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1.引言

　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，特別是世貿(mào)組織的加入和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，能源問(wèn)題已經(jīng)顯得尤為突出，節(jié)能減排的大力投資成為各個(gè)行業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力新的亮點(diǎn)。而各個(gè)行業(yè)中，電機(jī)的應(yīng)用極為廣泛，它是工況企業(yè)中的主要?jiǎng)恿?，在冶金、石化、電力、礦業(yè)等各個(gè)行業(yè)中，用于風(fēng)機(jī)、軋機(jī)、泵類等大型機(jī)械設(shè)備的拖動(dòng)，尤其高壓電機(jī)的電能消耗非常巨大，占企業(yè)所有電機(jī)電能消耗的65-75%之多。對(duì)于電機(jī)節(jié)能，高壓電機(jī)的節(jié)能尤為突出。目前電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程被定位國(guó)家發(fā)改委啟動(dòng)的十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能來(lái)說(shuō)，不管從調(diào)速、起動(dòng)和制動(dòng)性能上來(lái)說(shuō)，采用可控硅變頻技術(shù)是最為理想的節(jié)能途徑，尤其在某些特定工藝下，中、高電壓、大功率的電機(jī)采用高壓變頻器節(jié)能效果尤為明顯。

2.高壓變頻器的分類及節(jié)能優(yōu)勢(shì)

　　變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器。目前，我國(guó)高壓變頻器呈現(xiàn)三大趨勢(shì)：

　　（1）功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)依然是市場(chǎng)的主流。

　?。?）向大功率方向發(fā)展。

　?。?）隨著高壓變頻技術(shù)的成熟，將大幅拓展工藝控制對(duì)于變頻調(diào)速的需求。

　　高壓變頻器不像低壓變頻器那樣具有成熟的一致性的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是限于功率器件的電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國(guó)內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商，采用不同的功率器件和不同的主電路結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)各種拖動(dòng)設(shè)備的要求，因而在各項(xiàng)性能指標(biāo)和適用范圍上也各有差異。

　　高壓變頻器的分類一般可分為兩大類：

　?。?）交—交變頻器（無(wú)直流環(huán)節(jié)）

　?。?）交—直—交變頻器（有直流環(huán)節(jié)）。

　　其中交—直—交變頻器又可根據(jù)直流環(huán)節(jié)采用大電感以平抑電流脈動(dòng)的變頻器稱為電流源型變頻器，直流環(huán)節(jié)采用大電容以抑制電壓波動(dòng)的變頻器則稱為電壓源型變頻器。圖1為三種高壓變頻器框圖。

圖1：三種高壓變頻器框圖

　　無(wú)論何類變頻器，判斷其優(yōu)劣，首先要看其輸出交流電壓的諧波對(duì)電機(jī)的影響;其次要看對(duì)電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù);再次要看其本身的能量損耗（即效率）如何。

　　無(wú)論何類型的高壓變頻器在特定的工藝要求下，其節(jié)能的優(yōu)勢(shì)都是很明顯的。在以往的大功率電機(jī)的節(jié)能調(diào)速，一般采用下列幾種方式：星/角接啟動(dòng)器、自耦降壓?jiǎn)?dòng)、配套電容補(bǔ)賞器，提高功率因數(shù)　終端電壓、配套電磁調(diào)速器（適合于無(wú)級(jí)調(diào)速），減少啟動(dòng)時(shí)機(jī)械沖擊等。以上幾種節(jié)能調(diào)速，節(jié)能效果均不明顯，并且調(diào)速范圍窄，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、電機(jī)的效率低，損耗大、經(jīng)常出現(xiàn)故障，不能滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要、調(diào)節(jié)精度低，響應(yīng)慢等。高壓變頻器以節(jié)能為目的典型應(yīng)用是風(fēng)機(jī)調(diào)速、泵類調(diào)速，為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門(mén)的截流過(guò)程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過(guò)降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求

