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文/河南濟源職業(yè)技術學院 任艷艷 河南濟源鋼鐵（集團）有限公司 陳萬儉
摘要：本文分析了高壓變頻器在濟鋼高爐除塵風機中應用，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系統(tǒng)節(jié)能中的重要作用。
關鍵詞：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，電機的應用極為廣泛，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，用于風機、軋機、泵類等大型機械設備的拖動，尤其高壓電機的電能消耗非常巨大，占企業(yè)所有電機電能消耗的65－75%之多。對于電機節(jié)能，高壓電機的節(jié)能尤為突出。目前電機系統(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撲結構，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構，以適應各種拖動設備的要求，因而在各項性能指標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，轉速不穩(wěn)定、電機的效率低，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，響應慢等。高壓變頻器以節(jié)能為目的典型應用是風機調(diào)速、泵類調(diào)速，為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統(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。當使用變頻調(diào)速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求
由流體力學可知，P(功率)＝Q(流量)×H(壓力)，流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比，如果水泵（或風機）的效率一定，當要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。當所要求的流量Q減少時，可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率使電動機轉速n按比例降低。這時，電動機的功率P將按三次方關系大幅度地降低，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年河南濟鋼6#高爐出鐵場除塵風機采用的北京利德華福電氣技術有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器為例，從工藝、變頻器結構、節(jié)能原理以及節(jié)能效果進行詳細的分析介紹。
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。除塵風機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，又因為除塵風機所配電機為高壓電機，不允許頻繁啟停。如果風機長期采用工頻運行，通過調(diào)節(jié)風門的出口擋板調(diào)節(jié)風量來滿足生產(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%，轉速不穩(wěn)定，高速段減小了設備的出力能力，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，響應慢，不大適應自動控制要求；
（4）電機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）必須串入電機和機械的連接軸中，不適合于設備改造；液力耦合器故障時，沒有工頻旁路系統(tǒng)，負載機械將無法運轉，必須停機檢修；
（6）漏油嚴重，對環(huán)境污染大；可靠性差，維修難度大，嚴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，又要達到調(diào)速節(jié)能的目的，采用高壓變頻器對電機進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構原理
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)多電平拓撲結構，主體結構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的諧波抑制標準，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附加發(fā)熱和轉矩脈動、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，變頻器每個系統(tǒng)共有21個功率單元，每7個功率單元串連構成一相，其系統(tǒng)結構如圖4所示。其中(1)為高壓開關；(2)為干式移相隔離變壓器；(3)為電動機；(4)為功率單元；(5)為主控箱；(6)為人機接口；(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)結構
3.4 變頻調(diào)速節(jié)能原理
（1）變頻調(diào)速的方法
交流異步電動機的輸出轉速由下式確定：
n=60f(1—S)/p……
式中：n-電動機的輸出轉速；f-輸入的電源頻率；S-電動機的轉差率；p-電機的極對數(shù)。
由公式可知，變頻調(diào)速就是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調(diào)節(jié)交流電動機的輸出轉速的目的。
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，實現(xiàn)交流電動機的變速運行。
（2）變頻調(diào)速的節(jié)能原理
除塵風機作為一種基本的風機類負載的工作特性如圖5所示。
圖5：除塵風機的工作特性
曲線①為負載按轉速N 1工作時的特性曲線，曲線②為負載按轉速N 2工作時的特性曲線，③④為管網(wǎng)的阻力曲線。在第一種負載工況下，負載工作在A點，流量為Q 1，壓力為H 1。如果負載仍然按N 1速度定速運行，用擋板將流量調(diào)節(jié)為Q 2時，壓力將上升到H 3，負載工作點移到B點。由于擋板的截流作用，管網(wǎng)阻力曲線由③變?yōu)棰堋?/DIV>
在A、B兩點，負載功率分別為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)負載速度來減小流量，負載改按速度N2運行，工作特性為曲線②，負載工作在C點，流量仍然為Q2，但壓力為H2。
相比B、C兩點，負載減少的軸功率為：ΔP＝PB- PC＝（H3–H2）×Q2
在風道阻力特性不變的情況下，離心式風機的風量Q、壓力H、軸功率P和轉速N之間滿足如下關系（相似定理）：Q∝N，H∝N2,P∝N3
所以有：
就是說，通過調(diào)速方式改變風機風量，風量下降一半時，在不考慮到效率的情況下，風機軸功率將下降87.5%。這也是為什么變頻調(diào)速在風機應用上節(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)和機械沖擊較大，聲響很大，估算其啟動一次的損耗:Ws=0.5Jwo²(1+r1/r2)Tm/Tm-TL，風機類負載的平方轉矩特性與異步電動機起動時的機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＃高爐出鐵場除塵風機電機參數(shù)：額定功率710kW，額定電壓6000V，額定電流89 A，功率因數(shù)0.816，額定轉速740r/min。
目前帶變頻器時運行實際輸入值為：電機高速時（45Hz）電流為50—55A左右，電機低速時（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×電機功率因數(shù)，以上實際運行工頻電流為：電機高速時59－65A，電機低速時為18A。
電機高速時，輸入電流55A，輸入電壓6450V，轉速740r/min，電機低速時，輸入電流1.3A，輸入電壓540V，轉速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)顯示不準有關，現(xiàn)僅以變頻器顯示數(shù)據(jù)為依據(jù)進行節(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。
電機帶變頻時：轉速與頻率成正比，功率與轉速關系為P/Pe＝（n/ne）3，
所以電機高速時：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 應用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效果
（1）維護量減少
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)的應用主要是為了降低電機的轉速。由于啟動緩慢及轉速的降低，相應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，減少了檢修維護開支，節(jié)約大量維護費用。
（2）工作強度降低
由于調(diào)速系統(tǒng)在運轉設備與備用設備之間實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖控制，機組實現(xiàn)自動運行和相應的保護及故障報警，操作工作由手動轉變?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，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。
4 結束語
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之間的變頻調(diào)速設備，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)速技術的目的是改變設備的運行速度，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，又達到了節(jié)約電能，同時使維護量大大降低，為企業(yè)帶來可觀的效益。在電機系統(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），河南濟源人，濟源職業(yè)技術學院機電系講師，工程碩士，研究方向：單片機、PLC及自動控制系統(tǒng)的研究。
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