1、引言 韶關冶煉廠煙化爐，是用于處理密閉鼓風爐爐渣的爐窯設備，其主要設備主鼓風機（型號為d210-4）是為煙化爐吹煉過程中提供高壓空氣，由一臺6kv，500kw的三相交流異步電動機（型號為jk2500-2）拖動。由于煙化爐吹煉作業是間歇性的，一般情況下，作業周期是120～180min，其中放渣15～20min，進料15～40min，每天其正常作業周期內各階段吹煉的需求風量變化很大，過去缺乏安全、有效的手段對風量進行調節，多數情況下，只能靠開、閉放空閥來調節入爐風量，造成大量電能浪費。因此，1998年韶關冶煉廠同長沙礦山研究院合作，共同開發研制出了采用電壓型變頻器構成的高-低-高式高壓變頻調速系統，用于韶關冶煉廠煙化爐風機的調速節能運行，取得了成功。 2、系統的方案選擇 根據本系統電壓等級為6kv，容量為500kw的三相交流異步電動機，可提出以下三種變頻方式: （1） 將高壓電動機換為低壓電動機，采用低壓變頻器，構成“高-低”式變頻調速系統; （2） 采用直接高壓變頻器; （3） 采用“降壓變壓器+低壓變頻器+升壓變壓器”構成“高-低-高”式變頻調速系統。 第1種方案必須更換原有電動機，增加變壓器等附屬設備，更換掉原有電動機，系統變化太大，不宜采用;第2種方案價格過于昂貴，對于小容量的電動機不合算;因此本系統最終決定采用第3種“高-低-高”式變頻調速方案。 3、系統設計 本高壓變頻調速系統的方案圖如圖1所示。 高壓（6kv）經高壓斷路器送至降壓變壓器，根據電網對諧波的要求，采用的12脈沖整流，因此降壓變壓器為三繞組變壓器，它將6kv電壓分別降至400v，送至各自的6脈沖整流橋。經過脈沖整流到達直流母線，經預充電回路和主接觸器，再經直流環節濾波器送至逆變器變頻變壓，為了獲得接近于正弦波的輸出電壓，本系統增加了正弦波濾波器，經濾波器輸出的接近于正弦波的電壓再經二繞組的升壓變壓器升壓后，供給高壓異步電動機。在本變頻調速系統的兩端，設有高壓開關切換控制柜，以實現高壓供電和切換。 3.1 電機的數據 電機采用原有的老電機，電機的銘牌數據為: 沈陽電機廠 出廠:72.12 由于這是一臺1972年出產的老電機，已使用多年，而且是b級絕緣，絕緣等級低，對于這樣的電機，若采用電流型變頻器構成高-低-高式高壓變頻器是難以承受的，它對變頻器調速系統的輸出電壓波形有嚴格的要求，否則將損壞電機。 3.2 采用三繞組變壓器和12脈沖整流 采用三繞組變壓器和12脈沖整流，將兩個橋式整流電路雙重聯結以減少諧波對電網的污染。降壓變壓器作為輸入變壓器，采用三繞組是為滿足12脈沖整流要求，采用分裂式結構形式，一個高壓繞組，兩個低壓繞組，兩個低壓繞組移相30°電角度分別給兩組二極管整流橋供電，每個二級管整流橋均為三相全波整流，共產生的諧波可按下式計算: h=k＊p±1 式中:h—諧波次數; k—自然數（1,2,3…）; p—整流橋脈沖數，本系統p=12。 由此可見，本系統僅含11、13、23、25、……次諧波，有效地消除對電網污染量嚴重、危害最大的5次、7次諧波等。這種12脈沖整流可使諧波含量基本符合國際gb/t14549-93《電能質量.公用電網諧波》的規定，也符合國際ieee-519標準對諧波的規定，同時，這種電壓型變頻器的二級管整流橋保證了在整個調速范圍內，有不低于0.93的功率因數。 3.3 采用電壓源型變頻器 采用電壓源型變頻器，以降低變頻器價格和獲得正弦波輸出電流。本系統采用意大利ansaldo工業系統公司svtl860fn柜裝型變頻器，變頻器由三個柜體組成，分別為整流柜，逆變柜以及輔助電源柜，其電路原理如圖2所示。 （1） 整流回路 主要由兩組三相刀開關，兩組二級管整流、主接觸器、預充電回路、電壓、電流互感器等組成。系統初上電時預充電路閉合，通過限流電阻r給直流濾波電容預充電，避免合閘時電容上產生過電壓，擊穿電容。檢測到電容端電壓超過80%額定電壓時，預充電回路斷開，系統就緒，準備接受控制指令。當檢測到過流、欠壓、過壓、過熱等故障時，主接觸器跳閘，系統進入保護狀態，保證系統安全。 （2） 逆變回路 主要由igbt逆變橋、觸發單元、控制單元、操作面板、直流濾波電路等，以及其它輔助單元等組成，整流輸出的直流電經直流濾波回路濾波后送入逆變橋，根據所輸入的控制參數由控制單元、觸發單元等，控制逆變器的輸出。 （3） 變頻器的主要技術參數 主要技術參數有: 供電電壓:380v～415v ac ±10% 輸入頻率:50～60hz ±3hz 輸出頻率:0.1～480hz 過載:110%～150% 1min 控制模式:矢量控制/標量控制 開關頻率:2～16khz 電網側功率因素:＞0.95 在額定功率時的效率＞0.98 防護等級:ip31（標準） 標準功能:轉速/扭矩矢量控制（本系統采用速度控制） 加速/減速時間0.1～3000s 最大和最小頻率限制 滑差補償（v/hz控制） 三個跳躍頻率 跳躍頻率寬度范圍0～30hz 保護功能主要有: cpu故障 過電流 過電壓/欠電壓 過熱，電機過載: 電機失速保護 速度/扭矩4～20ma信號丟失 直流過電壓 輸出電路短路和接地保護等 （4） 采用正弦波濾波器, 以保證輸出電壓接近于正弦波 為了減少變頻器輸出電壓的諧波含量，采用pwm脈沖寬度調制的控制方式，即逆變器的輸出為一組高頻方波，它近似地代替正弦波，通過調節脈沖寬度來控制輸出電壓的大小，而且調制頻率越高，諧波含量越小，du/dt則隨著調制頻率的升高而增大。若直接將逆變器的輸出電壓（見圖3）送至輸出變壓器升壓，則輸出變壓器的波形將產生較大的畸變，產生較大的尖峰電壓，這將嚴重威脅到電機的絕緣，甚至達到不能允許的程度。這也是以往人們認為電壓型變頻器不能用于高-低-高式變頻調速系統的原因。 為了解決這一問題，在逆變器的輸出側設置正弦波濾波器，濾去高頻諧波分量。在參數選擇適當時，可使輸出電流波形接近于正弦波，如圖4所示。 由兩波形對比可見:不帶輸出濾波器時，電壓波形含有斷續的很高的du/dt值，電壓波形畸變率很高，通過輸出變壓器升壓，將在輸出電壓波形上疊加尖峰電壓，損壞電機絕緣，導致電機過早損壞;而增加輸出濾波器（正弦波濾波器）后，輸出電壓波形接近于正弦波，電壓波形畸變率小于3%，而且電流波形的畸變率非常低，這使得在整個運行速度范圍內，電機轉矩脈動都非常小。同時，高次諧波引起的電機附加發熱、導致電機的額外溫升也非常小，因此，我們可以使用原有的電機，而無須重新選用變頻器專用的電機。 （5） 升壓變壓器的特殊設計，以保證輸出電流波形不產生畸變 輸出變壓器為二繞組變壓器，接線方式為△/y，由于變頻器輸出電壓波形為高頻調制脈沖波形，盡管經過正弦波濾波器，已可接近正弦波，但仍有一些尖峰毛刺，而且輸出頻率為5～50hz。因此對本變壓器需作特殊設計，以保證輸出電流波形不產生畸變，不產生高頻振蕩，降低噪聲，同時保證變壓器在規定范圍內發熱，本變壓器達到了這些要求。 4、煙化爐風機變頻調速系統的應用效果 4.1 煙化爐使用本系統后某個送風周期系統實驗數據 煙化爐使用本系統后某個送風周期系統實驗數據如表1所示。 4.2 本系統節能計算 采用本系統前后電能消耗的對比分析如表2所示。 由表2的統計可以計算出在使用了高壓變頻調速系統前后，煙化爐風機的年耗電量（一年開爐時間按230天計算）及節能數據。 原系統年耗電量為:9944.917×230=2287330.91（kwh） 新系統年耗電量為:211.315×24×230=1166458.8（kwh） 年節約電量為:2287330.91-1166458.8=1120872.11（kwh） 按韶冶現行電價0.61元／kwh計算，年節約電量 =0.61×1120972.11=68.3731萬元。 本系統于1999年8月投入運行至今，使用情況良好，具有以下優點: （1） 滿足了煙化爐的工藝要求，該控制系統可靠性高，滿足了煙化爐冶煉過程中對風量和壓力的嚴格要求，為煙化爐的生產提供了保證; （2） 變頻器的使用節電效果顯著，每年節約電費68萬多元; （3） 轉速調節性能好，該變頻調速控制系統使得風機的動態響應好，靈敏度高，調速范圍寬; （4） 由于變頻器采用軟啟動的方式，對電機及風機的機械損傷極小，較好的保護了設備，設備故障率大大降低，減少了維修費用; （5） 由于采用按鈕及調速電位器進行操作，提高了自動化程度，方便了工人的操作。 5、結束語 韶冶煙化爐鼓風機高壓變頻調速系統的設計成功，并一次通過試車驗收，形成年節電能112萬kwh，節電率達49%，投資回報期為不到18個月，經濟效益顯著。通過五年多的生產實踐，該項高壓變頻調速系統工作運行穩定、可靠。證明本系統的設計是成功的，用電壓型變頻器構成高-低-高式變頻調速系統，在國內是一個創新，開辟了應用性能優良、價格較便宜、可靠性高的常壓電壓型變頻器用于高壓變頻調速系統的先例。