馬竹梧（1931—）
男，廣東廣州人，教授級高級工程師，冶金部勞動模范，1978全國科學大會先進工作者，原冶金部自動化研究院副院長、院總工程師，現為中國鋼鐵協會信息化自動化推進中心顧問，中國自動化學會專家咨詢委員會委員。
所獲獎項：
1978年全國科學大會獎2項。
國家級科學技術進步一等獎1項。
冶金工業部科學技術進步一等獎1項，二等獎2項，不分等科學技術獎3項，專利4項。
發表科學技術論文100多篇，其中5篇被選參加國際會議（包括被選參加IFAC成立及在莫斯科第一屆學術會議）。
著作有：已出版著書9本（其中合著7本，獨著2本），已交稿即將出版書本3本（包括ASEA“冶金自動化”及“冶金自動化工程設計”），翻譯已出版英、俄、日文書4本。

1 鋼鐵工業流程及交流調速

    鋼鐵是現代工業中應用最廣，發展最快的金屬材料，是建筑、汽車、鐵路、航運、電器、電力、食品等工業不可缺少的材料。

    鋼鐵企業是由一系列工廠組成，是聯合企業型式，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，經高爐煉成生鐵，再由轉爐或電爐煉成鋼，鑄成錠以后，經各式軋機軋成板材、管材、型材和線材等，生產過程十分復雜，規模大，設備極其不同。由礦石到鋼材的生產有多種流程，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）鋼鐵工業耗電量極大，我國冶金系統年耗電量約占全國發電量的9.3%左右[1]，驅動的電動機占很大一部分，其中要求調速的占80%以上(據統計，鋼鐵工業要求調速的電動機從數量上說約為20%，而容量上說卻占80%)，故其有效操作和節能降耗是至關重要的。

    （2）鋼鐵工業產量大、經濟效益大，要求作業率高。如板帶熱連軋廠年產量大都超過600萬噸，稍有故障停車，損失就很大，故提高作業率極為重要。鋼鐵企業使用的電動機有直流電動機和交流電動機，由于許多要求調速的生產機械對電氣控制系統有一定的要求，如調速范圍、動態響應、靜差度等，過去直流電動機一直占主導地位，但直流電動機有一系列缺點，如結構上有換向器及電刷使日常維護量增加、電刷與整流子經常產生火花而要求安裝環境較好及不能用于易燃易爆場所、與同容量交流電動機比體積和重量及轉動慣量都較大、價格也較高、效率比交流電動機低2~3%等，交流電動機則無直流電動機的缺點，維護量較少，作業率較高。特別是近十多年隨著電力電子和微電子技術發展及現代控制理論應用，使交流調速迅速發展，其調速特性與直流調速性能完全一樣甚至超過，完全可代替直流電動機及其調速系統。

    （3）變頻調速經濟效益高。交流調速有多種方法（異步電動機的變極調速、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機-直流發電機和直流電動機-同步發電機兩套機組組成。后者則由電力電子器件和微電子器件組成，無可動部分。由于旋轉變頻機組設備龐大、有可動部分、維護量大、效率低和性能差，故已被靜止變頻裝置代替。現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%。

    因此交流電動機驅動和變頻調速在鋼鐵廠已廣泛應用，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機驅動和交流調速。

2 交流調速及變頻器在鋼鐵工業應用的進展

    變頻調速在鋼鐵工業的應用，大致如表1所示，經過多個階段。

    表1  交流變頻調速在鋼鐵工業的進展：

    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，國外電氣公司都已產業化了，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各種容量、不同電壓的通用變頻器可供選用，選擇時可適當參照其業績及在類似或同樣機組使用情況和經驗與效果。

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

    一般來說，還須考慮電源污染對電網造成的影響問題，特別對容量特大并使用交-交變頻裝置的場合，考慮裝設無功動態補償裝置(SVC)是要認真考慮的.

5 交流調速及變頻器國產化與產業化

    交流變頻調速裝置在鋼鐵工業占重要地位，無論從生產需要或經濟效益，其重要性是不言而喻。但大多是引進，特別是大功率的軋鋼主傳動，從早期引進的寶鋼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，國產的交-交變頻器，價格約為500元RMB/KVA(不包括整流變壓器)，而引進約為1.5倍國產價格，而一個大型板帶熱連軋廠主傳動可達100,000kW，因此國產化、產業化和可靠性以及有所創造是關鍵問題。

    國內許多單位，如天津電氣傳動研究設計所、冶金自動化研究設計院(前身為冶金部自動化研究院)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化與實用化工作。大概可分為三個階段。