　　由流體力學(xué)可知，P（功率）=Q（流量）×H（壓力），流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，如果水泵（或風(fēng)機(jī)）的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。當(dāng)所要求的流量Q減少時(shí)，可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n按比例降低。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率P將按三次方關(guān)系大幅度地降低，比調(diào)節(jié)擋板、閥門(mén)節(jié)能40%一50%，從而達(dá)到節(jié)電的目的，同時(shí)又可提高系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性。

3.案例剖析

　　現(xiàn)在已2006年河南濟(jì)鋼6#高爐出鐵場(chǎng)除塵風(fēng)機(jī)采用的北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器為例，從工藝、變頻器結(jié)構(gòu)、節(jié)能原理以及節(jié)能效果進(jìn)行詳細(xì)的分析介紹。

　　3.1 工藝

　　高爐在生產(chǎn)過(guò)程中，出鐵場(chǎng)產(chǎn)生大量的煙囪，污染環(huán)境，根據(jù)國(guó)家法規(guī)，需要除塵處理。除塵風(fēng)機(jī)是一個(gè)間隙性的工作制度，即高爐出鐵時(shí)使用，不出鐵時(shí)不用，使用率大約在60%左右。圖2為高爐煉鐵出鐵場(chǎng)工藝周期。

圖2：高爐煉鐵出鐵場(chǎng)工藝周期

　　圖2中：

　　A到B、E到F為高爐冶煉時(shí)間，

　　B到C、F到G為升速時(shí)間，可以調(diào)節(jié)，

　　C到D、G到H為高爐出鐵時(shí)間，

　　D到E、H到I為減速時(shí)間，可以調(diào)節(jié)。

　　每次高爐出鐵時(shí)間約50分鐘，為高速段，定為45Hz,可以調(diào)節(jié);高爐冶煉時(shí)間約30分鐘，為低速段，定為5Hz,可以調(diào)節(jié)。

　　3.2 方案選擇

　　根據(jù)以上工藝要求，又因?yàn)槌龎m風(fēng)機(jī)所配電機(jī)為高壓電機(jī)，不允許頻繁啟停。如果風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期采用工頻運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的出口擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量來(lái)滿足生產(chǎn)工藝要求，大量電能白白浪費(fèi)在閥門(mén)上。如果采用液力耦合器調(diào)速，則由以往經(jīng)驗(yàn)可知，液力耦合器存在以下主要缺點(diǎn)：

　　（1）調(diào)速范圍有限，為50～95%，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，高速段減小了設(shè)備的出力能力，低速段影響節(jié)能效益的發(fā)揮;

　?。?）調(diào)速越低時(shí)效率越低，低速時(shí)發(fā)熱厲害;

　?。?）調(diào)速精度低，線性度差，響應(yīng)慢，不大適應(yīng)自動(dòng)控制要求;

　　（4）電機(jī)雖然可以不帶載啟動(dòng)，但仍然有5倍左右的沖擊電流，影響電網(wǎng)穩(wěn)定;

　?。?）必須串入電機(jī)和機(jī)械的連接軸中，不適合于設(shè)備改造;液力耦合器故障時(shí)，沒(méi)有工頻旁路系統(tǒng)，負(fù)載機(jī)械將無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，必須停機(jī)檢修;

　?。?）漏油嚴(yán)重，對(duì)環(huán)境污染大;可靠性差，維修難度大，嚴(yán)重浪費(fèi)人力及影響生產(chǎn)。

　　經(jīng)過(guò)以上的分析，既要滿足工藝要求，又要達(dá)到調(diào)速節(jié)能的目的，采用高壓變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)控制最為理想。方案定為一拖一方案，如圖3所示。變頻器選用專業(yè)制造高壓變頻的北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A系列高壓變頻器。

