1 引言 隨著市場競爭的不斷加劇，節能降耗成為企業提高產品市場占有率、競爭力的有效手段之一。而高壓大功率變頻調速技術的日益成熟，使得該項技術廣泛應用于冶金、石油、化工、電力等各個行業。濟鋼集團公司第三煉鋼廠10臺除塵風機控制系統目前采用的是直接啟動和液力耦合器調速系統，調速和起動方法仍很落后，浪費了大量的能源且造成機械壽命的降低。在這種形勢下，濟鋼第三煉鋼廠決定對除塵系統進行高壓變頻技術改造，經多方考察研究，首先選用廣州智光公司生產的高壓變頻調速系統對1#精煉除塵風機進行調速節能改造。 2 1#精煉除塵風機設備概況 濟鋼三煉鋼廠1#精煉除塵風機電機為湘潭電機廠生產的1250kW高壓異步電機，機組的主要參數如下: （1）精煉除塵電機參數 型號：YKK630-6; 功率：1250kW; 電壓：10kV; 電流：87.1A; 轉速：995r/min; 頻率：50Hz； 接法：Y; 防護等級：IP54; 冷卻方式：IC611; 絕緣等級：F； 廠家：湘潭電機廠。 （2）精煉除塵風機工藝參數 型號：Y5-2 48-14NO2LF； 形式：雙吸入離心式； 布置方式:進氣135°/出氣0°; 支撐方式:雙支撐； 處理量：3.7×105m3/h； 全壓：6100Pa（70℃）； 轉速：980r/min； 軸功率：934.7kW（20℃）； 廠家：南通金通風機有限公司。 3 高壓變頻器節能效益分析和產品應用 3.1 應用高壓變頻器節能效益分析 根據風機、泵類平方轉矩負載關系式:P/P0=（n/n0）3計算,（式中為P0額定轉速n0時的功率；P為轉速n時的功率）,1#精煉除塵風機P=1250kW,運行工況以24h連續運行計算，其中每天18h運行在90%負荷（頻率按46Hz計算），6h運行在50%負荷（頻率按25Hz計算）；全年運行時間按照300天計算,則高壓變頻調速時每年節電量為Wb: 高速運行時節電量：Wb1 =1250×18×[1-（46/50）3]×300 =1493375kW·h 低速運行時節電量：Wb2 =1250×6×[1-（25/50）3] ×300 =1968750 kW·h 所以高壓變頻器調速總的節電量為:Wb =Wb1+Wb2 =1493375+1968750 =3462125kW·h 若按0.5元/ kW·h進行計算，則1#精煉除塵風機采用高壓變頻調速后每年節約電費：3462125×0.95×0.5=164萬元。 3.2 目前高壓變頻器產品應用分析 近年來，各種高壓變頻器不斷出現，高壓變頻器到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣近乎統一的拓撲結構。根據高壓組成方式可分為直接高壓型和高—低—高型，根據有無中間直流環節來分，可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器，在交—直—交變頻器中，按中間直流濾波環節的不同，可分電壓源型和電流源型。下面將對目前使用較為廣泛的幾種高壓變頻器進行分析，指出各自的優缺點。 電流源型變頻器技術成熟，且可四象限運行，但由于高壓時器件串聯的均壓問題，輸入諧波對電網的影響和輸出諧波對電機的影響等問題，使其應用受到限制。而且變頻器的性能與電機的參數有關，通用性差，電流的諧波成分大，污染和損耗較大，且共模電壓高，對電機的絕緣有影響。AB公司Power Flex 7000系列采用耐壓值為6.5kV的SGCT功率管，最高電壓也僅做到6.6kV。 電壓源型變頻器由于輸出側的dv/dt比較嚴重，需要采用輸出濾波器。由于受到器件耐壓水平的限制，最高電壓只能做到4160V。 單元串聯多電平PWM電壓源型變頻器具有對電網諧波污染小、輸入功率因數高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置。