張 研，岳 鵬

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

基于高壓變頻技術(shù)的風(fēng)機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

張 研，岳 鵬

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

高壓變頻器是當(dāng)今世界上最新開發(fā)研制的一種單元串聯(lián)多電平高壓變頻器產(chǎn)品。分析了風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能原理。針對某企業(yè)高爐風(fēng)機改造項目，探討了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的成套方案。

高爐風(fēng)機；高壓變頻；調(diào)速控制；節(jié)能原理

0 引言

現(xiàn)代電力電子技術(shù)及計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展促進(jìn)了電氣傳動的技術(shù)革命。交流調(diào)速取代直流調(diào)速、計算機數(shù)字控制取代模擬控制已成為發(fā)展趨勢［1］。高壓變頻調(diào)速技術(shù)是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動調(diào)速技術(shù)，它綜合了先進(jìn)的電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和高壓電氣、電機拖動等技術(shù)，具有節(jié)能效益顯著、調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬、保護(hù)功能完善，易于實現(xiàn)自動通信功能、運行安全可靠、安裝使用及維修維護(hù)方便等特點。目前，國家發(fā)展和改革委員會明確提出，高壓變頻器是節(jié)能必選設(shè)備。以前的高壓變頻器由可控硅整流、可控硅逆變等器件構(gòu)成，諧波大，對電網(wǎng)和電機都有影響。近年來發(fā)展起來的一些新型器件（如IGBT、IGCT、SGCT等）可以改變這一現(xiàn)狀。由它們構(gòu)成的高壓變頻器性能優(yōu)異，可以實現(xiàn)PWM逆變、甚至是PWM整流，還具有諧波小、功率因數(shù)也有很大程度提高等優(yōu)點［2］。筆者試結(jié)合某企業(yè)的高爐風(fēng)機改造項目，探討高壓變頻技術(shù)在風(fēng)機調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，以期供類似項目的技術(shù)人員參考。

1 風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能原理

1．1 風(fēng)機工作原理

離心風(fēng)機的風(fēng)壓（H1）與風(fēng)量（Q1）的特性曲線如圖1所示。圖1中，風(fēng)機在管路特性曲線R1（擋板開度全開）工作時，工況點為A，其風(fēng)量Q1為100%、風(fēng)壓力為 H1，所需的功率 P1（對應(yīng)的軸功率）正比于H1與Q1的乘積，即正比于四邊形AH1OQ1的面積。

圖1 離心風(fēng)機的曲線特性圖Fig.1 Curve feature of centrifugal fan

根據(jù)工藝要求，需減小風(fēng)量到Q2。首先通過增加管網(wǎng)管阻 （擋板開度減?。?，使風(fēng)機的工作點移到R2上的B點。由于擋板開度減小，所以風(fēng)壓會增大到H2。這時，風(fēng)機所需的功率正比于四邊形BH2OQ2的面積。顯然，風(fēng)機所需的功率變化不大。這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡單，但功率減小不明顯，不利于節(jié)能。

若采用變頻調(diào)速技術(shù)，風(fēng)機轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，工作點由A點移到C點，風(fēng)量仍是Q2，風(fēng)壓由H1降到H3。這時，變頻調(diào)速后風(fēng)機所需的功率正比于CH3OQ2的面積，功率明顯減少。

1．2 變頻調(diào)速分析

采用變頻調(diào)速技術(shù)時，可以按需要升、降電機轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)機的性能曲線，使風(fēng)機的額定參數(shù)滿足工藝要求。根據(jù)風(fēng)機的相似定律，變速前后，風(fēng)量、風(fēng)壓、功率與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系如式（1）～式（3）所示。

式中：Q1、Q2分別是風(fēng)機在N1、N2轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量，m3／s；H1、H2分別為風(fēng)機在N1、N2轉(zhuǎn)速下的風(fēng)壓，kN／m2；P1、P2分別是風(fēng)機在 N1、N2轉(zhuǎn)速下的功率，W。

