孫慶峰

摘 要：文章介紹高壓變頻技術(shù)在高爐冷卻水系統(tǒng)上的節(jié)能應(yīng)用及控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器；自動(dòng)控制；應(yīng)用

1 高壓變頻器的原理和控制技術(shù)分析

1.1 多重化單元串聯(lián)式技術(shù)在高壓變頻控制中的應(yīng)用

高壓變頻控制實(shí)現(xiàn)的主電路方面，得到普遍關(guān)注并取得了較好實(shí)現(xiàn)效果的是多重化單元串聯(lián)式技術(shù)的應(yīng)用。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，以高速微處理機(jī)和光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)控制和通信。該技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器產(chǎn)生的諧波問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)完美無(wú)諧波變頻。它由多個(gè)低壓功率單元串聯(lián)而成，通過(guò)低壓功率單元的輸出疊加起來(lái)得到高壓。

所有的功率單元都接收來(lái)自同一個(gè)中央控制器的指令，這些指令通過(guò)光纖電纜傳輸以保證絕緣等級(jí)達(dá)到6kv以上。為功率單元提供電源的變壓器次級(jí)繞組在繞制時(shí)相互之間有一定的相位差，這樣消除了大部分由獨(dú)力功率單元引起的諧波電流，所以初次電流近似為正弦波，因而功率因數(shù)較高，滿載時(shí)可達(dá)到95%，對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入電流諧波畸變小于4%，電網(wǎng)輸入電壓波形畸變小于2%，無(wú)需諧波濾波器和功率補(bǔ)償裝置。

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)，近幾年發(fā)展迅速，逐漸成為高壓變頻調(diào)速的主流方案。同時(shí)，功率單元旁路方案大大提高了單元串聯(lián)式多電平變頻器的可靠性，從很大程度上彌補(bǔ)了元器件個(gè)數(shù)多且導(dǎo)致可靠性降低的問(wèn)題。單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了這類變頻器很容易實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，適合大批量生產(chǎn)，形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。

1.2 單元串聯(lián)多重化變頻器的優(yōu)點(diǎn)是

1.2.1 由于采用功率單元串聯(lián)，可采用技術(shù)成熟，價(jià)格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過(guò)串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求。

1.2.2 完美的輸入輸出波形，使其能適應(yīng)任何場(chǎng)合及電機(jī)使用。

1.2.3 由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于將功率單元做成模塊化，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，即使在個(gè)別單元故障時(shí)也可通過(guò)單元旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能正常或降額運(yùn)行。

2 高壓變頻器在高爐冷卻水泵組上的應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場(chǎng)工藝及設(shè)備概況

某煉鐵環(huán)水泵站3號(hào)泵組共計(jì)兩臺(tái)泵，一備一用，采用母管制供水。冷卻泵從吸水池取水，將一定的壓力和流量的冷卻水供給高爐冷卻壁和熱風(fēng)爐熱風(fēng)閥冷卻用，以達(dá)到滿足高爐冷卻水生產(chǎn)要求的目的。

2.1.1 設(shè)備參數(shù)

系統(tǒng)采用了廣州智光電機(jī)有限公司生產(chǎn)的ZINVERT-A6H1250/06Y型高壓變頻器。

2.1.2 高壓變頻器的主回路設(shè)計(jì)原理

通過(guò)變頻調(diào)速調(diào)節(jié)水泵出力以滿足工況需要。采用一拖二自動(dòng)旁路方案。變頻器安裝于室內(nèi)，采用風(fēng)冷管路散熱。

系統(tǒng)基本原理：如圖是在一備一用兩臺(tái)泵雙路電源情況下，一拖二自動(dòng)旁路的典型方案，它是由四個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1～QS4和六個(gè)真空接觸器組成。其中QS1和QS2，QS3和QS4，KM1～KM6做電氣聯(lián)鎖。如果M1工作在變頻狀態(tài)，M2可以在工頻狀態(tài)備用；相反如果M2工作在變頻狀態(tài)，則M1可以在工頻狀態(tài)備用；如果檢修變頻器，兩臺(tái)水泵都可以工頻運(yùn)行。正常情況下，允許任一電機(jī)工作在變頻狀態(tài)。

