1　前言 　　河北邯鄲鋼鐵廠8萬煤氣柜外送煤氣加壓機其工藝要求上是給邯鄲鋼鐵廠西部煤氣管網配比轉爐煤氣，混合后煤氣供給三煉鋼、煤氣發電、和高爐、中板等多處同時供應煤氣，用戶較多而需求量變化較大，同時受焦爐煤氣供給量的限制，使得加壓機調節量較頻繁。 　　邯鋼三煉鋼轉爐煤氣回收8萬煤氣柜1#、2#加壓機系統原設計采用傳統做法，即風機以定速方式運行，通過風機擋板來調節風量和風壓，其弊端主要表現為: （1）調節擋板前后壓差增加，工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加; （2）風機定速運行，擋板調整節流損失大，出口壓力高，系統效率低，造成能源的浪費; （3）風道壓力過高，威脅系統設備密封性能; （4）長期的40－70％開度，加速擋板自身磨損，導致擋板控制特性變差; （5）設備使用壽命短，日常維護量大，維修成本高，造成各種資源的浪費; （6）設備起動沖擊電流大，需增加配電設備容量而增加投資; （7）與dcs不能直接配合，難于實現自動化控制與操作。 為此邯鄲熱力廠經過多方調研、分析，于2005年11月20日采用2套由哈爾濱九洲電氣股份有限公司生產的power smarttm——高壓變頻調速控制裝置來控制三煉鋼轉爐煤氣回收8萬煤氣柜煤氣1#、2#加壓機機組，通過改變電機轉速來調整風機的風量和風壓。 2　改造前調節方式及存在的問題 　　改造前是通過調節機后擋板來實現，當擋板調到50％以下時，由于氣流不均，管道將會有喘振現象，管道震動加大，所以在機后擋板開到一定開度必須打開回流擋板，使一部分煤氣再流回煤氣柜，這將浪費一部分電能;同時用擋板調節流量時，是人為地增加了管網阻力，也將會多消耗一部分電能。 3　采用變頻調速裝置的特點 3.1　變頻調速裝置是通過改變電機電源的頻率，使電機在不同的頻率下運行，從而使電機的轉速改變 （1） 調速范圍寬，可以從零轉速到工頻轉速的范圍內進行平滑調節; （2） 在大電機上能實現小電流的軟啟動，啟動時間和啟動的方式可以根椐現場工況進行調整; （3） 頻率的調整是根據電機在低頻下的壓頻比系數進行電壓和頻率的輸出，在低轉速下，電機不僅是發熱量低，而且輸入電壓低，將使電機絕緣老化速度降低。 3.2　技術新穎 　　串聯多重化疊加技術的應用實現了真正意義的高-高電力變換，無需降壓升壓變換，降低了裝置的損耗，提高了可靠性，解決了高壓電力變換的困難。串聯多重化疊加技術的應用還為實現純正弦波、消除電網諧波污染開辟了嶄新的途徑。 3.3　性能指標高 （1）高功率因數，達0.95以上，無需另加功率因數補償裝置，避免了因無功帶來的損耗; （2）效率高，高達96%以上，遠遠高于晶閘管大功率調速裝置; （3）符合ieee519-1992標準的嚴格要求，不對電網產生諧波污染，無需任何濾波裝置; （4）對電機不產生諧波污染，有效降低了電機的發熱量，噪聲與采用工頻供電時相近; （5）轉矩脈沖很低，不會導致電機等機械設備的共振，同時也減少了傳動機構的磨損; （6）輸出波形完美，失真度小于1% ; （7）電動機的電應力強度與采用工頻供電時相近，無需配備特殊電動機; （8）與電機的連接不受電纜長度的限制。 3.4　科技含量高 （1）采用大規模門陣列cpld電路，實現了pwm控制的高度實時性、快速性和準確性; （2）兩光纖實時傳送技術，獲得了國家發明專利，使得控制單元與功率單元之間的通訊更加迅速、可靠; （3）特別設計的h橋逆變電路，已獲得了國家專利，為系統運行的可靠性提供了保障; （4）完善的功率單元旁通技術，已獲得了國家專利，進一步提高了系統運行的可靠性; （5）控制部分采用高性能的dsp和fpga芯片，使得控制系統的性能大大提高，實現恒定v/f和恒轉矩控制，提升特性可任意設定，滿足各種機械啟動及運行的要求; （6）優秀的dsp軟件數學模型，使得系統運行的實時性和效率大大提高。 