由式（1）～式（3）可知，降低轉(zhuǎn)速能有效降低軸功率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。另外，降低了轉(zhuǎn)速，風(fēng)量就不必用關(guān)小風(fēng)門或閥門來控制，風(fēng)門始終處于全開狀態(tài)，可以避免由于關(guān)小風(fēng)門引起的風(fēng)力損失增加，這樣也就避免了總效率的下降，確保了能源的充分利用。

調(diào)節(jié)出風(fēng)口風(fēng)閥可改變氣流的阻力，從而影響系統(tǒng)特性曲線。系統(tǒng)特性曲線方程可表述為式（4）。

式中：P是產(chǎn)生給定風(fēng)量時系統(tǒng)要求達(dá)到的壓強，Pa；K是系統(tǒng)描述氣流阻力的函數(shù)，出風(fēng)口的風(fēng)閥有影響；CFM是期望的風(fēng)量。

圖2表示的是在不同的出風(fēng)口風(fēng)閥位置所對應(yīng)的幾組不同的系統(tǒng)特性曲線。圖3為風(fēng)閥功率需求曲線。由圖3可知，當(dāng)氣流減小時，此系統(tǒng)需要的功率逐漸減少。所以，通過調(diào)節(jié)入風(fēng)口風(fēng)葉，便可改變風(fēng)機的特性曲線，使之與系統(tǒng)特性曲線相交于不同的點。

圖2 風(fēng)閥系統(tǒng)特性曲線圖Fig.2 Curve of air valve system feature

圖4是不同入風(fēng)口風(fēng)葉設(shè)定值所對應(yīng)風(fēng)機特性曲線的變化圖，圖5為風(fēng)機的特性曲線圖。由圖5可知，功率的需求隨著風(fēng)量的減小而減少，而且與調(diào)節(jié)出風(fēng)口風(fēng)閥的方法相比，采用變頻調(diào)速技術(shù)功率下降幅度更大。

圖3 風(fēng)閥功率需求曲線圖Fig.3 Curve of air valve power demand

圖4 可變?nèi)腼L(fēng)葉特性曲線圖Fig.4 Curve of changeable fan blade feature

圖5 可變風(fēng)葉對應(yīng)風(fēng)機特性曲線圖Fig.5 Curve of changeable fan blade to related fan feature

當(dāng)把風(fēng)量和風(fēng)壓組合在一起時，可得到式（5）。

式中：P1／Q12相當(dāng)于系統(tǒng)的常數(shù)K。

式（5）表明，當(dāng)風(fēng)機運行速度改變時，風(fēng)機特性將隨著系統(tǒng)特性曲線的變化而變化，如圖6所示。圖7為風(fēng)機調(diào)速功率需求特性曲線。由圖7可知，當(dāng)風(fēng)機速度減小時，功率需求減小非常顯著。

圖6 風(fēng)機調(diào)速特性曲線Fig.6 Curve of fan speed governing feature

由以上分析可知，變頻調(diào)速方法以一種與系統(tǒng)或負(fù)載特性曲線近似匹配的方式來控制風(fēng)量。這就意味著允許風(fēng)機以最小的輸入功率來產(chǎn)生期望的效果。

2 高壓變頻調(diào)速節(jié)能分析

以下通過將變頻調(diào)速方法與改變風(fēng)口風(fēng)閥方法進(jìn)行比較，分析高壓變頻調(diào)速的節(jié)能效果。

2．1 閥門調(diào)節(jié)風(fēng)量

若閥門開度為45%～60%（因系統(tǒng)需要穩(wěn)定風(fēng)量，不頻繁調(diào)節(jié)），電機輸出電流為240 A，電機輸出功率為3 495 kW，運行時間（小時／每年）為8 000 h。

2．2 變頻調(diào)速

由風(fēng)機特性可知，為保持風(fēng)壓與風(fēng)量依然滿足工藝要求，變頻改造后，風(fēng)門完全處于打開狀態(tài)。由于電機原轉(zhuǎn)速為2986r／min，閥門開度為45%～60%，電動機在變速運行過程中將處于2687r／min的轉(zhuǎn)速。根據(jù)式（3），可計算出變頻調(diào)速電機輸出功率為2546kW。

圖7 風(fēng)機調(diào)速功率需求特性曲線Fig.7 Curve of fan speed governing power demand feature

