马竹梧（1931—）
男，广东广州人，教授级高级工程师，冶金部劳动模范，1978全国科学大会先进工作者，原冶金部自动化研究院副院长、院总工程师，现为中国钢铁协会信息化自动化推进中心顾问，中国自动化学会专家咨询委员会委员。
所获奖项：
1978年全国科学大会奖2项。
国家级科学技术进步一等奖1项。
冶金工业部科学技术进步一等奖1项，二等奖2项，不分等科学技术奖3项，专利4项。
发表科学技术论文100多篇，其中5篇被选参加国际会议（包括被选参加IFAC成立及在莫斯科第一届学术会议）。
著作有：已出版著书9本（其中合著7本，独著2本），已交稿即将出版书本3本（包括ASEA“冶金自动化”及“冶金自动化工程设计”），翻译已出版英、俄、日文书4本。

1 钢铁工业流程及交流调速

    钢铁是现代工业中应用最广，发展最快的金属材料，是建筑、汽车、铁路、航运、电器、电力、食品等工业不可缺少的材料。

    钢铁企业是由一系列工厂组成，是联合企业型式，包括采矿、选矿、然后把选得的精矿烧结或球团，造成适合于高炉所需块度的原料，经高炉炼成生铁，再由转炉或电炉炼成钢，铸成锭以后，经各式轧机轧成板材、管材、型材和线材等，生产过程十分复杂，规模大，设备极其不同。由矿石到钢材的生产有多种流程，但主要是两种流程[2]：采矿选矿-烧结球团和焦化-高炉-转炉-轧机流程、直接还原或熔融还原或废钢-电炉-轧机流程。前者称为长流程，后者称为短流程。两者都是由一系列分厂或车间组成的钢铁总厂。

    由于下列原因：

    （1）钢铁工业耗电量极大，我国冶金系统年耗电量约占全国发电量的9.3%左右[1]，驱动的电动机占很大一部分，其中要求调速的占80%以上(据统计，钢铁工业要求调速的电动机从数量上说约为20%，而容量上说却占80%)，故其有效操作和节能降耗是至关重要的。

    （2）钢铁工业产量大、经济效益大，要求作业率高。如板带热连轧厂年产量大都超过600万吨，稍有故障停车，损失就很大，故提高作业率极为重要。钢铁企业使用的电动机有直流电动机和交流电动机，由于许多要求调速的生产机械对电气控制系统有一定的要求，如调速范围、动态响应、静差度等，过去直流电动机一直占主导地位，但直流电动机有一系列缺点，如结构上有换向器及电刷使日常维护量增加、电刷与整流子经常产生火花而要求安装环境较好及不能用于易燃易爆场所、与同容量交流电动机比体积和重量及转动惯量都较大、价格也较高、效率比交流电动机低2~3%等，交流电动机则无直流电动机的缺点，维护量较少，作业率较高。特别是近十多年随着电力电子和微电子技术发展及现代控制理论应用，使交流调速迅速发展，其调速特性与直流调速性能完全一样甚至超过，完全可代替直流电动机及其调速系统。

    （3）变频调速经济效益高。交流调速有多种方法（异步电动机的变极调速、调压调速、转子串电阻调速、电磁转差离合器调速，液力耦合器调速、机械差动调速、变频调速等），但主流是变频调速。变频调速的变频电源有旋转变频机组和静止变频装置。前者由异步或同步电动机-直流发电机和直流电动机-同步发电机两套机组组成。后者则由电力电子器件和微电子器件组成，无可动部分。由于旋转变频机组设备庞大、有可动部分、维护量大、效率低和性能差，故已被静止变频装置代替。现在所指的变频调速是指静止变频调速装置)。据统计使用静止变频调速以后，可节电1~3%。

    因此交流电动机驱动和变频调速在钢铁厂已广泛应用，特别是新建的机组，甚至大功率（单机达10000kW）、要求严格的带钢热连轧机也使用交流电动机驱动和交流调速。

2 交流调速及变频器在钢铁工业应用的进展

    变频调速在钢铁工业的应用，大致如表1所示，经过多个阶段。

    表1  交流变频调速在钢铁工业的进展：

    表2  板带热连轧机使用交流变频调速情况及趋势：

    对于变频器生产，国外电气公司都已产业化了，如德国西门子、法国阿尔斯通、瑞典ABB、美国GE、意大利ANSOLDO、日本日立、日本三菱、日本安川等公司都生产各种容量、不同电压的通用变频器可供选用，选择时可适当参照其业绩及在类似或同样机组使用情况和经验与效果。

    变频所用电动机也需注意，一般1000kW以下的电动机，采用异步电动机性能价格比较好，对于容量较大的可采用同步电动机或异步电动机。异步电动机一般采用线绕电机，而容量较小的电动机一般采用鼠笼电机。由于传动控制系统一般采用PWM变频器，故电机也须特殊设计，以满足PWM变频调速的要求（按不同机组情况，包括允许过载%、过载时间、工作制、绝缘等级、保护等级、额定电压等）。

    一般来说，还须考虑电源污染对电网造成的影响问题，特别对容量特大并使用交-交变频装置的场合，考虑装设无功动态补偿装置(SVC)是要认真考虑的.

