1 引言 隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，節(jié)能降耗成為企業(yè)提高產(chǎn)品市場(chǎng)占有率、競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段之一。而高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，使得該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、電力等各個(gè)行業(yè)。濟(jì)鋼集團(tuán)公司第三煉鋼廠(chǎng)10臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)目前采用的是直接啟動(dòng)和液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速和起動(dòng)方法仍很落后，浪費(fèi)了大量的能源且造成機(jī)械壽命的降低。在這種形勢(shì)下，濟(jì)鋼第三煉鋼廠(chǎng)決定對(duì)除塵系統(tǒng)進(jìn)行高壓變頻技術(shù)改造，經(jīng)多方考察研究，首先選用廣州智光公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)1#精煉除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速節(jié)能改造。 2 1#精煉除塵風(fēng)機(jī)設(shè)備概況 濟(jì)鋼三煉鋼廠(chǎng)1#精煉除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)為湘潭電機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的1250kW高壓異步電機(jī)，機(jī)組的主要參數(shù)如下: （1）精煉除塵電機(jī)參數(shù) 型號(hào)：YKK630-6; 功率：1250kW; 電壓：10kV; 電流：87.1A; 轉(zhuǎn)速：995r/min; 頻率：50Hz； 接法：Y; 防護(hù)等級(jí)：IP54; 冷卻方式：IC611; 絕緣等級(jí)：F； 廠(chǎng)家：湘潭電機(jī)廠(chǎng)。 （2）精煉除塵風(fēng)機(jī)工藝參數(shù) 型號(hào)：Y5-2 48-14NO2LF； 形式：雙吸入離心式； 布置方式:進(jìn)氣135°/出氣0°; 支撐方式:雙支撐； 處理量：3.7×105m3/h； 全壓：6100Pa（70℃）； 轉(zhuǎn)速：980r/min； 軸功率：934.7kW（20℃）； 廠(chǎng)家：南通金通風(fēng)機(jī)有限公司。 3 高壓變頻器節(jié)能效益分析和產(chǎn)品應(yīng)用 3.1 應(yīng)用高壓變頻器節(jié)能效益分析 根據(jù)風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式:P/P0=（n/n0）3計(jì)算,（式中為P0額定轉(zhuǎn)速n0時(shí)的功率；P為轉(zhuǎn)速n時(shí)的功率）,1#精煉除塵風(fēng)機(jī)P=1250kW,運(yùn)行工況以24h連續(xù)運(yùn)行計(jì)算，其中每天18h運(yùn)行在90%負(fù)荷（頻率按46Hz計(jì)算），6h運(yùn)行在50%負(fù)荷（頻率按25Hz計(jì)算）；全年運(yùn)行時(shí)間按照300天計(jì)算,則高壓變頻調(diào)速時(shí)每年節(jié)電量為Wb: 高速運(yùn)行時(shí)節(jié)電量：Wb1 =1250×18×[1-（46/50）3]×300 =1493375kW·h 低速運(yùn)行時(shí)節(jié)電量：Wb2 =1250×6×[1-（25/50）3] ×300 =1968750 kW·h 所以高壓變頻器調(diào)速總的節(jié)電量為:Wb =Wb1+Wb2 =1493375+1968750 =3462125kW·h 若按0.5元/ kW·h進(jìn)行計(jì)算，則1#精煉除塵風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速后每年節(jié)約電費(fèi)：3462125×0.95×0.5=164萬(wàn)元。 3.2 目前高壓變頻器產(chǎn)品應(yīng)用分析 近年來(lái)，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，高壓變頻器到目前為止還沒(méi)有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)高壓組成方式可分為直接高壓型和高—低—高型，根據(jù)有無(wú)中間直流環(huán)節(jié)來(lái)分，可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器，在交—直—交變頻器中，按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，可分電壓源型和電流源型。下面將對(duì)目前使用較為廣泛的幾種高壓變頻器進(jìn)行分析，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 電流源型變頻器技術(shù)成熟，且可四象限運(yùn)行，但由于高壓時(shí)器件串聯(lián)的均壓?jiǎn)栴}，輸入諧波對(duì)電網(wǎng)的影響和輸出諧波對(duì)電機(jī)的影響等問(wèn)題，使其應(yīng)用受到限制。而且變頻器的性能與電機(jī)的參數(shù)有關(guān)，通用性差，電流的諧波成分大，污染和損耗較大，且共模電壓高，對(duì)電機(jī)的絕緣有影響。AB公司Power Flex 7000系列采用耐壓值為6.5kV的SGCT功率管，最高電壓也僅做到6.6kV。 電壓源型變頻器由于輸出側(cè)的dv/dt比較嚴(yán)重，需要采用輸出濾波器。由于受到器件耐壓水平的限制，最高電壓只能做到4160V。 單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染小、輸入功率因數(shù)高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。輸出波形好，不存在由諧波引起的電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電動(dòng)機(jī)。單元串聯(lián)多電平變頻器的輸出電壓可以達(dá)到10kV，甚至更高。 