4　power smarttm高壓變頻調速控制裝置系統技術方案 4.1　系統組成 　　power smarttm系列高壓變頻調速系統主要由切分移相干式變壓器柜、功率單元柜、控制單元柜、遠控操作箱、旁路開關柜等部分組成。 4.1.1　切分移相干式變壓器 切分移相干式變壓器為變頻器的輸入設備，一般由鐵心、輸入繞組、屏蔽層、輸出繞組及冷卻風機、過熱保護等部分構成。 為了兼顧安全、防塵、維護以及美觀等要求，一般將其安裝在柜內。 power smarttm系列高壓變頻器選用的變壓器，其絕緣等級為h極，絕緣材料部分選用進口的美國杜邦公司優質產品，溫升可達150℃;真空浸漆，免維護。 變壓器的原邊為星形連接，在最內側。副邊在外側，為沿邊三角形連接，根據不同的電壓等級，一般有9、18或27個三相的副邊繞組。在原副邊繞組之間另設有一層接地屏蔽層。副邊的三相繞組可分為三大組，分別供給功率單元柜中的三個相，每一大組中各個三相小繞組的輸出電壓幅值相同，之間的相位移有20°、10°或6.6°。 　　變壓器柜另配有溫度監測裝置，在繞組溫度超過警戒溫度時能提供過熱警告信號和過熱故障信號。變壓器柜頂部裝有引風機以排出變壓器在工作時產生的熱量。柜門安裝有防塵網。 4.1.2　控制單元柜 　　主控制器的外觀如圖1所示。 [align=center] 圖1　主控制器的外觀[/align] 控制單元基本原理框圖如圖2所示。 [align=center] 圖2　控制單元基本原理框圖[/align] 　　控制單元柜主要由主控制器、溫控器、風機保護器、人機界面（數碼管和彩色觸摸屏可選）、plc、嵌入式微機、開關電源、emi模塊、隔離變壓器、空氣開關、接觸器、繼電器、模擬量模塊、開關量模塊等組成。 　　主控制器由總線板、電源單元、cpu單元、接口單元、3個相控單元及開關量、模擬量的輸入、輸出子模塊等組成。它是變頻器的控制核心，由兩片dsp及多片fpga、clpd等構成，通過優質光纖將pwm信號傳送到功率單元中，從而實現了高可靠的控制。 　　溫控器，可以接3個感溫探頭，來測試切分變壓器的溫度，并提供告警或保護節點。 　　風機保護器，有3臺，用來監控風機的缺相、過流等。其中，接功率單元柜的為2臺，切分變壓器柜1臺。 　　plc，內置pid調節模塊和程序，可以實現閉環控制。它還含有模擬量、開關量模塊，其路數可根據用戶要求進行定制。 　　人機界面，設在控制單元柜前門上，用來提供設置、監視和切換等操作。它分別有數碼管方式和彩色觸摸屏方式兩種，根據用戶需求可進行選配，分別如圖3和圖4所示。 [align=center] 圖3　數碼管操作面板（以6kv為例） 圖4　液晶觸摸屏操作界面[/align] 4.1.3　功率單元柜 　　功率單元柜，一般由1～2臺柜構成，主要由功率單元、電流互感器、輸出電壓檢測單元、風道風壓檢測裝置及高壓電纜等組成。 　　10kv系統功率單元共計27個，平均分屬3個相（自上而下分別為u,v,w），每相9個首尾相串，相間采用星形連接。電流互感器作為電流采集、處理、監視及電流閉環用，共2只，分別串入功率單元星點連接處的u相和w相上。輸出電壓檢測單元，輸入端分別接至星形連接的3個相端。用來檢測輸出電壓等信息。風道風壓檢測裝置用來實時檢測冷卻風道是否暢通，風壓可以實時動態顯示，它與風機電腦保護器、溫控器一起共同組成變頻系統冷卻監視系統，進一步使變頻器熱量能夠及時傳導出去，確保變頻器可靠運行。 　　不同功率和電壓等級的變頻器，所采用的功率單元的型號是不同的。 4.2　工作原理 　　變頻器工作原理如圖5所示。 [align=center] 圖5　變頻器系統工作原理圖 圖6　功率單元模塊電路構成簡圖[/align] 　　如圖6所示，功率單元模塊由整流二極管、絕緣柵雙極性晶閘管（igbt）構成的三相低壓輸入，單相輸出低壓的pwm電壓型逆變器。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規低壓變頻器。 　　power smarttm系列高壓變頻器是采用單元串聯多重化技術屬于電壓源型高-高式高壓變頻器，是利用低壓單相變頻器相互串聯，來彌補功率器件igbt的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個低壓功率單元串聯組成，各功率單元由一個多繞組的移相隔離變壓器來獨立供電。 以10kv高壓變頻器為例，10kv系列有27個功率單元，每 9個功率單元相串聯為一相（見圖6）。每個單元的輸入電壓為三相650v，輸出則為單相650v，單元相互串聯疊加后可輸出相電壓5850v。當變頻器輸出頻率為50hz時，相電壓為19階梯波，如圖7所示。圖7中ua1 … ua9分別為a相9個功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器a相輸出電壓ua0。圖7中顯示出了生成pwm控制信號時所采用a相參考電壓uar，可以看出ua0很好地逼近uar。uaf為a相輸出電壓中的基波成分。 [align=center] 圖7　單元串聯相電壓波形的生成[/align] 　　由于變頻器中點與電動機中性點不連接，變頻器輸出實際上為線電壓，由a相和b相輸出電壓產生的uab輸出線電壓可達10000v以上，為37階梯波。如圖7所示，為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形，uab不僅具有正弦波形而且臺階數也成倍增加，因而諧波成分及dv/dt均較小。 變頻器輸出的三相電壓加到電動機上，產生電流使電機旋轉，額定運行時電機的電壓和電流（實測波形）如圖8所示，可看出由于輸出電壓的諧波很小，電機電流接近于正弦波。 [align=center] 圖8　額定運行時電機的電壓和電流（實測波形）[/align] 　　采用多重化疊加的方式，使變頻器輸出電壓的諧波含量很小，不會引起電動機的附加諧波發熱。其輸出電壓的dv/dt也很小，不會給電機增加明顯的應力，因此可以向普通標準型交流電動機供電，而且無需降容使用。由于輸出電壓的諧波和dv/dt都很小，不需要附加輸出濾波器，輸出電纜也無長度要求。由于諧波很小，附加的轉矩脈動也很小，避免了由此引起的機械共振，傳動系統及軸承的磨損也大為降低。 5　技術方案 　　三煉鋼轉爐煤氣回收8萬煤氣柜煤氣1#、2#加壓機風機實際應用中主電路如圖9所示。 [align=center] 圖9　主回路方案圖[/align] 　　當變頻器出現嚴重故障時，系統能夠根據需要手動轉入工頻電網中，電機全功率運行，（也可以自選擇采用手動或者自動相切換的方案）。本方案中 qs1和qs2、qs3分別為電機工頻、變頻運行選擇隔離開關。各隔離刀閘之間要求用程序實現嚴格可靠的機械互鎖和電氣閉鎖，以防止誤操作，同一狀態只允許qs1閉合工作或qs2和qs3閉合工作。 6　實際應用設備參數 　　三煉鋼轉爐煤氣回收8萬煤氣柜煤氣1#、2#加壓機風機實際參數: （1）風機型號為01100-11，其性能如表1所示。 [align=center]表1　風機參數 [/align] （2）異步電動機型號為yaksp500-2，其性能如表2所示。 [align=center]表2　異步電動機參數 [/align] （3）變頻器參數 名稱:高壓大功率變頻調速裝置 型號:jzhicon-ia-10/075; 額定輸入電壓:10000v; 額定輸出電壓:10000v; 額定輸出頻率:50hz; 額定功率:1250kva; 額定輸出電流:75a; 輸出頻率調節范圍:0～50 hz; 生產廠家:哈爾濱九洲電氣股份有限公司。 7　節能情況分析 7.1　電動機工頻運行與變頻運行工況對比，對比參數如表3所示 [align=center] 表3　工、變頻運行時參數對比[/align] 　　在現有負荷下，工頻運行，實測電動機電流:35-40a，運行頻率:50hz，出口擋板開度:50% 電動機變頻調速運行時的工況: 　　變頻器一次電壓10kv，平均電流10-32a 　　電動機電流:運行頻率:30hz-40hz，　變頻器輸出電壓:6000-8000ｖ 　　輸出電流14-35a　　 　　出口擋板開度:100% 7.2　電動機工頻運行時的耗電量 　　每小時耗電量:（35a÷59.4a）×850 kw×1h = 500 kw.h 　　每天耗電量:500 kw.h×24h = 12000 kw.h 　　每年耗電量:12000 kw.h×365天 = 4380000 kw.h 7.3　電動機采用高壓變頻調速裝置后的節電量 　　每年節電量:4380000kw.h - 928560 kw.h = 3451440kw.h 7.4　平均節電率 　　3451440 kw.h÷5014141.4 kw.h = 70% 7.5　年節約電費（每臺） 　　邯鄲鋼鐵集團有限責任公司綜合電價0.45元/ kw.h 　　年節約電費（每臺）＝3451440 kw.h×0.45元/ kw.h＝1553148元＝155萬元 8　應用效果 　　其主要應用效果還有: （1）變頻起動對電網沒有任何沖擊。由于有變頻調節，對于風機可以實現變頻軟起動，風機在低頻下啟動，啟動電流很小，啟動時間延長，避免了原來在較大慣性負荷情況下，數倍的額定起動電流對電網和機械設備的沖擊，有效延長了電機壽命。而且變頻還可以隨時起動或停止; （2）按需調節風量，避免浪費。由于變頻器通過變頻調節風機的轉速來控制風機的送風量而不再需要由風門來調節，其調節范圍可以從0%～100%;因而可以根據生產工藝要求隨意調節風量，減少了不必要的浪費; （3）變頻節能運行，節約了大量能源。采用變頻使用后，不再使風機一直處于滿負荷工作狀態，另外風機閥門處于全開狀態，其節能效率顯著; （4）降低風機工作強度，延長使用壽命。采用變頻后，風機的大部分工作時間都在較低的速度下運行，因而大大降低了風機工作的機械強度和電氣沖擊，將會大大延長風機的使用壽命，降低維修強度; （5）使用變頻后，由于啟動和停止時間都可以設定，減少了對煙道、風道和風門擋板的沖擊腐蝕，相應的延長了很多零部件的使用壽命，有效的提高了相應設備的檢修周期，節約了大量維護費用; （6）可使電動機與風機直接相連接，減少傳動環節的費用; （7）電機和風機運轉速度下降，潤滑條件改善，傳動裝置的故障下降; （8）系統壓力降低，對管道的壓力和密封等條件緩解，延長使用壽命; （9）與dcs系統的可靠銜接，其完善的監控性能和高可靠性提高了工作效率，減少了檢修和維護的工作量。 9　結束語 　　power smarttm高壓變頻系統由于其節能效果明顯，并且實現了電機軟啟動，延長了電機和風機的使用壽命，由于風門全開，極大的延長了風門的使用和檢修周期，也減少了風管的振動和摩擦。于2005年11月24日正式投入生產運行，該變頻系統工作穩定、性能可靠，即滿足了生產工藝的要求，又具有顯著的節能效果，在對三煉鋼轉爐煤氣回收8萬煤氣柜1#、2#煤氣加壓機系統上的應用，有著不可磨滅的效能。