摘 要:介紹了高壓變頻裝置的結(jié)構(gòu)以及節(jié)能原理，描述了高壓變頻器在馬鋼的應(yīng)用情況，通過(guò)變頻調(diào)速改造，達(dá)到節(jié)能的目的。 關(guān)鍵詞:高壓變頻器；結(jié)構(gòu)；節(jié)能；原理

Application of IIigh Power Frequency Converter with mgh Voltagein Maanshan Iron & Steel Co．．Ltd．

（Equipment Department,Maanshan Iron& Steel（ ．，Ltd．，Maanshan,Anhui 243000,China） Abstract:Structure and principle of energy saving of high voltage frequency converterare presented and application status of the frequency converter in Maanshan Iron & Steel Co．．Ltd．is described．Through reconstruction of frequency speed control，it reaches the aim of energysaving． Key words:high voltage frequency converter structure；energy saving；principl 1 前言 　　風(fēng)機(jī)、水泵類設(shè)備是鋼鐵生產(chǎn)行業(yè)的耗電大戶，目前主要的控制方式是采用液力耦合器調(diào)速，或通過(guò)閥門來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量和水量；根據(jù)風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載特性，其中蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能空間；通過(guò)高壓大功率變頻調(diào)速方案的實(shí)施，將會(huì)產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)降低噸鋼耗水電指標(biāo)，節(jié)能降耗起到積極的推動(dòng)作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及IGBT等功率器件的飛速發(fā)展，高壓大功率變頻器產(chǎn)品已日漸成熟，在國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)、水泵等場(chǎng)合的節(jié)能應(yīng)用上得到了廣泛的推廣，但是對(duì)于不同的工況條件，節(jié)能效果上差別很大，不能盲目推廣投運(yùn)，必須對(duì)使用條件和現(xiàn)場(chǎng)工況作細(xì)致的研究。 [b]2 高壓變頻器工作原理及特點(diǎn) 2．1 高壓變頻器的主要流派[/b] 　　高壓大功率變頻技術(shù)的主要流派有兩種：（1）電壓源型變頻調(diào)速方案；（2）電流源型變頻調(diào)速方案；其中電壓源型變頻調(diào)速方案又分為：移相整流串聯(lián)疊加輸出技術(shù)和三電平技術(shù)?？紤]到對(duì)電網(wǎng)諧波、功率因數(shù)的要求，和普遍使用的6 kV和10 kV電壓等級(jí)，以及從安全角度出發(fā)所提出的旁路要求，同時(shí)考慮到對(duì)原有普通電機(jī)的使用，我們選擇了移相整流串聯(lián)疊加輸出技術(shù)?，F(xiàn)對(duì)此技術(shù)作一簡(jiǎn)單介紹。 2．2 移相整流串聯(lián)疊加輸出技術(shù)高壓變頻器原理 　　高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高一高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串并聯(lián)而成，由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，無(wú)須輸出變壓器，實(shí)現(xiàn)了直接3kV、6kV或10kV高壓輸出；它對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸人電流諧波畸變小于4％，直接滿足IEEE519—1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸人諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv／dt、共模電壓等問(wèn)題，不必加輸出濾波器就可以使用普通的異步電機(jī)。 　　所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個(gè)低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實(shí)現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動(dòng)。多重化技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問(wèn)題。圖1為6kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D，每組由8個(gè)額定電壓為433V的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為433V×8=3464V，所對(duì)應(yīng)的線電壓為6000V。每個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的24個(gè)二次繞組分別供電，24個(gè)二次繞組分成8組，每組之間存在一個(gè)7．5°的相位差。所需相差角度可通過(guò)變壓器的不同聯(lián)接組別來(lái)實(shí)現(xiàn)。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問(wèn)題。 　　