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    馬竹梧（1931—）
男，廣東廣州人，教授級(jí)高級(jí)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、院總工程師，現(xiàn)為中國鋼鐵協(xié)會(huì)信息化自動(dòng)化推進(jìn)中心顧問，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)專家咨詢委員會(huì)委員。
所獲獎(jiǎng)項(xiàng)：
1978年全國科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)2項(xiàng)。
國家級(jí)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。
冶金工業(yè)部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，不分等科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)3項(xiàng)，專利4項(xiàng)。
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）。
著作有：已出版著書9本（其中合著7本，獨(dú)著2本），已交稿即將出版書本3本（包括ASEA“冶金自動(dòng)化”及“冶金自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)”），翻譯已出版英、俄、日文書4本。

1 鋼鐵工業(yè)流程及交流調(diào)速

    鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣，發(fā)展最快的金屬材料，是建筑、汽車、鐵路、航運(yùn)、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(jié)或球團(tuán)，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(zhuǎn)爐或電爐煉成鋼，鑄成錠以后，經(jīng)各式軋機(jī)軋成板材、管材、型材和線材等，生產(chǎn)過程十分復(fù)雜，規(guī)模大，設(shè)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(jié)球團(tuán)和焦化-高爐-轉(zhuǎn)爐-軋機(jī)流程、直接還原或熔融還原或廢鋼-電爐-軋機(jī)流程。前者稱為長流程，后者稱為短流程。兩者都是由一系列分廠或車間組成的鋼鐵總廠。

    由于下列原因：

    （1）鋼鐵工業(yè)耗電量極大，我國冶金系統(tǒng)年耗電量約占全國發(fā)電量的9.3%左右[1]，驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)占很大一部分，其中要求調(diào)速的占80%以上(據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼鐵工業(yè)要求調(diào)速的電動(dòng)機(jī)從數(shù)量上說約為20%，而容量上說卻占80%)，故其有效操作和節(jié)能降耗是至關(guān)重要的。

    （2）鋼鐵工業(yè)產(chǎn)量大、經(jīng)濟(jì)效益大，要求作業(yè)率高。如板帶熱連軋廠年產(chǎn)量大都超過600萬噸，稍有故障停車，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(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，由于許多要求調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械對電氣控制系統(tǒng)有一定的要求，如調(diào)速范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、靜差度等，過去直流電動(dòng)機(jī)一直占主導(dǎo)地位，但直流電動(dòng)機(jī)有一系列缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)上有換向器及電刷使日常維護(hù)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所、與同容量交流電動(dòng)機(jī)比體積和重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都較大、價(jià)格也較高、效率比交流電動(dòng)機(jī)低2~3%等，交流電動(dòng)機(jī)則無直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，維護(hù)量較少，作業(yè)率較高。特別是近十多年隨著電力電子和微電子技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)代控制理論應(yīng)用，使交流調(diào)速迅速發(fā)展，其調(diào)速特性與直流調(diào)速性能完全一樣甚至超過，完全可代替直流電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)。

    （3）變頻調(diào)速經(jīng)濟(jì)效益高。交流調(diào)速有多種方法（異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，液力耦合器調(diào)速、機(jī)械差動(dòng)調(diào)速、變頻調(diào)速等），但主流是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的變頻電源有旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組和靜止變頻裝置。前者由異步或同步電動(dòng)機(jī)-直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)-同步發(fā)電機(jī)兩套機(jī)組組成。后者則由電力電子器件和微電子器件組成，無可動(dòng)部分。由于旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組設(shè)備龐大、有可動(dòng)部分、維護(hù)量大、效率低和性能差，故已被靜止變頻裝置代替?，F(xiàn)在所指的變頻調(diào)速是指靜止變頻調(diào)速裝置)。據(jù)統(tǒng)計(jì)使用靜止變頻調(diào)速以后，可節(jié)電1~3%。

    因此交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和變頻調(diào)速在鋼鐵廠已廣泛應(yīng)用，特別是新建的機(jī)組，甚至大功率（單機(jī)達(dá)10000kW）、要求嚴(yán)格的帶鋼熱連軋機(jī)也使用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流調(diào)速。

2 交流調(diào)速及變頻器在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)展

    變頻調(diào)速在鋼鐵工業(yè)的應(yīng)用，大致如表1所示，經(jīng)過多個(gè)階段。

    表1  交流變頻調(diào)速在鋼鐵工業(yè)的進(jìn)展：

    表2  板帶熱連軋機(jī)使用交流變頻調(diào)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(dāng)參照其業(yè)績及在類似或同樣機(jī)組使用情況和經(jīng)驗(yàn)與效果。