輸出波形好，不存在由諧波引起的電動機附加發熱和轉矩脈動、噪聲、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電動機。單元串聯多電平變頻器的輸出電壓可以達到10kV，甚至更高。 比較以上三種類型高壓變頻器，由于單元串聯式多電平變頻器的輸入、輸出波形好，對電網的諧波污染小，輸出適用普通電動機，近幾年來發展迅速，在我國得到廣泛應用，尤其在風機水泵等節能領域，幾乎形成壟斷的態勢。在濟鋼第三煉鋼廠1#精煉除塵高壓電機為電壓等級為10kV的普通籠型異步電動機，單元串聯多電平電壓源型變頻器是最合適的選擇。 單元串聯多電平電壓源型變頻器由西門子羅賓康公司發明并申請專利，取名為完美無諧波變頻器。由于羅賓康公司的專利申請僅在美國，在我國該技術屬于公知技術，北京利德華福生產的高壓變頻器也是采用這種結構。除了上述兩家外，國內外有山東新風光、上海艾帕、合康億盛、湖北三環、廣州智光等許多廠家生產該類型變頻器。濟鋼經多方考察、比較、招標，選用了廣州智光公司生產的高壓變頻調速系統。 4 廣州智光ZINVERT高壓變頻調速系統的特點 廣州智光ZINVERT系列高壓變頻調速系統是集當代最先進高壓大功率電力電子控制技術、微電子技術、光電通訊技術、計算機技術、自動化控制技術和高電壓技術等為一體的高新技術產品，為直接高壓輸出型高壓變頻器，其采用功率單元串聯技術，解決了器件耐壓的問題，級間SPWM信號移相疊加，提高了輸出電壓諧波性能、降低了輸出電壓的dv/dt;通過電流多重化技術降低了輸入側諧波，減小了對電網的諧波污染；主控制器采用雙數字信號處理器（DSP）、超大規模集成電路可編程器件（CPLD和FPGA）為核心，配合數據采集、單元控制和光纖通信回路以及內置的可編程邏輯控制器（PLC）構成系統控制部分。 4.1 智光ZINVERT高壓變頻系統組成與原理 ZINVERT系列高壓變頻調速系統整體結構上由整流變壓器、功率逆變柜及控制柜組成，實際使用時還可以按照用戶要求配套手動或自動工頻旁路切換柜。 4.1.1 整流變壓器 整流變壓器副邊繞組相互隔離，并采用移相延邊三角形接法，保證系統工作再在20%負載以上時電網側的功率因數保持在0.96以上。輸入變壓器實行多重化設計，達到降低諧波電流的目的。輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置。以6kV變頻器為例，變壓器的15個二次繞組，采用延邊三角形聯結，分為5個不同的相位組?；ゲ?2°，形成30脈波二極管整流電路結構，所以理論上29次以下的諧波都可以消除，輸入電流波形接近正弦波?？偟闹C波電流失真可低于1％。 4.1.2 功率單元電氣原理 功率單元主要由三相全橋整流器、濾波電容器組、IGBT逆變橋（H橋）構成，同時還包括功率器件驅動、保護、信號采集、光纖通信等功能組成的控制電路。通過控制IGBT的工作狀態，輸出PWM電壓波形。其電氣原理如圖1所示。 4.1.3 功率單元的串聯 ZINVERT系列高壓變頻調速系統是由多個功率單元經過移相串聯而成。電壓疊加原理類同于“電池組疊加”技術，以圖2所示的6kV每相六單元串聯為例，每個單元輸出交流電壓有效值為577V，相電壓即達到3450V，線電壓則為6kV，輸出相電壓諧波量很小，接近于標準正弦波。 4.2 智光ZINVERT高壓變頻控制系統 ZINVERT系列高壓變頻調速系統的控制采用開環、壓頻比控制，結構簡單、工作可靠，主控制部分以雙數字信號處理器（DSP）為控制核心，輔以超大規模集成電路可編程邏輯器件（CPLD和FPGA）、模擬輸入和模擬輸出（AI/O）單元、數字量輸出接口（DI/O）。