圖3：高壓變頻器一拖一方案

　　3.3 HARSVERT-A系列高壓變頻器基本結(jié)構(gòu)原理

　　HARSVERT-A系列高壓變頻器為交—直—交電壓源型變頻器，采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入電流諧波畸變小于4%，電網(wǎng)輸入電壓諧波畸變小于2%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，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;輸出波形質(zhì)量好，輸出電流諧波畸變小于2%，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，變頻器每個(gè)系統(tǒng)共有21個(gè)功率單元，每7個(gè)功率單元串連構(gòu)成一相，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中（1）為高壓開(kāi)關(guān);（2）為干式移相隔離變壓器;（3）為電動(dòng)機(jī);（4）為功率單元;（5）為主控箱;（6）為人機(jī)接口;（7）為可編程控制器;（8）為電流霍爾;（9）為電壓檢測(cè)。

圖4：HARSVERT-A系列高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　3.4 變頻調(diào)速節(jié)能原理

　?。?）變頻調(diào)速的方法

　　交流異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速由下式確定：

　　n=60f（1—S）/p……①

　　式中：n-電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速;f-輸入的電源頻率;S-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率;p-電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

　　由公式?可知，變頻調(diào)速就是通過(guò)改變輸入到交流電機(jī)的電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速的目的。

　　變頻調(diào)速系統(tǒng)是從電網(wǎng)直接接收工頻50Hz的交流電，經(jīng)過(guò)交-直-交變頻方式，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電直接輸出到交流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)行。

　?。?）變頻調(diào)速的節(jié)能原理

　　除塵風(fēng)機(jī)作為一種基本的風(fēng)機(jī)類負(fù)載的工作特性如圖5所示。

圖5：除塵風(fēng)機(jī)的工作特性

　　曲線①為負(fù)載按轉(zhuǎn)速N₁工作時(shí)的特性曲線，曲線②為負(fù)載按轉(zhuǎn)速N₂工作時(shí)的特性曲線，③④為管網(wǎng)的阻力曲線。在第一種負(fù)載工況下，負(fù)載工作在A點(diǎn)，流量為Q₁，壓力為H1。如果負(fù)載仍然按N₁速度定速運(yùn)行，用擋板將流量調(diào)節(jié)為Q₂時(shí)，壓力將上升到H₃，負(fù)載工作點(diǎn)移到B點(diǎn)。由于擋板的截流作用，管網(wǎng)阻力曲線由③變?yōu)棰堋?/P>

　　在A、B兩點(diǎn)，負(fù)載功率分別為P_A=H₁×Q₁，P_B=H₃×Q₂，雖然Q₂H₁，實(shí)際減小的功率有限。

　　如果不采用擋板調(diào)節(jié)，這時(shí)管網(wǎng)阻力特性保持曲線③不變，改用調(diào)節(jié)負(fù)載速度來(lái)減小流量，負(fù)載改按速度N2運(yùn)行，工作特性為曲線②，負(fù)載工作在C點(diǎn)，流量仍然為Q₂，但壓力為H₂。

　　相比B、C兩點(diǎn)，負(fù)載減少的軸功率為：ΔP=P_B- P_C=（H₃–H₂）×Q₂

　　在風(fēng)道阻力特性不變的情況下，離心式風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q、壓力H、軸功率P和轉(zhuǎn)速N之間滿足如下關(guān)系（相似定理）：Q∝N，H∝N²,P∝N³

　　所以有：　　就是說(shuō)，通過(guò)調(diào)速方式改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，風(fēng)量下降一半時(shí)，在不考慮到效率的情況下，風(fēng)機(jī)軸功率將下降87.5%。這也是為什么變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)應(yīng)用上節(jié)能十分顯著的原因。

　　另外，工頻50Hz電網(wǎng)直接啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械沖擊較大，聲響很大，估算其啟動(dòng)一次的損耗:Ws=0.5Jwo&sup²;（1+r1/r2）T_m/T_m-T_L，風(fēng)機(jī)類負(fù)載的平方轉(zhuǎn)矩特性與異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性曲線部分相似，可以T_m/T_m-T_L=1計(jì)。而變頻軟起動(dòng)損耗很小，只有上述Ws十分之一，則每年的起動(dòng)節(jié)能也是很可觀的。

　　當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，50Hz滿載時(shí)功率因數(shù)為接近l,工作電流比電機(jī)額定電流值要低許多,這是由于變頻裝置的內(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用,可以為電網(wǎng)節(jié)約容量20%左右。

　　3.5.運(yùn)行效果分析

　　6#高爐出鐵場(chǎng)除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)：額定功率710kW，額定電壓6000V，額定電流89 A，功率因數(shù)0.816，額定轉(zhuǎn)速740r/min.