    第一階段為上世紀70年代末至1985年。開始從事交流調速研究及工業試驗與應用，并在實用化取得初步成績，例如1983年研制成功線繞型感應電動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、特性與工業應用以及數字調節器等，同時引進單體變頻器自行設計系統，以后又自行設計和制造的國產化和具有自己知識產權的交流變頻調速系統和裝置，其中典型的是冶金部自動化研究院的1988年4月成功地投產湘鋼金屬制品分廠的24#6/350活套拉絲機變頻調速系統（引進日本富士PWM逆變器），以后自行設計和制造，1988年10月成功地投產軋鋼廠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φ500mm窄帶熱連軋主傳動650kW交流電動機上。1993年制成第一套國產的2500kW交交變頻同步電動機調速系統(獲冶金科技進步一等獎)，并用于包鋼軌梁廠850型鋼軋機。

    第三階段為1993年至現在。其特點是現代化、高性能化、全數字化，并大力應用于實際工業現場中。在鋼鐵工業中代表是1996年制成第一套國產的全數字的4000kW交交變頻調速系統，并用于重鋼五廠2450mm中板軋機；1999年制成第一套國產的雙機傳動的交交變頻調速系統，并用于武鋼軋板廠中板軋機；2000年制成第一套熱連軋機傳動的交交變頻調速系統，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字交交變頻主井提升裝置。此外，2003年投產的營口中板廠精軋機2×4200kW主電機交交變頻調速系統；2004年投產的勝利油田臨盤采油廠560kW注水泵電動機的高壓直接變頻調速系統(交-直-交方式，H橋串聯式)以及多套棒線軋機主輔傳動交流變頻調速系統都是國產化例子。

    在這階段交交變頻調速系統有較大的發展，例如冶金部自動化研究院的交交變頻調速技術與在鋼鐵工業應用規模已超過美國GE、法國Alston、意大利Ansaldo，達到Siemens、Toshiba、ABB的世界先進水平。各項技術性能指標與國外Siemens、Toshiba相同，達到國際先進水平；該院交交變頻占國產化市場的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 提出同步電機磁場定向控制理論與方法，阻尼磁鏈定向發明專利，提高了交交變頻系統的技術性能；② 提出電機、電網、系統一體化理論與仿真，解決了大型交流調速對電網影響問題；③ 研制了現代控制理論的負荷觀測器，解決了熱連軋機電振蕩問題；④ 建立了交交變頻工程設計與調試方法，使工程規范化，推廣應用規模化;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 樹立了國產化樣板，第一套熱連軋交流調速，第一套礦井提升機交流傳動；⑦在863項目支持下，研制成功7500kW的IGCT變流器，完成了3600kW同步電機的工業試驗。并研發電子控制器。

6 國產化的問題與展望

    國產化近年來取得很大的成功和重大的經濟效益，包括國內許多公司開發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子公司生產(實際上完全國產化的大功率變頻系統只有模擬式控制系統，如包鋼軌梁廠850型鋼軋機的2500kW交交變頻同步電動機調速系統)，電力電子器件則只有晶閘管國內可生產，而第三代可關斷電力電子器件，包括IGBT、IGCT等，全部進口，國內交交變頻之所以得到蓬勃發展，主要依托國內多年的晶閘管生產技術和較便宜的價格。無可置疑，交直交變頻特別對電源污染方面都是優于交交變頻方式(從表3已經看出其趨向)，但IGBT、IGCT等電力電子器件依靠國外而使交直交變頻發展較慢。但要開發和生產IGBT、IGCT等電力電子器件要投入財力物力太大，一個單位難以負擔，需要國家大力投資研發和生產。

    現在國內電氣公司越來越多，分出來也越來越多，原因是傳動調速系統，經濟效益大，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，已越來越多人掌握，辦個組裝車間也非難事，但人力分散，研發和基礎工作——電子控制器和電力電子器件卻很少人也無力致力于研發和生產。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和生產電力電子器件，還應把有影響的電氣傳動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公司，才足以有此財力和人力，來進一步發展交流變頻調速技術，并和國際著名公司（如西門子公司）等競爭，化進口為出口。

    目前集團公司有些不問專業而以工藝行業進行合并，例如冶金系統的自動化專業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，但實質上是過去冶金部、煤炭部、化工部等小而全方式，這樣很難有大的發展，反觀國外，大都是專業合并，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)。因為強大的專業，無論技術、生產能力或開發才有可能最大發展，故應跳出過去工藝行業，集中組織電氣集團公司，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。

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

參考文獻：

    [1]鋼鐵企業電力設計手冊編委會編.鋼鐵企業電力設計手冊（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》行業應用專刊：3-4.

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

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