摘 要:介绍了高压变频装置的结构以及节能原理，描述了高压变频器在马钢的应用情况，通过变频调速改造，达到节能的目的。
关键词:高压变频器；结构；节能；原理
Application of IIigh Power Frequency Converter with mgh Voltagein Maanshan Iron & Steel Co．．Ltd．
BAO ZiLi，GAO Bin
（Equipment Department,Maanshan Iron& Steel（ ．，Ltd．，Maanshan,Anhui 243000,China）
Abstract:Structure and principle of energy saving of high voltage frequency converterare presented and application status of the frequency converter in Maanshan Iron & Steel Co．．Ltd．is described．Through reconstruction of frequency speed control，it reaches the aim of energysaving．
Key words:high voltage frequency converter structure；energy saving；principl
1 前言
风机、水泵类设备是钢铁生产行业的耗电大户，目前主要的控制方式是采用液力耦合器调速，或通过阀门来调节风量和水量；根据风机、水泵类负载特性，其中蕴藏着巨大的节能空间；通过高压大功率变频调速方案的实施，将会产生可观的经济效益。对降低吨钢耗水电指标，节能降耗起到积极的推动作用。随着计算机技术及IGBT等功率器件的飞速发展，高压大功率变频器产品已日渐成熟，在国内风机、水泵等场合的节能应用上得到了广泛的推广，但是对于不同的工况条件，节能效果上差别很大，不能盲目推广投运，必须对使用条件和现场工况作细致的研究。
2 高压变频器工作原理及特点
2．1 高压变频器的主要流派
高压大功率变频技术的主要流派有两种：（1）电压源型变频调速方案；（2）电流源型变频调速方案；其中电压源型变频调速方案又分为：移相整流串联叠加输出技术和三电平技术。考虑到对电网谐波、功率因数的要求，和普遍使用的6 kV和10 kV电压等级，以及从安全角度出发所提出的旁路要求，同时考虑到对原有普通电机的使用，我们选择了移相整流串联叠加输出技术。现对此技术作一简单介绍。
2．2 移相整流串联叠加输出技术高压变频器原理
高压变频调速系统采用直接“高一高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串并联而成，由各组低压叠加而产生需要的高压输出，无须输出变压器，实现了直接3kV、6kV或10kV高压输出；它对电网谐波污染小，输人电流谐波畸变小于4％，直接满足IEEE519—1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输人谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv／dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器就可以使用普通的异步电机。
所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题。图1为6kV变频器的主电路拓扑图，每组由8个额定电压为433V的功率单元串联，因此相电压为433V×8=3464V，所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压器的24个二次绕组分别供电，24个二次绕组分成8组，每组之间存在一个7．5°的相位差。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变频器，采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。
其系统结构和配置图如图2。
其系统工作原理如下：
功率单元（图3）由移相变压器的一组副边供电，通过三相全桥整流器将交流输入整流为直流。控制部分通过冗余设计的电源板从直流母线上取电，接收主控系统发送的PWM信号并通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。
监控电路实时监控IGBT和直流母线的状态，将状态反馈回主控系统。在单元出现严重故障时，主控将打开功率单元的旁通回路，使单元进入旁通状态，避免整个变频器停机。大大提高了系统运行的可靠性。
每个单元输出PWM波，将每相N个功率单元的输出电压叠加，产生多重化的相电压波形，使相电压产生出2N+1个电压台阶，六个功率单元输出的PWM波形及叠加之后的相电压波形如图4所示。
3 变频调速节能原理
在冶金生产中，根据工艺要求和运行工况的不同，需对温度、压力、流量等过程参数进行调节，最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机、水泵都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。
通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n，H∝n2，p∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。因此，通过变频调速装置，降低电机转速来满足运行工况，具有极大的节能空间。例如：风机、水泵运行速度下降20％，功率则降为原功率的50％。
图5为离心风机水泵的风压、（水压）-风量（流量）Q曲线特性图。
风机水泵在管路特性曲R1工作时，工况点为A，其流量压力分别为Q1、H1，此时风机水泵所需的功率正比于H1与Q1的乘积，即正比于AH1OQ1的面积。由于工艺要求需减小风量（流量）到Q2，通过调节阀门开度，实际上是改变管网管阻，使管路特性曲线变为R2，风机水泵的工作点移到R2上的B点，风压（水压）增大到H2，这时风机水泵所需的功率正比H2Q2的面积，即正比于BH2OQ2的面积。显然风机水泵所需的功率变化并不明显。这种调节方式控制虽然简单，但功率消耗大、不利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。
若采用变频调速，风机水泵转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由H2降到H3，这时变频调速后风机（水泵）所需的功率正比于H3与Q2的乘积，即正比于CH3OQ3的面积，由图5可见功率的减少是明显的。
4 节能实效
节能型高压变频器在马钢的除尘风机、煤气加压机、供排水等领域得到了广泛的推广应用，节能效果明显，项目节电率保持在20％以上，投资回收期在2～3年，取得了可观的经济效益，通过对高压变频装置投运以来运行情况跟踪，不同场合运行节能实绩如表1。
5 结论
通过对高压变频节能应用实绩的跟踪及分析，高压变频装置运行稳定，节能空间大；同时高压变频装置的应用，在取得较高节能效益的同时，减小了风机、水泵装置直接启动造成的设备冲击，降低了设备维护量，具有较高的推广应用价值。
（转载）