比較以上三種類(lèi)型高壓變頻器，由于單元串聯(lián)式多電平變頻器的輸入、輸出波形好，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染小，輸出適用普通電動(dòng)機(jī)，近幾年來(lái)發(fā)展迅速，在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，尤其在風(fēng)機(jī)水泵等節(jié)能領(lǐng)域，幾乎形成壟斷的態(tài)勢(shì)。在濟(jì)鋼第三煉鋼廠(chǎng)1#精煉除塵高壓電機(jī)為電壓等級(jí)為10kV的普通籠型異步電動(dòng)機(jī)，單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器是最合適的選擇。 單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器由西門(mén)子羅賓康公司發(fā)明并申請(qǐng)專(zhuān)利，取名為完美無(wú)諧波變頻器。由于羅賓康公司的專(zhuān)利申請(qǐng)僅在美國(guó)，在我國(guó)該技術(shù)屬于公知技術(shù)，北京利德華福生產(chǎn)的高壓變頻器也是采用這種結(jié)構(gòu)。除了上述兩家外，國(guó)內(nèi)外有山東新風(fēng)光、上海艾帕、合康億盛、湖北三環(huán)、廣州智光等許多廠(chǎng)家生產(chǎn)該類(lèi)型變頻器。濟(jì)鋼經(jīng)多方考察、比較、招標(biāo)，選用了廣州智光公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。 4 廣州智光ZINVERT高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn) 廣州智光ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是集當(dāng)代最先進(jìn)高壓大功率電力電子控制技術(shù)、微電子技術(shù)、光電通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和高電壓技術(shù)等為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，為直接高壓輸出型高壓變頻器，其采用功率單元串聯(lián)技術(shù)，解決了器件耐壓的問(wèn)題，級(jí)間SPWM信號(hào)移相疊加，提高了輸出電壓諧波性能、降低了輸出電壓的dv/dt;通過(guò)電流多重化技術(shù)降低了輸入側(cè)諧波，減小了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染；主控制器采用雙數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、超大規(guī)模集成電路可編程器件（CPLD和FPGA）為核心，配合數(shù)據(jù)采集、單元控制和光纖通信回路以及內(nèi)置的可編程邏輯控制器（PLC）構(gòu)成系統(tǒng)控制部分。 4.1 智光ZINVERT高壓變頻系統(tǒng)組成與原理 ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)上由整流變壓器、功率逆變柜及控制柜組成，實(shí)際使用時(shí)還可以按照用戶(hù)要求配套手動(dòng)或自動(dòng)工頻旁路切換柜。 4.1.1 整流變壓器 整流變壓器副邊繞組相互隔離，并采用移相延邊三角形接法，保證系統(tǒng)工作再在20%負(fù)載以上時(shí)電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)保持在0.96以上。輸入變壓器實(shí)行多重化設(shè)計(jì)，達(dá)到降低諧波電流的目的。輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。以6kV變頻器為例，變壓器的15個(gè)二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，分為5個(gè)不同的相位組?；ゲ?2°，形成30脈波二極管整流電路結(jié)構(gòu)，所以理論上29次以下的諧波都可以消除，輸入電流波形接近正弦波?？偟闹C波電流失真可低于1％。 4.1.2 功率單元電氣原理 功率單元主要由三相全橋整流器、濾波電容器組、IGBT逆變橋（H橋）構(gòu)成，同時(shí)還包括功率器件驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、信號(hào)采集、光纖通信等功能組成的控制電路。通過(guò)控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。其電氣原理如圖1所示。 4.1.3 功率單元的串聯(lián) ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是由多個(gè)功率單元經(jīng)過(guò)移相串聯(lián)而成。電壓疊加原理類(lèi)同于“電池組疊加”技術(shù)，以圖2所示的6kV每相六單元串聯(lián)為例，每個(gè)單元輸出交流電壓有效值為577V，相電壓即達(dá)到3450V，線(xiàn)電壓則為6kV，輸出相電壓諧波量很小，接近于標(biāo)準(zhǔn)正弦波。 4.2 智光ZINVERT高壓變頻控制系統(tǒng) ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制采用開(kāi)環(huán)、壓頻比控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，主控制部分以雙數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為控制核心，輔以超大規(guī)模集成電路可編程邏輯器件（CPLD和FPGA）、模擬輸入和模擬輸出（AI/O）單元、數(shù)字量輸出接口（DI/O）。人機(jī)界面由大屏幕漢化液晶顯示器（LCD）、數(shù)碼管顯示（LED）和觸摸按鍵組成。單元的控制部分以可編程器件（CPLD）為核心，配置專(zhuān)用的IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)模塊與輸入電壓、輸出電流、直流電壓、器件溫度檢測(cè)回路。主控制部分和單元控制部分的控制信號(hào)通過(guò)光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，有效地避免了電磁干擾，保證了系統(tǒng)控制信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴? 