摘 要:介紹了高壓變頻裝置的結構以及節(jié)能原理，描述了高壓變頻器在馬鋼的應用情況，通過變頻調速改造，達到節(jié)能的目的。 關鍵詞:高壓變頻器；結構；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 　　風機、水泵類設備是鋼鐵生產行業(yè)的耗電大戶，目前主要的控制方式是采用液力耦合器調速，或通過閥門來調節(jié)風量和水量；根據風機、水泵類負載特性，其中蘊藏著巨大的節(jié)能空間；通過高壓大功率變頻調速方案的實施，將會產生可觀的經濟效益。對降低噸鋼耗水電指標，節(jié)能降耗起到積極的推動作用。隨著計算機技術及IGBT等功率器件的飛速發(fā)展，高壓大功率變頻器產品已日漸成熟，在國內風機、水泵等場合的節(jié)能應用上得到了廣泛的推廣，但是對于不同的工況條件，節(jié)能效果上差別很大，不能盲目推廣投運，必須對使用條件和現場工況作細致的研究。 [b]2 高壓變頻器工作原理及特點 2．1 高壓變頻器的主要流派[/b] 　　高壓大功率變頻技術的主要流派有兩種：（1）電壓源型變頻調速方案；（2）電流源型變頻調速方案；其中電壓源型變頻調速方案又分為：移相整流串聯疊加輸出技術和三電平技術?？紤]到對電網諧波、功率因數的要求，和普遍使用的6 kV和10 kV電壓等級，以及從安全角度出發(fā)所提出的旁路要求，同時考慮到對原有普通電機的使用，我們選擇了移相整流串聯疊加輸出技術?，F對此技術作一簡單介紹。 2．2 移相整流串聯疊加輸出技術高壓變頻器原理 　　高壓變頻調速系統采用直接“高一高”變換形式，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構由多組功率模塊串并聯而成，由各組低壓疊加而產生需要的高壓輸出，無須輸出變壓器，實現了直接3kV、6kV或10kV高壓輸出；它對電網諧波污染小，輸人電流諧波畸變小于4％，直接滿足IEEE519—1992的諧波抑制標準，輸入功率因數高，不必采用輸人諧波濾波器和功率因數補償裝置；輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv／dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器就可以使用普通的異步電機。 　　所謂多重化技術就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實現控制和以光導纖維隔離驅動。多重化技術從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產生的諧波問題。圖1為6kV變頻器的主電路拓撲圖，每組由8個額定電壓為433V的功率單元串聯，因此相電壓為433V×8=3464V，所對應的線電壓為6000V。每個功率單元由輸入隔離變壓器的24個二次繞組分別供電，24個二次繞組分成8組，每組之間存在一個7．5°的相位差。所需相差角度可通過變壓器的不同聯接組別來實現。用這種多重化技術構成的高壓變頻器，也稱為單元串聯多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯，而不是用傳統的器件串聯來實現高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。 　　其系統結構和配置圖如圖2。 　　其系統工作原理如下： 　　功率單元（圖3）由移相變壓器的一組副邊供電，通過三相全橋整流器將交流輸入整流為直流。控制部分通過冗余設計的電源板從直流母線上取電，接收主控系統發(fā)送的PWM信號并通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。 　　監(jiān)控電路實時監(jiān)控IGBT和直流母線的狀態(tài)，將狀態(tài)反饋回主控系統。在單元出現嚴重故障時，主控將打開功率單元的旁通回路，使單元進入旁通狀態(tài)，避免整個變頻器停機。大大提高了系統運行的可靠性。 　　每個單元輸出PWM波，將每相N個功率單元的輸出電壓疊加，產生多重化的相電壓波形，使相電壓產生出2N+1個電壓臺階，六個功率單元輸出的PWM波形及疊加之后的相電壓波形如圖4所示。 3 變頻調速節(jié)能原理 　　在冶金生產中，根據工藝要求和運行工況的不同，需對溫度、壓力、流量等過程參數進行調節(jié)，最常用的控制手段則是調節(jié)風門、擋板開度的大小來調整受控對象。這樣，不論生產的需求大小，風機、水泵都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。在生產過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下。 　　通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q、壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n，H∝n2，p∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。因此，通過變頻調速裝置，降低電機轉速來滿足運行工況，具有極大的節(jié)能空間。例如：風機、水泵運行速度下降20％，功率則降為原功率的50％。 　　圖5為離心風機水泵的風壓、（水壓）-風量（流量）Q曲線特性圖。 　　風機水泵在管路特性曲R1工作時，工況點為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時風機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量（流量）到Q2，通過調節(jié)閥門開度，實際上是改變管網管阻，使管路特性曲線變?yōu)镽2，風機水泵的工作點移到R2上的B點，風壓（水壓）增大到H2，這時風機水泵所需的功率正比H2Q2的面積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然風機水泵所需的功率變化并不明顯。這種調節(jié)方式控制雖然簡單，但功率消耗大、不利于節(jié)能，是以高運行成本換取簡單控制方式。 　　若采用變頻調速，風機水泵轉速由n1下降到n2，這時工作點由A點移到C點，流量仍是Q2，壓力由H2降到H3，這時變頻調速后風機（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可見功率的減少是明顯的。 4 節(jié)能實效 　　節(jié)能型高壓變頻器在馬鋼的除塵風機、煤氣加壓機、供排水等領域得到了廣泛的推廣應用，節(jié)能效果明顯，項目節(jié)電率保持在20％以上，投資回收期在2～3年，取得了可觀的經濟效益，通過對高壓變頻裝置投運以來運行情況跟蹤，不同場合運行節(jié)能實績如表1。 5 結論 　　通過對高壓變頻節(jié)能應用實績的跟蹤及分析，高壓變頻裝置運行穩(wěn)定，節(jié)能空間大；同時高壓變頻裝置的應用，在取得較高節(jié)能效益的同時，減小了風機、水泵裝置直接啟動造成的設備沖擊，降低了設備維護量，具有較高的推廣應用價值。