1、引言 韶關(guān)冶煉廠煙化爐，是用于處理密閉鼓風(fēng)爐爐渣的爐窯設(shè)備，其主要設(shè)備主鼓風(fēng)機(jī)（型號(hào)為d210-4）是為煙化爐吹煉過程中提供高壓空氣，由一臺(tái)6kv，500kw的三相交流異步電動(dòng)機(jī)（型號(hào)為jk2500-2）拖動(dòng)。由于煙化爐吹煉作業(yè)是間歇性的，一般情況下，作業(yè)周期是120～180min，其中放渣15～20min，進(jìn)料15～40min，每天其正常作業(yè)周期內(nèi)各階段吹煉的需求風(fēng)量變化很大，過去缺乏安全、有效的手段對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，多數(shù)情況下，只能靠開、閉放空閥來調(diào)節(jié)入爐風(fēng)量，造成大量電能浪費(fèi)。因此，1998年韶關(guān)冶煉廠同長沙礦山研究院合作，共同開發(fā)研制出了采用電壓型變頻器構(gòu)成的高-低-高式高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，用于韶關(guān)冶煉廠煙化爐風(fēng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能運(yùn)行，取得了成功。 2、系統(tǒng)的方案選擇 根據(jù)本系統(tǒng)電壓等級(jí)為6kv，容量為500kw的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，可提出以下三種變頻方式: （1） 將高壓電動(dòng)機(jī)換為低壓電動(dòng)機(jī)，采用低壓變頻器，構(gòu)成“高-低”式變頻調(diào)速系統(tǒng); （2） 采用直接高壓變頻器; （3） 采用“降壓變壓器+低壓變頻器+升壓變壓器”構(gòu)成“高-低-高”式變頻調(diào)速系統(tǒng)。 第1種方案必須更換原有電動(dòng)機(jī)，增加變壓器等附屬設(shè)備，更換掉原有電動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)變化太大，不宜采用;第2種方案價(jià)格過于昂貴，對(duì)于小容量的電動(dòng)機(jī)不合算;因此本系統(tǒng)最終決定采用第3種“高-低-高”式變頻調(diào)速方案。 3、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案圖如圖1所示。 高壓（6kv）經(jīng)高壓斷路器送至降壓變壓器，根據(jù)電網(wǎng)對(duì)諧波的要求，采用的12脈沖整流，因此降壓變壓器為三繞組變壓器，它將6kv電壓分別降至400v，送至各自的6脈沖整流橋。經(jīng)過脈沖整流到達(dá)直流母線，經(jīng)預(yù)充電回路和主接觸器，再經(jīng)直流環(huán)節(jié)濾波器送至逆變器變頻變壓，為了獲得接近于正弦波的輸出電壓，本系統(tǒng)增加了正弦波濾波器，經(jīng)濾波器輸出的接近于正弦波的電壓再經(jīng)二繞組的升壓變壓器升壓后，供給高壓異步電動(dòng)機(jī)。在本變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩端，設(shè)有高壓開關(guān)切換控制柜，以實(shí)現(xiàn)高壓供電和切換。 3.1 電機(jī)的數(shù)據(jù) 電機(jī)采用原有的老電機(jī)，電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為: 沈陽電機(jī)廠 出廠:72.12 由于這是一臺(tái)1972年出產(chǎn)的老電機(jī)，已使用多年，而且是b級(jí)絕緣，絕緣等級(jí)低，對(duì)于這樣的電機(jī)，若采用電流型變頻器構(gòu)成高-低-高式高壓變頻器是難以承受的，它對(duì)變頻器調(diào)速系統(tǒng)的輸出電壓波形有嚴(yán)格的要求，否則將損壞電機(jī)。 3.2 采用三繞組變壓器和12脈沖整流 采用三繞組變壓器和12脈沖整流，將兩個(gè)橋式整流電路雙重聯(lián)結(jié)以減少諧波對(duì)電網(wǎng)的污染。降壓變壓器作為輸入變壓器，采用三繞組是為滿足12脈沖整流要求，采用分裂式結(jié)構(gòu)形式，一個(gè)高壓繞組，兩個(gè)低壓繞組，兩個(gè)低壓繞組移相30°電角度分別給兩組二極管整流橋供電，每個(gè)二級(jí)管整流橋均為三相全波整流，共產(chǎn)生的諧波可按下式計(jì)算: h=k＊p±1 式中:h—諧波次數(shù); k—自然數(shù)（1,2,3…）; p—整流橋脈沖數(shù)，本系統(tǒng)p=12。 