    變頻所用電動(dòng)機(jī)也需注意，一般1000kW以下的電動(dòng)機(jī)，采用異步電動(dòng)機(jī)性能價(jià)格比較好，對于容量較大的可采用同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)一般采用線繞電機(jī)，而容量較小的電動(dòng)機(jī)一般采用鼠籠電機(jī)。由于傳動(dòng)控制系統(tǒng)一般采用PWM變頻器，故電機(jī)也須特殊設(shè)計(jì)，以滿足PWM變頻調(diào)速的要求（按不同機(jī)組情況，包括允許過載%、過載時(shí)間、工作制、絕緣等級(jí)、保護(hù)等級(jí)、額定電壓等）。

    一般來說，還須考慮電源污染對電網(wǎng)造成的影響問題，特別對容量特大并使用交-交變頻裝置的場合，考慮裝設(shè)無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置(SVC)是要認(rèn)真考慮的.

5 交流調(diào)速及變頻器國產(chǎn)化與產(chǎn)業(yè)化

    交流變頻調(diào)速裝置在鋼鐵工業(yè)占重要地位，無論從生產(chǎn)需要或經(jīng)濟(jì)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(jī)、鞍鋼1150mm初軋機(jī)到“十一五”建設(shè)的寶鋼1880mm熱連軋。這需要花大量外匯和資金，據(jù)統(tǒng)計(jì)，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)大型板帶熱連軋廠主傳動(dòng)可達(dá)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)鍵問題。

    國內(nèi)許多單位，如天津電氣傳動(dòng)研究設(shè)計(jì)所、冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院(前身為冶金部自動(dòng)化研究院)等遠(yuǎn)在上世紀(jì)70年代末，就已致力于交流變頻調(diào)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(jì)70年代末至1985年。開始從事交流調(diào)速研究及工業(yè)試驗(yàn)與應(yīng)用，并在實(shí)用化取得初步成績，例如1983年研制成功線繞型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)雙饋?zhàn)冾l調(diào)速裝置并在15T冷拔機(jī)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(diào)速機(jī)理、特性與工業(yè)應(yīng)用以及數(shù)字調(diào)節(jié)器等，同時(shí)引進(jìn)單體變頻器自行設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以后又自行設(shè)計(jì)和制造的國產(chǎn)化和具有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)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)湘鋼金屬制品分廠的24#6/350活套拉絲機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)（引進(jìn)日本富士PWM逆變器），以后自行設(shè)計(jì)和制造，1988年10月成功地投產(chǎn)軋鋼廠輥道控制的電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)和裝置。1993年2月制成大功率交交變頻矢量控制的雙饋?zhàn)冾l調(diào)速裝置，并用于首鋼帶鋼廠φ500mm窄帶熱連軋主傳動(dòng)650kW交流電動(dòng)機(jī)上。1993年制成第一套國產(chǎn)的2500kW交交變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(獲冶金科技進(jìn)步一等獎(jiǎng))，并用于包鋼軌梁廠850型鋼軋機(jī)。

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

    在這階段交交變頻調(diào)速系統(tǒng)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(diào)速技術(shù)與在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用規(guī)模已超過美國GE、法國Alston、意大利Ansaldo，達(dá)到Siemens、Toshiba、ABB的世界先進(jìn)水平。各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)與國外Siemens、Toshiba相同，達(dá)到國際先進(jìn)水平；該院交交變頻占國產(chǎn)化市場的80％左右，單機(jī)功率也最大(4000kW)，大功率交交變頻裝置已為國內(nèi)提供208套，容量共2000MW，占全國首位。該院還在交交變頻調(diào)速系統(tǒng)有所突破，表現(xiàn)為：① 提出同步電機(jī)磁場定向控制理論與方法，阻尼磁鏈定向發(fā)明專利，提高了交交變頻系統(tǒng)的技術(shù)性能；② 提出電機(jī)、電網(wǎng)、系統(tǒng)一體化理論與仿真，解決了大型交流調(diào)速對電網(wǎng)影響問題；③ 研制了現(xiàn)代控制理論的負(fù)荷觀測器，解決了熱連軋機(jī)電振蕩問題；④ 建立了交交變頻工程設(shè)計(jì)與調(diào)試方法，使工程規(guī)范化，推廣應(yīng)用規(guī)?；?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(jī)達(dá)到20MW；⑥ 樹立了國產(chǎn)化樣板，第一套熱連軋交流調(diào)速，第一套礦井提升機(jī)交流傳動(dòng)；⑦在863項(xiàng)目支持下，研制成功7500kW的IGCT變流器，完成了3600kW同步電機(jī)的工業(yè)試驗(yàn)。并研發(fā)電子控制器。