　　目前帶變頻器時(shí)運(yùn)行實(shí)際輸入值為：電機(jī)高速時(shí)（45Hz）電流為50—55A左右，電機(jī)低速時(shí)（5Hz）電流為1.36A。根據(jù)公式：變頻器出入電壓U1×變頻器輸入電流I1×變頻器本身功率因數(shù)=變頻器輸出電壓U2×工頻電流I2×電機(jī)功率因數(shù)，以上實(shí)際運(yùn)行工頻電流為：電機(jī)高速時(shí)59-65A，電機(jī)低速時(shí)為18A。

　　電機(jī)高速時(shí)，輸入電流55A，輸入電壓6450V，轉(zhuǎn)速740r/min，電機(jī)低速時(shí)，輸入電流1.3A，輸入電壓540V，轉(zhuǎn)速76r/min。

　　實(shí)際不用變頻器時(shí)工頻電流為65A，這可能與變頻器讀數(shù)顯示不準(zhǔn)有關(guān)，現(xiàn)僅以變頻器顯示數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行節(jié)能核算。煉鐵出鐵時(shí)間與不出鐵時(shí)間按60%對(duì)40%考慮。每年按8000小時(shí)考慮。

　　電機(jī)工頻狀態(tài)下，每年耗電量為

　　×Ue×I×cosΦ=1.732×6.450×65×0.816=592.5kW·h

　　每度電按0.5元算，592.5×8000×0.5=2370124元。

　　電機(jī)帶變頻時(shí)：轉(zhuǎn)速與頻率成正比，功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系為P/P_e=（n/n_e）³，

　　所以電機(jī)高速時(shí)：P=P_e×（n/n_e）³/0.96=739.5kW·h，

　　電費(fèi)為：739.5×（8000×60%）×0.5=1774800元，

　　電機(jī)低速時(shí)：P=P_e×（n/n_e）3/0.96=0.74 KW/h，

　　電費(fèi)為：0.74×（8000×40%）×0.5=1184元。

　　一年省去電費(fèi)為：2370124-1774800-1184=594140元，

　　節(jié)省比例為：594140/2370124=0.25，

　　耗電節(jié)省為25%，1年半能收回成本。

　　3.6 應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效果

　　（1）維護(hù)量減少

　　采用變頻調(diào)速后，無(wú)論哪種工藝條件，隨時(shí)可以通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作，通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于啟動(dòng)緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長(zhǎng)了許多零部件的壽命;同時(shí)極大的減輕了對(duì)管道的沖擊，有效延長(zhǎng)了管道的檢修周期，減少了檢修維護(hù)開(kāi)支，節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用。

　?。?）工作強(qiáng)度降低

　　由于調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作工作由手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無(wú)人操作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營(yíng)提供了可靠保證。

　?。?）減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊

　　采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)大的沖擊，減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是直接串聯(lián)于高壓電源與高壓電機(jī)之間的變頻調(diào)速設(shè)備，以其安全、良好的運(yùn)行性能正快速的替代其它調(diào)速產(chǎn)品，全面的進(jìn)入到各個(gè)行業(yè)的節(jié)能項(xiàng)目中。利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的目的是改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行速度，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)工況，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，既滿足了生產(chǎn)要求，又達(dá)到了節(jié)約電能，同時(shí)使維護(hù)量大大降低，為企業(yè)帶來(lái)可觀的效益。在電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能中，高壓變頻器以其節(jié)能的力度，起著重要的作用。

本文摘自中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)