4.2.1 控制策略 ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用輸出壓頻比控制方式，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，只要保證電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)和定子頻率比值恒定，就可以使電機(jī)運(yùn)行在額定磁通的情況下，達(dá)到效率最優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在忽略定子電阻和漏感的情況下，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)等于定子端電壓。由于反電動(dòng)勢(shì)難以直接控制，所以在近似的情況下，采取保證電機(jī)端電壓和定子頻率比值恒定的策略。ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在恒壓頻比控制的基礎(chǔ)上，提供兩種類(lèi)型V/F曲線(xiàn)，兩種基本的V/F曲線(xiàn)如圖3所示。由用戶(hù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置功能參數(shù)，選擇合適的V/F曲線(xiàn)，以補(bǔ)償定子電壓，并根據(jù)負(fù)載類(lèi)型選擇效率更優(yōu)的曲線(xiàn)。系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的單元直流母線(xiàn)檢測(cè)回路，能夠?qū)崟r(shí)提供各個(gè)單元的直流母線(xiàn)電壓值，及時(shí)修正調(diào)制系數(shù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制性能。對(duì)于風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載，這種控制方式提供了足夠高的精度，若采用PID控制頻率，則完全滿(mǎn)足工藝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)流量、壓力的要求。 4.2.2 掉電再啟動(dòng) 用戶(hù)的高壓動(dòng)力電源由于母線(xiàn)切換、電網(wǎng)故障等引起的電壓瞬時(shí)失電情況是可能出現(xiàn)的。ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了掉電再啟動(dòng)功能，可設(shè)置最長(zhǎng)等待時(shí)間為30s。在電壓恢復(fù)正常后，系統(tǒng)可以在0.1～1s內(nèi)自行再啟動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，啟動(dòng)電流平滑無(wú)沖擊，保證用戶(hù)負(fù)載的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，用戶(hù)根據(jù)自身電網(wǎng)合理設(shè)置可能最長(zhǎng)的等待掉電恢復(fù)時(shí)間。 4.2.3 工頻旁路功能 當(dāng)變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障停機(jī)或?qū)ψ冾l調(diào)速系統(tǒng)檢修時(shí)，采用工頻旁路運(yùn)行方式可提高用戶(hù)負(fù)載的設(shè)備利用率，保證用戶(hù)生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行的要求，根據(jù)用戶(hù)不同需要，具有手動(dòng)工頻旁路與自動(dòng)工頻旁路兩種方式可選。 4.2.4 單元旁路功能 ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的每一個(gè)功率單元箱均附帶旁路功能，當(dāng)某一個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)控制旁路機(jī)構(gòu)使輸出端子短路可將此單元旁路，從而退出運(yùn)行狀態(tài)。變頻器可降額運(yùn)行，由此可避免很多場(chǎng)合下停機(jī)造成的損失。功率單元旁路技術(shù)大大提高了單元串聯(lián)多電平變頻器的可靠性，在很大程度上彌補(bǔ)了元器件個(gè)數(shù)多導(dǎo)致可靠性降低的問(wèn)題。 5 1#精煉除塵風(fēng)機(jī)高壓變頻器控制系統(tǒng) 5.1 高壓變頻器的選擇 在1#精煉所使用的高壓電機(jī)為電壓等級(jí)為10kV的普通籠型異步電動(dòng)機(jī)，所以選擇的高壓變頻器是ZINVERT系列10kV的高壓變頻器，型號(hào)為ZINVERT-A9H 1500/10YA10，其技術(shù)參數(shù)如附表所示。 5.2 控制系統(tǒng)方案 為保證在變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障停機(jī)或?qū)ψ冾l調(diào)速系統(tǒng)檢修時(shí)，保證設(shè)備連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)控制方案選擇的是自動(dòng)工頻旁路方式，其控制原理如圖4所示。 圖中符號(hào)意義如下： KM:為變頻器供電用的高壓真空斷路器； KJ1、KJ2、KJ3：真空接觸器； BPQ:ZINVERT-A9H 1500/10YA10變頻器; DJ:1250kW/10kV異步電動(dòng)機(jī)。 變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障停機(jī)或?qū)ψ冾l調(diào)速系統(tǒng)檢修時(shí)，可以自動(dòng)斷開(kāi)KJ1、KJ2，閉合KJ3。這樣，系統(tǒng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)入工頻電網(wǎng)中，負(fù)載不用停機(jī)，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)不能停機(jī)的要求。 6 結(jié)束語(yǔ) 濟(jì)鋼三煉鋼廠(chǎng)1#精煉除塵風(fēng)機(jī)高壓變頻系統(tǒng)自06年改造以來(lái)，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠。高壓變頻系統(tǒng)既可滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝過(guò)程對(duì)電機(jī)調(diào)速控制的要求，又大幅度節(jié)約能源，降低了生產(chǎn)成本。高壓變頻器在濟(jì)鋼三煉鋼1#精煉除塵系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅對(duì)于濟(jì)鋼三煉鋼廠(chǎng)下一步除塵系統(tǒng)高壓變頻器改造是一個(gè)很好的借鑒，而且對(duì)于其它煉鋼廠(chǎng)的高壓除塵系統(tǒng)改造也是一個(gè)很好的借鑒。