6 國產(chǎn)化的問題與展望

    國產(chǎn)化近年來取得很大的成功和重大的經(jīng)濟(jì)效益，包括國內(nèi)許多公司開發(fā)的高壓直接變頻調(diào)速系統(tǒng)，但如果冷靜地分析一下，國內(nèi)大多數(shù)公司和單位，大多是設(shè)計(jì)主回路，而核心技術(shù)如數(shù)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子公司生產(chǎn)(實(shí)際上完全國產(chǎn)化的大功率變頻系統(tǒng)只有模擬式控制系統(tǒng)，如包鋼軌梁廠850型鋼軋機(jī)的2500kW交交變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng))，電力電子器件則只有晶閘管國內(nèi)可生產(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(nèi)交交變頻之所以得到蓬勃發(fā)展，主要依托國內(nèi)多年的晶閘管生產(chǎn)技術(shù)和較便宜的價(jià)格。無可置疑，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I(xiàn)GBT、IGCT等電力電子器件依靠國外而使交直交變頻發(fā)展較慢。但要開發(fā)和生產(chǎn)IGBT、IGCT等電力電子器件要投入財(cái)力物力太大，一個(gè)單位難以負(fù)擔(dān)，需要國家大力投資研發(fā)和生產(chǎn)。

    現(xiàn)在國內(nèi)電氣公司越來越多，分出來也越來越多，原因是傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)效益大，設(shè)計(jì)主回路，外購電子控制器和電力電子器件，然后組裝、調(diào)試，已越來越多人掌握，辦個(gè)組裝車間也非難事，但人力分散，研發(fā)和基礎(chǔ)工作——電子控制器和電力電子器件卻很少人也無力致力于研發(fā)和生產(chǎn)。當(dāng)今合并組成大型集團(tuán)公司是世界也是國內(nèi)趨向，我們應(yīng)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，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(yīng)把有影響的電氣傳動(dòng)公司和電力電子器公司及著名的研究院所合并成大型的集團(tuán)公司，才足以有此財(cái)力和人力，來進(jìn)一步發(fā)展交流變頻調(diào)速技術(shù)，并和國際著名公司（如西門子公司）等競爭，化進(jìn)口為出口。

    目前集團(tuán)公司有些不問專業(yè)而以工藝行業(yè)進(jìn)行合并，例如冶金系統(tǒng)的自動(dòng)化專業(yè)的研究院與工藝方面的研究院合并而成鋼鐵集團(tuán)公司，看上去似乎合理，但實(shí)質(zhì)上是過去冶金部、煤炭部、化工部等小而全方式，這樣很難有大的發(fā)展，反觀國外，大都是專業(yè)合并，三足鼎立——機(jī)械設(shè)備、電氣、工藝，如德國德馬克等機(jī)械公司、西門子等電氣公司、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(jī)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(jī)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?yàn)閺?qiáng)大的專業(yè)，無論技術(shù)、生產(chǎn)能力或開發(fā)才有可能最大發(fā)展，故應(yīng)跳出過去工藝行業(yè)，集中組織電氣集團(tuán)公司，才能和德國西門子公司、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(jī)裝機(jī)容量估計(jì)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(jī)約占90%，是調(diào)速的主要對象。風(fēng)機(jī)、泵類和壓縮機(jī)等總?cè)萘窟_(dá)2.3億kW，其用電量占全國發(fā)電量>30%，目前其流量調(diào)節(jié)90%以上仍用落后的調(diào)節(jié)擋板或閥門方式。據(jù)調(diào)查，交流電動(dòng)機(jī)的70%應(yīng)該調(diào)速運(yùn)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(shù)、平均節(jié)電率按20%計(jì)算，其節(jié)電潛力為400億kW-h，占全國發(fā)電量的4.4%，可相應(yīng)減小發(fā)電裝機(jī)1660萬kW，減小電力基建投資800億元以上，可減小發(fā)電用煤4000萬t，相應(yīng)減少CO2排放量約2000萬t（煤計(jì)算），減少SO2排放量約40萬t，按調(diào)速裝置造價(jià)和平均節(jié)電率計(jì)算，節(jié)電投資為500~2500元/ kW，僅為新建電廠造價(jià)的1/10~1/2.，可見交流調(diào)速的節(jié)電潛力和社會(huì)效益相當(dāng)顯著[4]。

參考文獻(xiàn)：

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    [3]李崇堅(jiān).大功率電力電子技術(shù)在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用[J].《變頻器世界》，2007(1)，A冶金《變頻器世界》行業(yè)應(yīng)用?？?-5.

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