5 交流调速及变频器国产化与产业化

    交流变频调速装置在钢铁工业占重要地位，无论从生产需要或经济效益，其重要性是不言而喻。但大多是引进，特别是大功率的轧钢主传动，从早期引进的宝钢2050mm热连轧R2、包钢1150mm初轧机、鞍钢1150mm初轧机到“十一五”建设的宝钢1880mm热连轧。这需要花大量外汇和资金，据统计，国产的交-交变频器，价格约为500元RMB/KVA(不包括整流变压器)，而引进约为1.5倍国产价格，而一个大型板带热连轧厂主传动可达100,000kW，因此国产化、产业化和可靠性以及有所创造是关键问题。

    国内许多单位，如天津电气传动研究设计所、冶金自动化研究设计院(前身为冶金部自动化研究院)等远在上世纪70年代末，就已致力于交流变频调速的研究和国产化与实用化工作。大概可分为三个阶段。

    第一阶段为上世纪70年代末至1985年。开始从事交流调速研究及工业试验与应用，并在实用化取得初步成绩，例如1983年研制成功线绕型感应电动机双馈变频调速装置并在15T冷拔机组中良好使用。

    第二阶段为1985年至1993年。在这阶段是研究各种交流变频调速机理、特性与工业应用以及数字调节器等，同时引进单体变频器自行设计系统，以后又自行设计和制造的国产化和具有自己知识产权的交流变频调速系统和装置，其中典型的是冶金部自动化研究院的1988年4月成功地投产湘钢金属制品分厂的24#6/350活套拉丝机变频调速系统（引进日本富士PWM逆变器），以后自行设计和制造，1988年10月成功地投产轧钢厂辊道控制的电流型变频调速系统和装置。1993年2月制成大功率交交变频矢量控制的双馈变频调速装置，并用于首钢带钢厂φ500mm窄带热连轧主传动650kW交流电动机上。1993年制成第一套国产的2500kW交交变频同步电动机调速系统(获冶金科技进步一等奖)，并用于包钢轨梁厂850型钢轧机。

    第三阶段为1993年至现在。其特点是现代化、高性能化、全数字化，并大力应用于实际工业现场中。在钢铁工业中代表是1996年制成第一套国产的全数字的4000kW交交变频调速系统，并用于重钢五厂2450mm中板轧机；1999年制成第一套国产的双机传动的交交变频调速系统，并用于武钢轧板厂中板轧机；2000年制成第一套热连轧机传动的交交变频调速系统，并用于攀枝花钢铁公司轧板厂；2001年完成第一套特大型全数字交交变频主井提升装置。此外，2003年投产的营口中板厂精轧机2×4200kW主电机交交变频调速系统；2004年投产的胜利油田临盘采油厂560kW注水泵电动机的高压直接变频调速系统(交-直-交方式，H桥串联式)以及多套棒线轧机主辅传动交流变频调速系统都是国产化例子。

    在这阶段交交变频调速系统有较大的发展，例如冶金部自动化研究院的交交变频调速技术与在钢铁工业应用规模已超过美国GE、法国Alston、意大利Ansaldo，达到Siemens、Toshiba、ABB的世界先进水平。各项技术性能指标与国外Siemens、Toshiba相同，达到国际先进水平；该院交交变频占国产化市场的80％左右，单机功率也最大(4000kW)，大功率交交变频装置已为国内提供208套，容量共2000MW，占全国首位。该院还在交交变频调速系统有所突破，表现为：① 提出同步电机磁场定向控制理论与方法，阻尼磁链定向发明专利，提高了交交变频系统的技术性能；② 提出电机、电网、系统一体化理论与仿真，解决了大型交流调速对电网影响问题；③ 研制了现代控制理论的负荷观测器，解决了热连轧机电振荡问题；④ 建立了交交变频工程设计与调试方法，使工程规范化，推广应用规模化;⑤ 研制成功4英寸大功率晶闸管及大功率变流装置，功率全范围覆盖，单机达到20MW；⑥ 树立了国产化样板，第一套热连轧交流调速，第一套矿井提升机交流传动；⑦在863项目支持下，研制成功7500kW的IGCT变流器，完成了3600kW同步电机的工业试验。并研发电子控制器。

