式，要求速度控制嚴格的才采用矢量變換控制方式，這樣目的是節約投資和簡(jiǎn)化維護，這種按工藝要求選擇變頻器的方法可作為為其他車(chē)間交流化作為準則，如燒結的全交流化，其配料的變頻器采用vvvf方式，臺車(chē)采用矢量變換控制方式。

　　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1,000千瓦以下的電動(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。
　
　　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2,050毫米熱連軋r2、包鋼1,150毫米初軋機、鞍鋼1,150毫米初軋機到“十一五”建設的寶鋼1,880毫米熱連軋。

　　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100,000千瓦，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15噸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和完全設計和制造國產(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號6/350活套拉絲機變頻調速系統（pwm逆變器），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)直徑500毫米窄帶熱連軋主傳動(dòng)650千瓦交流電動(dòng)機上。1993年制成第一套國產(chǎn)的2,500千瓦交—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、全數字化和產(chǎn)業(yè)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4,000千瓦交—交變頻調速系統，并用于重鋼五廠(chǎng)2,450毫米中板軋機；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乘4,200千瓦主電機交—交變頻調速系統；2004年投產(chǎn)的勝利油田臨盤(pán)采油廠(chǎng)560千瓦注水泵電動(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，例如冶金自動(dòng)化研究設計院的交—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（4,000千瓦），大功率交—交變頻裝置已為國內提供208套，容量共2,000mw，占全國首位。該院還在交—交變頻調速系統有所突破：

（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7,500千瓦的igct變流器，完成了3600千瓦同步電機的工業(yè)試驗。

并研發(fā)電子控制器。

　　在產(chǎn)業(yè)化方面也是效果顯著(zhù)。除了低壓、中小容量的變頻調速系統及其相關(guān)元器件已系列化、產(chǎn)品化和商品化以外，高壓直接變頻調速系統及裝置夜已有多家公司系列化、產(chǎn)品化。

　　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2,500千瓦交—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gtr、gto，更不用說(shuō)igbt、igct了，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，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)，并希望國家能擇優(yōu)和考慮有效投資?，F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，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，我們應該效仿，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)，只能是國家大力和有效投資研發(fā)和生產(chǎn)電力電子器件，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，如德國西門(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（或其他化工、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（或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（或其他化工、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。中國目前電動(dòng)機裝機容量估計是6.22億千瓦，其用電量占全國發(fā)電量的60至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2.3億千瓦，其用電量占全國發(fā)電量大于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%、2.6億千瓦，若以全國發(fā)電量28,344億千瓦小時(shí)為基數、平均節電率按20%計算，其節電潛力為400億千瓦小時(shí)，占全國發(fā)電量的4.4%，可相應減小發(fā)電裝機1,660萬(wàn)千瓦，減小電力基建投資800億元以上，可減小發(fā)電用煤4,000萬(wàn)噸，相應減少co2排放量約2,000萬(wàn)噸（煤計算），減少二氧化硫排放量約40萬(wàn)噸，按調速裝置造價(jià)和平均節電率計算，節電投資為500至2,500元/千瓦，僅為新建電廠(chǎng)造價(jià)的1/10至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)。