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    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節能中的重要作用。

    關鍵詞：高壓變頻器 變頻調速 節能。  
  
    1.引言

    隨著國民經濟的迅速發展，特別是世貿組織的加入和市場競爭的加劇，能源問題已經顯得尤為突出，節能減排的大力投資成為各個行業提高市場競爭力新的亮點。而各個行業中，電機的應用極為廣泛，它是工況企業中的主要動力，在冶金、石化、電力、礦業等各個行業中，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，占企業所有電機電能消耗的65－75%之多。對于電機節能，高壓電機的節能尤為突出。目前電機系統節能工程被定位國家發改委啟動的十大重點節能工程之一。對電機系統的節能來說，不管從調速、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能效果尤為明顯。

    2.高壓變頻器的分類及節能優勢

    變頻器是運動控制系統中的功率變換器。目前，我國高壓變頻器呈現三大趨勢：

    （1）功率單元串聯多電平技術依然是市場的主流。

    （2）向大功率方向發展。

    （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，國內外各變頻器生產廠商，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（無直流環節）

    （2）交—直—交變頻器（有直流環節）。

    其中交—直—交變頻器又可根據直流環節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，直流環節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；其次要看對電網的諧波污染和輸入功率因數；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，其節能的優勢都是很明顯的。在以往的大功率電機的節能調速，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　終端電壓、配套電磁調速器（適合于無級調速），減少啟動時機械沖擊等。以上幾種節能調速，節能效果均不明顯，并且調速范圍窄，轉速不穩定、電機的效率低，損耗大、經常出現故障，不能滿足連續生產的需要、調節精度低，響應慢等。高壓變頻器以節能為目的典型應用是風機調速、泵類調速，為了保證生產的可靠性，各種生產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、泵類等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，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，當要求調節流量下降時，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，可調節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，比調節擋板、閥門節能40%一50%，從而達到節電的目的，同時又可提高系統可靠性及穩定性。

    3.案例剖析

    現在已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的高壓變頻器為例，從工藝、變頻器結構、節能原理以及節能效果進行詳細的分析介紹。

    3.1 工藝

    高爐在生產過程中，出鐵場產生大量的煙囪，污染環境，根據國家法規，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，可以調節；C到D、G到H為高爐出鐵時間，D到E、H到I為減速時間，可以調節。

    每次高爐出鐵時間約50分鐘，為高速段，定為45Hz,可以調節；高爐冶煉時間約30分鐘，為低速段，定為5Hz，可以調節。

    3.2 方案選擇

    根據以上工藝要求，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，通過調節風門的出口擋板調節風量來滿足生產工藝要求，大量電能白白浪費在閥門上。如果采用液力耦合器調速，則由以往經驗可知，液力耦合器存在以下主要缺點：

    （1）調速范圍有限，為50～95%，轉速不穩定，高速段減小了設備的出力能力，低速段影響節能效益的發揮；

    （2）調速越低時效率越低，低速時發熱厲害；

    （3）調速精度低，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，影響電網穩定；

    （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，負載機械將無法運轉，必須停機檢修；

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

    經過以上的分析，既要滿足工藝要求，又要達到調速節能的目的，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。變頻器選用專業制造高壓變頻的北京利德華福電氣技術有限公司生產的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，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構由多組功率模塊串聯而成，從而由各組低壓疊加而產生需要的高壓輸出，它對電網諧波污染小，輸入電流諧波畸變小于4%，電網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；輸出波形質量好，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，變頻器每個系統共有21個功率單元，每7個功率單元串連構成一相，其系統結構如圖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結構

    3.4 變頻調速節能原理

    （1）變頻調速的方法

    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。

    由公式?可知，變頻調速就是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調節交流電動機的輸出轉速的目的。

    變頻調速系統是從電網直接接收工頻50Hz的交流電，經過交-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節的交流電直接輸出到交流電動機，實現交流電動機的變速運行。

    （2）變頻調速的節能原理

    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N1工作時的特性曲線，曲線②為負載按轉速N2工作時的特性曲線，③④為管網的阻力曲線。在第一種負載工況下，負載工作在A點，流量為Q1，壓力為H1。如果負載仍然按N1速度定速運行，用擋板將流量調節為Q2時，壓力將上升到H3，負載工作點移到B點。由于擋板的截流作用，管網阻力曲線由③變為④。

    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。

    如果不采用擋板調節，這時管網阻力特性保持曲線③不變，改用調節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速在風機應用上節能十分顯著的原因。

    另外，工頻50Hz電網直接啟動，對電網和機械沖擊較大，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，則每年的起動節能也是很可觀的。

    當采用變頻調速時，50Hz滿載時功率因數為接近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濾波電容產生的改善功率因數的作用，可以為電網節約容量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：額定功率710kW，額定電壓6000V，額定電流89 A，功率因數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＝變頻器輸出電壓U2×工頻電流I2×電機功率因數，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顯示不準有關，現僅以變頻器顯示數據為依據進行節能核算。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，節省比例為：594140/2370124=0.25，耗電節省為25％，1年半能收回成本。

    3.6 應用高壓變頻調速系統產生的其他效果

    （1）維護量減少

    采用變頻調速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調整轉速使系統在接近額定狀態下工作，通常情況下，變頻調速系統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，節約大量維護費用。

    （2）工作強度降低

    由于調速系統在運轉設備與備用設備之間實現計算機聯鎖控制，機組實現自動運行和相應的保護及故障報警，操作工作由手動轉變為監控，完全實現生產的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產效率，為優化運營提供了可靠保證。

    （3）減少了對電網的沖擊

    采用變頻調節后，系統實現軟啟動，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

    高壓變頻調速系統是直接串聯于高壓電源與高壓電機之間的變頻調速設備，以其安全、良好的運行性能正快速的替代其它調速產品，全面的進入到各個行業的節能項目中。利用高壓變頻調速技術的目的是改變設備的運行速度，以實現調節現場工況，大大提高了系統的自動化程度，既滿足了生產要求，又達到了節約電能，同時使維護量大大降低，為企業帶來可觀的效益。在電機系統的節能中，高壓變頻器以其節能的力度，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及自動控制系統的研究。