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    摘要：本文分析了高壓變頻器在濟(jì)鋼高爐除塵風(fēng)機(jī)中應(yīng)用，通過計算分析以及實際運行的效果，證明了高壓變頻器在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能中的重要作用。

    關(guān)鍵詞：高壓變頻器 變頻調(diào)速 節(jié)能。  
  
    1.引言

    隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，特別是世貿(mào)組織的加入和市場競爭的加劇，能源問題已經(jīng)顯得尤為突出，節(jié)能減排的大力投資成為各個行業(yè)提高市場競爭力新的亮點。而各個行業(yè)中，電機(jī)的應(yīng)用極為廣泛，它是工況企業(yè)中的主要動力，在冶金、石化、電力、礦業(yè)等各個行業(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，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)能工程被定位國家發(fā)改委啟動的十大重點節(jié)能工程之一。對電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能來說，不管從調(diào)速、起動和制動性能上來說，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

    變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。目前，我國高壓變頻器呈現(xiàn)三大趨勢：

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

    （2）向大功率方向發(fā)展。

    （3）隨著高壓變頻技術(shù)的成熟，將大幅拓展工藝控制對于變頻調(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)各種拖動設(shè)備的要求，因而在各項性能指標(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：

    （1）交—交變頻器（無直流環(huán)節(jié)）

    （2）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。

（a）交－交變頻器      （b）電流源型變頻器            （c） 電壓源型變頻器



圖1：三種高壓變頻器框圖

    無論何類變頻器，判斷其優(yōu)劣，首先要看其輸出交流電壓的諧波對電機(jī)的影響；其次要看對電網(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／角接啟動器、自耦降壓啟動、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（適合于無級調(diào)速），減少啟動時機(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)計配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運行時，除達(dá)到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(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、閥門的截流過程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風(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，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率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，可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率使電動機(jī)轉(zhuǎn)速n按比例降低。這時，電動機(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、閥門節(jié)能40%一50%，從而達(dá)到節(jié)電的目的，同時又可提高系統(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)過程中，出鐵場產(chǎn)生大量的煙囪，污染環(huán)境，根據(jù)國家法規(guī)，需要除塵處理。除塵風(fēng)機(jī)是一個間隙性的工作制度，即高爐出鐵時使用，不出鐵時不用，使用率大約在60％左右。圖2為高爐煉鐵出鐵場工藝周期。

圖2：高爐煉鐵出鐵場工藝周期

    圖2中：

    A到B、E到F為高爐冶煉時間，B到C、F到G為升速時間，可以調(diào)節(jié)；C到D、G到H為高爐出鐵時間，D到E、H到I為減速時間，可以調(diào)節(jié)。

    每次高爐出鐵時間約50分鐘，為高速段，定為45Hz,可以調(diào)節(jié)；高爐冶煉時間約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，又因為除塵風(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)長期采用工頻運行，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門的出口擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量來滿足生產(chǎn)工藝要求，大量電能白白浪費在閥門上。如果采用液力耦合器調(diào)速，則由以往經(jīng)驗可知，液力耦合器存在以下主要缺點：

    （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；

    （2）調(diào)速越低時效率越低，低速時發(fā)熱厲害；

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

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

    （5）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，沒有工頻旁路系統(tǒng)，負(fù)載機(jī)械將無法運轉(zhuǎn)，必須停機(jī)檢修；

    （6）漏油嚴(yán)重，對環(huán)境污染大；可靠性差，維修難度大，嚴(yán)重浪費人力及影響生產(chǎn)。

    經(jīng)過以上的分析，既要滿足工藝要求，又要達(dá)到調(diào)速節(jié)能的目的，采用高壓變頻器對電機(jī)進(jìn)行拖動控制最為理想。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、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，變頻器每個系統(tǒng)共有21個功率單元，每7個功率單元串連構(gòu)成一相，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中(1)為高壓開關(guān)；(2)為干式移相隔離變壓器；(3)為電動機(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。

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

    （1）變頻調(diào)速的方法

    交流異步電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速由下式確定：

    n=60f(1—S)/p……?

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

    由公式?可知，變頻調(diào)速就是通過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機(jī)，實現(xiàn)交流電動機(jī)的變速運行。

    （2）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工作時的特性曲線，曲線②為負(fù)載按轉(zhuǎn)速N2工作時的特性曲線，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，流量為Q1，壓力為H1。如果負(fù)載仍然按N1速度定速運行，用擋板將流量調(diào)節(jié)為Q2時，壓力將上升到H3，負(fù)載工作點移到B點。由于擋板的截流作用，管網(wǎng)阻力曲線由③變?yōu)棰堋?BR>
    在A、B兩點，負(fù)載功率分別為PA＝H1×Q1，PB＝H3×Q2，雖然Q2＜Q1，但H3＞H1，實際減小的功率有限。

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

    相比B、C兩點，負(fù)載減少的軸功率為：ΔP＝PB- PC＝（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，通過調(diào)速方式改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，風(fēng)量下降一半時，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，對電網(wǎng)和機(jī)械沖擊較大，聲響很大，估算其啟動一次的損耗:Ws=0.5J???(1+r1/r2)Tm/Tm-TL，風(fēng)機(jī)類負(fù)載的平方轉(zhuǎn)矩特性與異步電動機(jī)起動時的機(jī)械特性曲線部分相似，可以Tm/Tm-TL=1計。而變頻軟起動損耗很小，只有上述Ws十分之一，則每年的起動節(jié)能也是很可觀的。

    當(dāng)采用變頻調(diào)速時，50Hz滿載時功率因數(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運行效果分析

    6＃高爐出鐵場除塵風(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。

    目前帶變頻器時運行實際輸入值為：電機(jī)高速時（45Hz）電流為50—55A左右，電機(jī)低速時（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)，以上實際運行工頻電流為：電機(jī)高速時59－65A，電機(jī)低速時為18A。

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

    實際不用變頻器時工頻電流為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。煉鐵出鐵時間與不出鐵時間按60%對40%考慮。每年按8000小時考慮。

    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：轉(zhuǎn)速與頻率成正比，功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系為P/Pe＝（n/ne）3

    所以電機(jī)高速時：P＝Pe×（n/ne）3/0.96=739.5kW?h

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

    電機(jī)低速時：P＝Pe×（n/ne）3/0.96＝0.74 kW?h，

    電費為：0.74×（8000×40%）×0.5＝1184元。

    一年省去電費為：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，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調(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。由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件的壽命；同時極大的減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護(hù)開支，節(jié)約大量維護(hù)費用。

    （2）工作強(qiáng)度降低

    由于調(diào)速系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實現(xiàn)計算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實現(xiàn)自動運行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報警，操作工作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運營提供了可靠保證。

    （3）減少了對電網(wǎng)的沖擊

    采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動，電機(jī)啟動電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。

    4 結(jié)束語

    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)入到各個行業(yè)的節(jié)能項目中。利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的目的是改變設(shè)備的運行速度，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)現(xiàn)場工況，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，既滿足了生產(chǎn)要求，又達(dá)到了節(jié)約電能，同時使維護(hù)量大大降低，為企業(yè)帶來可觀的效益。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。

    作者簡介：任艷艷（1975-），女（漢族），河南濟(jì)源人，濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系講師，工程碩士，研究方向：單片機(jī)、PLC及自動控制系統(tǒng)的研究。