人機界面由大屏幕漢化液晶顯示器（LCD）、數碼管顯示（LED）和觸摸按鍵組成。單元的控制部分以可編程器件（CPLD）為核心，配置專用的IGBT驅動和保護模塊與輸入電壓、輸出電流、直流電壓、器件溫度檢測回路。主控制部分和單元控制部分的控制信號通過光纖進行信號傳輸，有效地避免了電磁干擾，保證了系統控制信號傳輸的可靠性。 4.2.1 控制策略 ZINVERT系列高壓變頻調速系統采用輸出壓頻比控制方式，根據異步電動機的穩態數學模型，只要保證電動機反電動勢和定子頻率比值恒定，就可以使電機運行在額定磁通的情況下，達到效率最優點。同時，在忽略定子電阻和漏感的情況下，電機的反電動勢等于定子端電壓。由于反電動勢難以直接控制，所以在近似的情況下，采取保證電機端電壓和定子頻率比值恒定的策略。ZINVERT系列高壓變頻調速系統在恒壓頻比控制的基礎上，提供兩種類型V/F曲線，兩種基本的V/F曲線如圖3所示。由用戶根據現場情況設置功能參數，選擇合適的V/F曲線，以補償定子電壓，并根據負載類型選擇效率更優的曲線。系統專門設計的單元直流母線檢測回路，能夠實時提供各個單元的直流母線電壓值，及時修正調制系數，進一步提高系統的控制性能。對于風機類負載，這種控制方式提供了足夠高的精度，若采用PID控制頻率，則完全滿足工藝現場對流量、壓力的要求。 4.2.2 掉電再啟動 用戶的高壓動力電源由于母線切換、電網故障等引起的電壓瞬時失電情況是可能出現的。ZINVERT系列高壓變頻調速系統專門設計了掉電再啟動功能，可設置最長等待時間為30s。在電壓恢復正常后，系統可以在0.1～1s內自行再啟動高速旋轉的電機，啟動電流平滑無沖擊，保證用戶負載的持續穩定運行。對于不同的應用場合，用戶根據自身電網合理設置可能最長的等待掉電恢復時間。 4.2.3 工頻旁路功能 當變頻調速系統發生故障停機或對變頻調速系統檢修時，采用工頻旁路運行方式可提高用戶負載的設備利用率，保證用戶生產連續運行的要求，根據用戶不同需要，具有手動工頻旁路與自動工頻旁路兩種方式可選。 4.2.4 單元旁路功能 ZINVERT系列高壓變頻調速系統的每一個功率單元箱均附帶旁路功能，當某一個功率單元出現故障時，通過控制旁路機構使輸出端子短路可將此單元旁路，從而退出運行狀態。變頻器可降額運行，由此可避免很多場合下停機造成的損失。功率單元旁路技術大大提高了單元串聯多電平變頻器的可靠性，在很大程度上彌補了元器件個數多導致可靠性降低的問題。 5 1#精煉除塵風機高壓變頻器控制系統 5.1 高壓變頻器的選擇 在1#精煉所使用的高壓電機為電壓等級為10kV的普通籠型異步電動機，所以選擇的高壓變頻器是ZINVERT系列10kV的高壓變頻器，型號為ZINVERT-A9H 1500/10YA10，其技術參數如附表所示。 5.2 控制系統方案 為保證在變頻調速系統發生故障停機或對變頻調速系統檢修時，保證設備連續運行，系統控制方案選擇的是自動工頻旁路方式，其控制原理如圖4所示。 圖中符號意義如下： KM:為變頻器供電用的高壓真空斷路器； KJ1、KJ2、KJ3：真空接觸器； BPQ:ZINVERT-A9H 1500/10YA10變頻器; DJ:1250kW/10kV異步電動機。 變頻調速系統發生故障停機或對變頻調速系統檢修時，可以自動斷開KJ1、KJ2，閉合KJ3。這樣，系統能夠自動轉入工頻電網中，負載不用停機，滿足現場不能停機的要求。 6 結束語 濟鋼三煉鋼廠1#精煉除塵風機高壓變頻系統自06年改造以來，系統性能穩定，運行可靠。高壓變頻系統既可滿足生產工藝過程對電機調速控制的要求，又大幅度節約能源，降低了生產成本。高壓變頻器在濟鋼三煉鋼1#精煉除塵系統的成功應用，不僅對于濟鋼三煉鋼廠下一步除塵系統高壓變頻器改造是一個很好的借鑒，而且對于其它煉鋼廠的高壓除塵系統改造也是一個很好的借鑒。