由此可見，本系統(tǒng)僅含11、13、23、25、……次諧波，有效地消除對(duì)電網(wǎng)污染量嚴(yán)重、危害最大的5次、7次諧波等。這種12脈沖整流可使諧波含量基本符合國際gb/t14549-93《電能質(zhì)量.公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定，也符合國際ieee-519標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波的規(guī)定，同時(shí)，這種電壓型變頻器的二級(jí)管整流橋保證了在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，有不低于0.93的功率因數(shù)。 3.3 采用電壓源型變頻器 采用電壓源型變頻器，以降低變頻器價(jià)格和獲得正弦波輸出電流。本系統(tǒng)采用意大利ansaldo工業(yè)系統(tǒng)公司svtl860fn柜裝型變頻器，變頻器由三個(gè)柜體組成，分別為整流柜，逆變柜以及輔助電源柜，其電路原理如圖2所示。 （1） 整流回路 主要由兩組三相刀開關(guān)，兩組二級(jí)管整流、主接觸器、預(yù)充電回路、電壓、電流互感器等組成。系統(tǒng)初上電時(shí)預(yù)充電路閉合，通過限流電阻r給直流濾波電容預(yù)充電，避免合閘時(shí)電容上產(chǎn)生過電壓，擊穿電容。檢測(cè)到電容端電壓超過80%額定電壓時(shí)，預(yù)充電回路斷開，系統(tǒng)就緒，準(zhǔn)備接受控制指令。當(dāng)檢測(cè)到過流、欠壓、過壓、過熱等故障時(shí)，主接觸器跳閘，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，保證系統(tǒng)安全。 （2） 逆變回路 主要由igbt逆變橋、觸發(fā)單元、控制單元、操作面板、直流濾波電路等，以及其它輔助單元等組成，整流輸出的直流電經(jīng)直流濾波回路濾波后送入逆變橋，根據(jù)所輸入的控制參數(shù)由控制單元、觸發(fā)單元等，控制逆變器的輸出。 （3） 變頻器的主要技術(shù)參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù)有: 供電電壓:380v～415v ac ±10% 輸入頻率:50～60hz ±3hz 輸出頻率:0.1～480hz 過載:110%～150% 1min 控制模式:矢量控制/標(biāo)量控制 開關(guān)頻率:2～16khz 電網(wǎng)側(cè)功率因素:＞0.95 在額定功率時(shí)的效率＞0.98 防護(hù)等級(jí):ip31（標(biāo)準(zhǔn)） 標(biāo)準(zhǔn)功能:轉(zhuǎn)速/扭矩矢量控制（本系統(tǒng)采用速度控制） 加速/減速時(shí)間0.1～3000s 最大和最小頻率限制 滑差補(bǔ)償（v/hz控制） 三個(gè)跳躍頻率 跳躍頻率寬度范圍0～30hz 保護(hù)功能主要有: cpu故障 過電流 過電壓/欠電壓 過熱，電機(jī)過載: 電機(jī)失速保護(hù) 速度/扭矩4～20ma信號(hào)丟失 直流過電壓 輸出電路短路和接地保護(hù)等 （4） 采用正弦波濾波器, 以保證輸出電壓接近于正弦波 為了減少變頻器輸出電壓的諧波含量，采用pwm脈沖寬度調(diào)制的控制方式，即逆變器的輸出為一組高頻方波，它近似地代替正弦波，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來控制輸出電壓的大小，而且調(diào)制頻率越高，諧波含量越小，du/dt則隨著調(diào)制頻率的升高而增大。若直接將逆變器的輸出電壓（見圖3）送至輸出變壓器升壓，則輸出變壓器的波形將產(chǎn)生較大的畸變，產(chǎn)生較大的尖峰電壓，這將嚴(yán)重威脅到電機(jī)的絕緣，甚至達(dá)到不能允許的程度。這也是以往人們認(rèn)為電壓型變頻器不能用于高-低-高式變頻調(diào)速系統(tǒng)的原因。 為了解決這一問題，在逆變器的輸出側(cè)設(shè)置正弦波濾波器，濾去高頻諧波分量。在參數(shù)選擇適當(dāng)時(shí)，可使輸出電流波形接近于正弦波，如圖4所示。 由兩波形對(duì)比可見:不帶輸出濾波器時(shí)，電壓波形含有斷續(xù)的很高的du/dt值，電壓波形畸變率很高，通過輸出變壓器升壓，將在輸出電壓波形上疊加尖峰電壓，損壞電機(jī)絕緣，導(dǎo)致電機(jī)過早損壞;而增加輸出濾波器（正弦波濾波器）后，輸出電壓波形接近于正弦波，電壓波形畸變率小于3%，而且電流波形的畸變率非常低，這使得在整個(gè)運(yùn)行速度范圍內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都非常小。