堵三嶺

（1.河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067000；2.河北省釩鈦工程技術(shù)研究中心，河北 承德 067000）

我國是能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國，按照十二五的發(fā)展規(guī)劃，節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的長遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針。

冶金企業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)命脈的支撐點(diǎn)之一，其造成的環(huán)境污染和能量損耗是不可忽視的。為了降低環(huán)境污染，減少電能的浪費(fèi)，能夠提高電能的利用效率，高壓變頻技術(shù)隨著國家倡導(dǎo)的節(jié)能低碳政策的深化而得到了長遠(yuǎn)的發(fā)展，此技術(shù)的成熟具有很大的節(jié)能潛力，在市場中的發(fā)展前景也非常廣闊。

對(duì)于冶金企業(yè)來說，對(duì)大容量的煉鋼除塵風(fēng)機(jī)、冷軋氫氣加壓機(jī)、鍋爐給水泵以及起重設(shè)備、熱軋、冷軋?jiān)O(shè)備等進(jìn)行高壓變頻改造是生產(chǎn)節(jié)能的重要方式[1]。本文設(shè)計(jì)一種高壓變頻器在冶金企業(yè)生產(chǎn)中的節(jié)能技術(shù)，期望能夠?yàn)橐苯鹌髽I(yè)節(jié)能減排，節(jié)約成本。

1 高壓變頻器在冶金企業(yè)節(jié)能技術(shù)使用探析

1.1 建立高壓變頻節(jié)能技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

高壓變頻器以級(jí)聯(lián)式多電平結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將輸入的三相高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓后輸入到功率單元模塊，提高電流諧波性能。在輸出方式中，采用了SPMW載波移相方式，通過降低dv/dt來提高輸出的諧波的性能。在10KV高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，三相交流電源通過移相變壓器后，由功率單元疊加生成高壓再接到10KV電機(jī)中，功率單元疊加的數(shù)量越多，電源的輸出等級(jí)越高。功率單元通過光纖接收信號(hào)，其控制模塊Q1-Q4導(dǎo)通或關(guān)斷后，會(huì)輸出單相脈寬調(diào)制波形。在10KV的變頻器中，通過內(nèi)置的主控系統(tǒng)控制功率單元的可控硅開度，每相串聯(lián)的單元數(shù)為8個(gè)，單元的額定電壓為690V，輸出相電壓為5520V，輸出線電壓約為10KV。高壓變頻器滿載時(shí)降容率為20%，橫轉(zhuǎn)矩負(fù)載頻率低于40Hz，風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載頻率低于46.5Hz時(shí)，通過控制高壓變頻器的輸出頻率來控制電機(jī)的電壓，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。每個(gè)功率單元都會(huì)有三種輸出電壓狀態(tài)，經(jīng)過二重化載波移相SPWM調(diào)制，輸出1、0、-1三種狀態(tài)電平，控制模塊也會(huì)有三種不同的搭配類型，分別為Q1Q4導(dǎo)通、Q2Q3導(dǎo)通、Q1Q2導(dǎo)通或Q3Q4導(dǎo)通。

其中的移相變壓器原邊為Y型接線，與高壓電源相連后，其具有的干式結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)強(qiáng)迫風(fēng)冷。輸出電壓決定了副邊繞組的數(shù)量，本文10KV電機(jī)配備24個(gè)二次繞組，移相角度為60°除以每相單元數(shù)量的值為7.5°。每個(gè)功率單元模塊輸出一個(gè)單相的交流電源，本文使用的是8級(jí)串聯(lián)，將功率單元模塊在頻率50HZ時(shí)輸出額定690V的交流電源，每8個(gè)疊加組成一相位5520V，相對(duì)應(yīng)的線電壓約為10KV。

1.2 確定變頻的控制方式

高壓變頻器不僅可以通過調(diào)節(jié)速度實(shí)現(xiàn)節(jié)能，還可以提高電機(jī)功率因數(shù)達(dá)到節(jié)能的目的。由于設(shè)備在運(yùn)行的過程當(dāng)中，為了使電機(jī)產(chǎn)生額定的轉(zhuǎn)矩和速度，會(huì)出現(xiàn)一部分無功功率，不僅造成線損和設(shè)備發(fā)熱，還會(huì)降低設(shè)備有功功率，使電能的使用效率低下[2]。

因此提高電機(jī)的功率因數(shù)可以降低無功功率的損耗，進(jìn)一步提高電能的利用率。冶金企業(yè)使用的普通電機(jī)中，功率因數(shù)一般在0.7～0.85之間，使用變頻調(diào)速裝置后，使用直接轉(zhuǎn)矩控制，將電機(jī)與逆變器整合，采用空間電壓矢量分析方法計(jì)算磁通和轉(zhuǎn)矩，并利用電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)輸入電壓完成電動(dòng)機(jī)定子磁鏈瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的控制，改變轉(zhuǎn)子的平均轉(zhuǎn)差率，完成電動(dòng)機(jī)直接輸出的控制。對(duì)一個(gè)帶整流橋的SPWM變頻器而言，通過它的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，改變瞬時(shí)輸入電壓來控制電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度，而輸出則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電感的功率因數(shù)，改變它對(duì)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差率，從而達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。