其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置圖如圖2。 　　其系統(tǒng)工作原理如下： 　　功率單元（圖3）由移相變壓器的一組副邊供電，通過(guò)三相全橋整流器將交流輸入整流為直流?？刂撇糠滞ㄟ^(guò)冗余設(shè)計(jì)的電源板從直流母線上取電，接收主控系統(tǒng)發(fā)送的PWM信號(hào)并通過(guò)控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。 　　監(jiān)控電路實(shí)時(shí)監(jiān)控IGBT和直流母線的狀態(tài)，將狀態(tài)反饋回主控系統(tǒng)。在單元出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，主控將打開(kāi)功率單元的旁通回路，使單元進(jìn)入旁通狀態(tài)，避免整個(gè)變頻器停機(jī)。大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 　　每個(gè)單元輸出PWM波，將每相N個(gè)功率單元的輸出電壓疊加，產(chǎn)生多重化的相電壓波形，使相電壓產(chǎn)生出2N+1個(gè)電壓臺(tái)階，六個(gè)功率單元輸出的PWM波形及疊加之后的相電壓波形如圖4所示。 3 變頻調(diào)速節(jié)能原理 　　在冶金生產(chǎn)中，根據(jù)工藝要求和運(yùn)行工況的不同，需對(duì)溫度、壓力、流量等過(guò)程參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最常用的控制手段則是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開(kāi)度的大小來(lái)調(diào)整受控對(duì)象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機(jī)、水泵都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)門、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。在生產(chǎn)過(guò)程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用高居不下。 　　通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n，H∝n2，p∝n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此，通過(guò)變頻調(diào)速裝置，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)滿足運(yùn)行工況，具有極大的節(jié)能空間。例如：風(fēng)機(jī)、水泵運(yùn)行速度下降20％，功率則降為原功率的50％。 　　圖5為離心風(fēng)機(jī)水泵的風(fēng)壓、（水壓）-風(fēng)量（流量）Q曲線特性圖。 　　風(fēng)機(jī)水泵在管路特性曲R1工作時(shí)，工況點(diǎn)為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時(shí)風(fēng)機(jī)水泵所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于AH1OQ1的面積。由于工藝要求需減小風(fēng)量（流量）到Q2，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度，實(shí)際上是改變管網(wǎng)管阻，使管路特性曲線變?yōu)镽2，風(fēng)機(jī)水泵的工作點(diǎn)移到R2上的B點(diǎn)，風(fēng)壓（水壓）增大到H2，這時(shí)風(fēng)機(jī)水泵所需的功率正比H2Q2的面積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然風(fēng)機(jī)水泵所需的功率變化并不明顯。這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡(jiǎn)單，但功率消耗大、不利于節(jié)能，是以高運(yùn)行成本換取簡(jiǎn)單控制方式。 　　若采用變頻調(diào)速，風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，這時(shí)工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到C點(diǎn)，流量仍是Q2，壓力由H2降到H3，這時(shí)變頻調(diào)速后風(fēng)機(jī)（水泵）所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ3的面積，由圖5可見(jiàn)功率的減少是明顯的。 4 節(jié)能實(shí)效 　　節(jié)能型高壓變頻器在馬鋼的除塵風(fēng)機(jī)、煤氣加壓機(jī)、供排水等領(lǐng)域得到了廣泛的推廣應(yīng)用，節(jié)能效果明顯，項(xiàng)目節(jié)電率保持在20％以上，投資回收期在2～3年，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，通過(guò)對(duì)高壓變頻裝置投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行情況跟蹤，不同場(chǎng)合運(yùn)行節(jié)能實(shí)績(jī)?nèi)绫?。 5 結(jié)論 　　通過(guò)對(duì)高壓變頻節(jié)能應(yīng)用實(shí)績(jī)的跟蹤及分析，高壓變頻裝置運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能空間大；同時(shí)高壓變頻裝置的應(yīng)用，在取得較高節(jié)能效益的同時(shí)，減小了風(fēng)機(jī)、水泵裝置直接啟動(dòng)造成的設(shè)備沖擊，降低了設(shè)備維護(hù)量，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。