同時(shí)，高次諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、導(dǎo)致電機(jī)的額外溫升也非常小，因此，我們可以使用原有的電機(jī)，而無須重新選用變頻器專用的電機(jī)。 （5） 升壓變壓器的特殊設(shè)計(jì)，以保證輸出電流波形不產(chǎn)生畸變 輸出變壓器為二繞組變壓器，接線方式為△/y，由于變頻器輸出電壓波形為高頻調(diào)制脈沖波形，盡管經(jīng)過正弦波濾波器，已可接近正弦波，但仍有一些尖峰毛刺，而且輸出頻率為5～50hz。因此對(duì)本變壓器需作特殊設(shè)計(jì)，以保證輸出電流波形不產(chǎn)生畸變，不產(chǎn)生高頻振蕩，降低噪聲，同時(shí)保證變壓器在規(guī)定范圍內(nèi)發(fā)熱，本變壓器達(dá)到了這些要求。 4、煙化爐風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用效果 4.1 煙化爐使用本系統(tǒng)后某個(gè)送風(fēng)周期系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 煙化爐使用本系統(tǒng)后某個(gè)送風(fēng)周期系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。 4.2 本系統(tǒng)節(jié)能計(jì)算 采用本系統(tǒng)前后電能消耗的對(duì)比分析如表2所示。 由表2的統(tǒng)計(jì)可以計(jì)算出在使用了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)前后，煙化爐風(fēng)機(jī)的年耗電量（一年開爐時(shí)間按230天計(jì)算）及節(jié)能數(shù)據(jù)。 原系統(tǒng)年耗電量為:9944.917×230=2287330.91（kwh） 新系統(tǒng)年耗電量為:211.315×24×230=1166458.8（kwh） 年節(jié)約電量為:2287330.91-1166458.8=1120872.11（kwh） 按韶冶現(xiàn)行電價(jià)0.61元／kwh計(jì)算，年節(jié)約電量 =0.61×1120972.11=68.3731萬元。 本系統(tǒng)于1999年8月投入運(yùn)行至今，使用情況良好，具有以下優(yōu)點(diǎn): （1） 滿足了煙化爐的工藝要求，該控制系統(tǒng)可靠性高，滿足了煙化爐冶煉過程中對(duì)風(fēng)量和壓力的嚴(yán)格要求，為煙化爐的生產(chǎn)提供了保證; （2） 變頻器的使用節(jié)電效果顯著，每年節(jié)約電費(fèi)68萬多元; （3） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能好，該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)使得風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，調(diào)速范圍寬; （4） 由于變頻器采用軟啟動(dòng)的方式，對(duì)電機(jī)及風(fēng)機(jī)的機(jī)械損傷極小，較好的保護(hù)了設(shè)備，設(shè)備故障率大大降低，減少了維修費(fèi)用; （5） 由于采用按鈕及調(diào)速電位器進(jìn)行操作，提高了自動(dòng)化程度，方便了工人的操作。 5、結(jié)束語 韶冶煙化爐鼓風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功，并一次通過試車驗(yàn)收，形成年節(jié)電能112萬kwh，節(jié)電率達(dá)49%，投資回報(bào)期為不到18個(gè)月，經(jīng)濟(jì)效益顯著。通過五年多的生產(chǎn)實(shí)踐，該項(xiàng)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)工作運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。證明本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的，用電壓型變頻器構(gòu)成高-低-高式變頻調(diào)速系統(tǒng)，在國內(nèi)是一個(gè)創(chuàng)新，開辟了應(yīng)用性能優(yōu)良、價(jià)格較便宜、可靠性高的常壓電壓型變頻器用于高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的先例。