1.3 設(shè)計(jì)變頻運(yùn)行的保護(hù)措施

為了保證變頻節(jié)能技術(shù)在運(yùn)行過程中的安全性，要對(duì)高壓變頻器設(shè)置過電壓、過電流、短路保護(hù)等措施。高壓變頻器功率大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在長期運(yùn)行過程中會(huì)受到諧波、內(nèi)部元件等因素的干擾，影響其穩(wěn)定運(yùn)行。出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)，甚至出現(xiàn)短路著火等事故，為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失，造成惡劣的社會(huì)影響。

因此在高壓變頻運(yùn)行過程中，保護(hù)類型主要分為輕故障保護(hù)和重故障保護(hù)。觸發(fā)輕故障保護(hù)時(shí)會(huì)發(fā)送警告信息，設(shè)備可以正常運(yùn)行；當(dāng)觸發(fā)重故障保護(hù)時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)切斷高壓電源并啟動(dòng)聲光報(bào)警。在保護(hù)配置中，采用移相變壓器溫控儀進(jìn)行過熱保護(hù)，采用功率單元柜測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行超溫跳閘保護(hù)。此外還有柜門聯(lián)鎖保護(hù)、光纖通訊故障保護(hù)、輸入過流保護(hù)以及單相接地故障保護(hù)等。因此在工頻運(yùn)行狀態(tài)下，首先要啟動(dòng)判別保護(hù)分析，然后觸發(fā)電流速斷保護(hù)分析，根據(jù)實(shí)際情況，選擇反時(shí)限保護(hù)和堵轉(zhuǎn)反時(shí)限保護(hù)，并根據(jù)跳閘的動(dòng)作原理和原因進(jìn)行檢查，確定故障范圍，保證應(yīng)用了高壓變頻節(jié)能技術(shù)的設(shè)備在出現(xiàn)故障時(shí)，能夠可靠動(dòng)作、及時(shí)報(bào)警并切除故障點(diǎn)。至此完成高壓變頻器在冶金企業(yè)節(jié)能技術(shù)的研究。

2 高壓變頻節(jié)能效益分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的高壓變頻器節(jié)能技術(shù)具有一定的有效性，選擇某冶金企業(yè)的大型設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)試某設(shè)備在改變負(fù)荷的情況下連續(xù)作業(yè)，每個(gè)負(fù)荷狀態(tài)的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為2小時(shí)。首先在設(shè)備上加載負(fù)荷，等到設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行后開始計(jì)時(shí)，記錄2小時(shí)內(nèi)不采用節(jié)能技術(shù)下的電機(jī)轉(zhuǎn)速與功率的平均值；然后搭載高壓變頻節(jié)能技術(shù)，記錄2小時(shí)內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)速與功率。對(duì)比記錄的采用節(jié)能技術(shù)前后的電機(jī)轉(zhuǎn)速與功率數(shù)據(jù)，并進(jìn)行總結(jié)和分析。下表為使用高壓變頻器節(jié)能技術(shù)前后的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)：

表1 設(shè)備使用高壓變頻器節(jié)能前后運(yùn)行參數(shù)比較

在高壓變頻器投入使用后，企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，從上表的技術(shù)數(shù)據(jù)可以看出，隨著負(fù)荷的減少，使用了節(jié)能技術(shù)后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之減少，電機(jī)功率有明顯的下降，節(jié)能效果非常明顯，說明設(shè)計(jì)的節(jié)能技術(shù)具有一定的實(shí)踐應(yīng)用性。

3 結(jié)語

冶金企業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位非常重要，且規(guī)模大，生產(chǎn)過程高度自動(dòng)化，生產(chǎn)模式也是高效、連續(xù)的。但是冶金車間環(huán)境惡劣，且需要不間斷運(yùn)行。為了響應(yīng)國家節(jié)能、低碳生產(chǎn)政策導(dǎo)向，對(duì)高壓變頻節(jié)能技術(shù)嫁接在冶金企業(yè)是必然的，也是重要的舉措。本文通過分析高壓變頻器的節(jié)能原理，確定了節(jié)能技術(shù)的在冶金企業(yè)中的可行性和經(jīng)濟(jì)性。但是就目前的形勢(shì)來說，冶金企業(yè)在風(fēng)機(jī)、水泵中應(yīng)用到高壓變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的情況比較多，軋機(jī)設(shè)備還有待于進(jìn)一步的發(fā)展，因此高壓變頻節(jié)能技術(shù)在冶金行業(yè)中的應(yīng)用前景非常廣闊。