變頻運(yùn)行中出現(xiàn)故障情況時(shí)：

（1）如果變頻設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)故障，設(shè)備通過(guò)真空接觸器自動(dòng)從變頻運(yùn)行狀態(tài)切換到工頻運(yùn)行狀態(tài)（即自動(dòng)旁路），實(shí)現(xiàn)電機(jī)工頻運(yùn)行。同時(shí)給控制室發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，以提示值班人員手動(dòng)調(diào)節(jié)泵出口閥門開(kāi)度，保證母管供水壓力的穩(wěn)定。系統(tǒng)從變頻運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)切換到工頻狀態(tài)的切換時(shí)間小于2秒，切換時(shí)能保證水泵不用停機(jī)、供水不間斷。切換時(shí)不允許QF1（QF2）開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

（2）功率單元是變頻器核心部件，為此設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)功率單元配置單元旁路功能，如果變頻器模塊內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，變頻器可將故障單元旁路掉繼續(xù)運(yùn)行，不能造成突然停機(jī)的情況發(fā)生。變頻器采用5+1備份，旁路掉一個(gè)單元不會(huì)影響變頻器的輸出功率。

（3）如果儀表出現(xiàn)測(cè)量誤差：為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，變頻運(yùn)行時(shí)可以在變頻器監(jiān)控界面中設(shè)定變頻器最低運(yùn)行頻率值，這樣就可以防止閉環(huán)控制系統(tǒng)因檢測(cè)、傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的可能信號(hào)失真造成水泵無(wú)法滿足高爐供水的情況發(fā)生。

（4）控制電源出現(xiàn)故障：為變頻器提供的交流控制電源掉電時(shí)，變頻器可以通過(guò)內(nèi)部配置UPS供電使控制系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行達(dá)30分鐘。

2.2 系統(tǒng)控制方案

由安裝于母管上的兩個(gè)壓力變送器提供4～20mA輸入控制量，變頻器通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行。本地控制：利用系統(tǒng)控制器上的鍵盤、控制柜上的按鈕、電位器旋鈕等就地控制。遠(yuǎn)方控制：系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬輸入接口，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制。

2.3 節(jié)電效果

針對(duì)煉鐵高爐冷卻泵各工況所需水流量的不同，用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)供水母管壓力使之恒定，達(dá)到閉環(huán)控制目的，實(shí)現(xiàn)降低電機(jī)運(yùn)行頻率節(jié)能目的。改造前后，運(yùn)行參數(shù)水壓、流量相同的條件下每天節(jié)電2000KWH，水泵電機(jī)電流由95降至75A，年節(jié)約電量72萬(wàn)，節(jié)電率達(dá)13%左右。

間接效益評(píng)價(jià)：

（1）高壓變頻器在工頻以下連續(xù)改變電源頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)比較平滑，減小啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、軸承、風(fēng)機(jī)的沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

（2）由于高壓變頻器能根據(jù)冶煉工藝各個(gè)階段控制風(fēng)機(jī)引風(fēng)量，減小電爐熱量損失，間接節(jié)約能源。

（3）電機(jī)振動(dòng)因轉(zhuǎn)速降低而減小，降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲，改善設(shè)備運(yùn)行環(huán)境。

（4）高壓變頻器為高-高電壓源型單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)可高達(dá)0.95，降低了電網(wǎng)側(cè)的諧波污染。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)工藝流程可看出，在各個(gè)生產(chǎn)流程中，高壓電機(jī)應(yīng)用變頻改造同樣能起到節(jié)能減排的顯著效果。諸如焦化、燒結(jié)、煉鐵高爐、煉鋼電爐、精煉爐中的除塵風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、煤氣鼓風(fēng)機(jī)、供水泵等。同時(shí)也減少了對(duì)環(huán)境的污染，給生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)了巨大綜合效益。