6 国产化的问题与展望

    国产化近年来取得很大的成功和重大的经济效益，包括国内许多公司开发的高压直接变频调速系统，但如果冷静地分析一下，国内大多数公司和单位，大多是设计主回路，而核心技术如数字式的电子控制器和电力电子器件都是外购，其中电子控制器都是外国公司如西门子公司生产(实际上完全国产化的大功率变频系统只有模拟式控制系统，如包钢轨梁厂850型钢轧机的2500kW交交变频同步电动机调速系统)，电力电子器件则只有晶闸管国内可生产，而第三代可关断电力电子器件，包括IGBT、IGCT等，全部进口，国内交交变频之所以得到蓬勃发展，主要依托国内多年的晶闸管生产技术和较便宜的价格。无可置疑，交直交变频特别对电源污染方面都是优于交交变频方式(从表3已经看出其趋向)，但IGBT、IGCT等电力电子器件依靠国外而使交直交变频发展较慢。但要开发和生产IGBT、IGCT等电力电子器件要投入财力物力太大，一个单位难以负担，需要国家大力投资研发和生产。

    现在国内电气公司越来越多，分出来也越来越多，原因是传动调速系统，经济效益大，设计主回路，外购电子控制器和电力电子器件，然后组装、调试，已越来越多人掌握，办个组装车间也非难事，但人力分散，研发和基础工作——电子控制器和电力电子器件却很少人也无力致力于研发和生产。当今合并组成大型集团公司是世界也是国内趋向，我们应效仿，这样才能更有力量和利于发展并和西方大电气公司竞争。目前只批判“短视行为”不足以解决，看来，除了国家大力和有效投资研发和生产电力电子器件，还应把有影响的电气传动公司和电力电子器公司及著名的研究院所合并成大型的集团公司，才足以有此财力和人力，来进一步发展交流变频调速技术，并和国际著名公司（如西门子公司）等竞争，化进口为出口。

    目前集团公司有些不问专业而以工艺行业进行合并，例如冶金系统的自动化专业的研究院与工艺方面的研究院合并而成钢铁集团公司，看上去似乎合理，但实质上是过去冶金部、煤炭部、化工部等小而全方式，这样很难有大的发展，反观国外，大都是专业合并，三足鼎立——机械设备、电气、工艺，如德国德马克等机械公司、西门子等电气公司、蒂森等钢铁公司(及其他化工、轻工等工艺公司)，美国也如是，如Wean-United等机械公司、GE等电气公司、美钢联等钢铁公司(及其他如杜邦化工等工艺公司)，日本也如是，如IHI、三菱重工等机械公司，东芝等电气公司，新日铁、日本钢管等钢铁公司(及其他化工、石油等工艺公司)。因为强大的专业，无论技术、生产能力或开发才有可能最大发展，故应跳出过去工艺行业，集中组织电气集团公司，才能和德国西门子公司、日本三菱公司、法国阿尔斯通公司、瑞典ABB公司竞争。

    我国目前电动机装机容量估计是6.22亿kW，其用电量占全国发电量的60~70%，其中交流电动机约占90%，是调速的主要对象。风机、泵类和压缩机等总容量达2.3亿kW，其用电量占全国发电量>30%，目前其流量调节90%以上仍用落后的调节挡板或阀门方式。据调查，交流电动机的70%应该调速运行，改造率约50%、2.6亿kW，若以全国发电量28344亿kW-h为基数、平均节电率按20%计算，其节电潜力为400亿kW-h，占全国发电量的4.4%，可相应减小发电装机1660万kW，减小电力基建投资800亿元以上，可减小发电用煤4000万t，相应减少CO2排放量约2000万t（煤计算），减少SO2排放量约40万t，按调速装置造价和平均节电率计算，节电投资为500~2500元/ kW，仅为新建电厂造价的1/10~1/2.，可见交流调速的节电潜力和社会效益相当显著[4]。

参考文献：

    [1]钢铁企业电力设计手册编委会编.钢铁企业电力设计手册（上下册）[M].北京 ：冶金出版社，1996.

    [2]马竹梧.钢铁工业及变频器的应用[J].《变频器世界》，2007(1)，A冶金《变频器世界》行业应用专刊：3-4.

    [3]李崇坚.大功率电力电子技术在钢铁工业中的应用[J].《变频器世界》，2007(1)，A冶金《变频器世界》行业应用专刊：4-5.

    [4]周德贤.大力推广变频调速节能技术[J].《世界仪表与自动化》，2007(8) ：13-16.