2．3 兩種方法比較

兩種控制方法的比較結(jié)果如表1所示 （考慮到變頻器的效率等因素影響，節(jié)能部分將略小于以上分析）。

表1 變頻調(diào)速與閥門調(diào)節(jié)節(jié)能比較表Tab.1 Frequency control valve adjustment

3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)成套方案

3．1 一拖一旁路方案

此方案是一拖一手動旁路的典型方案。該系統(tǒng)由3個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（如圖8所示）。其中，QF為原高壓開關(guān)柜內(nèi)的斷路器。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。斷路器和高壓隔離開關(guān)互鎖，以防止誤操作。

該方案的優(yōu)點是：（1）在檢修變頻器時，有明顯斷電點，能夠保證人身安全；（2）可手動使負(fù)載投入工頻電網(wǎng)運行；（3）造價低等。

3．2 基本性能及說明

（1）變頻器為高-高結(jié)構(gòu)，以6 kV電壓直接輸出，不需從升壓變壓器輸出，輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式。（2）系統(tǒng)一體化設(shè)計，包括干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內(nèi)部連線，用戶只須連接高壓輸入、高壓輸出、低壓控制電源和控制信號線即可［3］。（3）整套系統(tǒng)在出廠前進(jìn)行整體測試。（4）42脈沖輸入符合并優(yōu)于IEEE519～1992及GB／T14519～93標(biāo)準(zhǔn)，對電壓失真和電流失真提出最嚴(yán)格的要求。（5）在20%～100%的負(fù)載變化情況內(nèi)，達(dá)到或超過0．95的功率因數(shù)，并且電流諧波少，無須功率因數(shù)補償／諧波抑制裝置。（6）無需濾波器、變頻器就可輸出正弦電流和電壓波形，對電機沒有特殊的要求，可以使用普通異步電機，電機不必降額使用［4］。（7）具有軟起動功能，不會出現(xiàn)電機啟動沖擊引起的電網(wǎng)電壓下跌情況，可確保電機安全、長期運行。（8）變頻器抗干擾性強。（9）對外界設(shè)備儀表（包括DCS等自動化系統(tǒng)）無干擾。（10）變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動小于0．1%。變頻器有共振點頻率跳躍功能。

圖8 一拖一手動旁路Fig.8 Manual by pass

4 結(jié)語

（1）使用變頻器后，風(fēng)機可以實現(xiàn)變頻軟起動，避免了起動電流的沖擊。這樣，不僅對電網(wǎng)沒有任何沖擊，還可以隨時起動或停止。（2）使用變頻器后，風(fēng)機的送風(fēng)量不再需要由風(fēng)門來調(diào)節(jié)，而是由變頻器通過變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍為0%～l00%。因此，可以根據(jù)生產(chǎn)需要隨意調(diào)節(jié)風(fēng)量，從而減少浪費。（3）變頻節(jié)能運行時，風(fēng)機不會一直處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，致使節(jié)能率非常高。（4）由于高壓變頻器能平滑調(diào)節(jié)電機負(fù)載的轉(zhuǎn)速，就可以大大減少負(fù)載和電機的機械磨損，同時降低軸承、軸瓦的溫度，有效減少檢修費用，延長設(shè)備的使用壽命。（5）改造后，節(jié)能效果非常明顯，投資回報率非常高。同時，大大減少了噪音，延長了電機的使用壽命，間接效益也很明顯。

［1］ 梁德成．可編程控制器在球團(tuán)烘干系統(tǒng)工藝中的應(yīng)用［J］．華北水利水電學(xué)報，2011（5）：10-11．

［2］ 廖常初．PLC編程及應(yīng)用 ［M］．機械工業(yè)出版社，2005：32-33．

［3］ 王永華．現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)［M］．北京航空航天大學(xué)出版社，2008：41-43．

［4］ 殷勇，牛鑫．可編程控制器在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．北京電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2011，2（3）：12-12．

[責(zé)任編輯 胡修池]

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10．13681／j．cnki．cn41-1282／tv．2017．02．011

2016-09-18

張研（1982-），男，河南鄭州人，助教，碩士，主要從事高校電氣控制方面的教學(xué)與研究工作。