高壓變頻器在高爐冷卻水泵組上的應(yīng)用

孫慶峰

摘 要：文章介紹高壓變頻技術(shù)在高爐冷卻水系統(tǒng)上的節(jié)能應(yīng)用及控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器；自動控制；應(yīng)用

1 高壓變頻器的原理和控制技術(shù)分析

1.1 多重化單元串聯(lián)式技術(shù)在高壓變頻控制中的應(yīng)用

高壓變頻控制實現(xiàn)的主電路方面，得到普遍關(guān)注并取得了較好實現(xiàn)效果的是多重化單元串聯(lián)式技術(shù)的應(yīng)用。就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，以高速微處理機(jī)和光導(dǎo)纖維實現(xiàn)控制和通信。該技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器產(chǎn)生的諧波問題，可實現(xiàn)完美無諧波變頻。它由多個低壓功率單元串聯(lián)而成，通過低壓功率單元的輸出疊加起來得到高壓。

所有的功率單元都接收來自同一個中央控制器的指令，這些指令通過光纖電纜傳輸以保證絕緣等級達(dá)到6kv以上。為功率單元提供電源的變壓器次級繞組在繞制時相互之間有一定的相位差，這樣消除了大部分由獨(dú)力功率單元引起的諧波電流，所以初次電流近似為正弦波，因而功率因數(shù)較高，滿載時可達(dá)到95%，對電網(wǎng)諧波污染小，輸入電流諧波畸變小于4%，電網(wǎng)輸入電壓波形畸變小于2%，無需諧波濾波器和功率補(bǔ)償裝置。

由于單元串聯(lián)式多電平變頻器的輸入、輸出波形好，對電網(wǎng)的諧波污染小，輸出適用普通電動機(jī)，近幾年發(fā)展迅速，逐漸成為高壓變頻調(diào)速的主流方案。同時，功率單元旁路方案大大提高了單元串聯(lián)式多電平變頻器的可靠性，從很大程度上彌補(bǔ)了元器件個數(shù)多且導(dǎo)致可靠性降低的問題。單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了這類變頻器很容易實現(xiàn)模塊化設(shè)計，適合大批量生產(chǎn)，形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。

1.2 單元串聯(lián)多重化變頻器的優(yōu)點(diǎn)是

1.2.1 由于采用功率單元串聯(lián)，可采用技術(shù)成熟，價格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯(lián)單元的個數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求。

1.2.2 完美的輸入輸出波形，使其能適應(yīng)任何場合及電機(jī)使用。

1.2.3 由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于將功率單元做成模塊化，實現(xiàn)冗余設(shè)計，即使在個別單元故障時也可通過單元旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能正?；蚪殿~運(yùn)行。

2 高壓變頻器在高爐冷卻水泵組上的應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場工藝及設(shè)備概況

某煉鐵環(huán)水泵站3號泵組共計兩臺泵，一備一用，采用母管制供水。冷卻泵從吸水池取水，將一定的壓力和流量的冷卻水供給高爐冷卻壁和熱風(fēng)爐熱風(fēng)閥冷卻用，以達(dá)到滿足高爐冷卻水生產(chǎn)要求的目的。

2.1.1 設(shè)備參數(shù)

系統(tǒng)采用了廣州智光電機(jī)有限公司生產(chǎn)的ZINVERT-A6H1250/06Y型高壓變頻器。

2.1.2 高壓變頻器的主回路設(shè)計原理

通過變頻調(diào)速調(diào)節(jié)水泵出力以滿足工況需要。采用一拖二自動旁路方案。變頻器安裝于室內(nèi)，采用風(fēng)冷管路散熱。

系統(tǒng)基本原理：如圖是在一備一用兩臺泵雙路電源情況下，一拖二自動旁路的典型方案，它是由四個高壓隔離開關(guān)QS1～QS4和六個真空接觸器組成。其中QS1和QS2，QS3和QS4，KM1～KM6做電氣聯(lián)鎖。如果M1工作在變頻狀態(tài)，M2可以在工頻狀態(tài)備用；相反如果M2工作在變頻狀態(tài)，則M1可以在工頻狀態(tài)備用；如果檢修變頻器，兩臺水泵都可以工頻運(yùn)行。正常情況下，允許任一電機(jī)工作在變頻狀態(tài)。

變頻運(yùn)行中出現(xiàn)故障情況時：

（1）如果變頻設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)故障，設(shè)備通過真空接觸器自動從變頻運(yùn)行狀態(tài)切換到工頻運(yùn)行狀態(tài)（即自動旁路），實現(xiàn)電機(jī)工頻運(yùn)行。同時給控制室發(fā)出聲光報警信號，以提示值班人員手動調(diào)節(jié)泵出口閥門開度，保證母管供水壓力的穩(wěn)定。系統(tǒng)從變頻運(yùn)行狀態(tài)自動切換到工頻狀態(tài)的切換時間小于2秒，切換時能保證水泵不用停機(jī)、供水不間斷。切換時不允許QF1（QF2）開關(guān)動作。

（2）功率單元是變頻器核心部件，為此設(shè)計時對功率單元配置單元旁路功能，如果變頻器模塊內(nèi)部出現(xiàn)故障時，變頻器可將故障單元旁路掉繼續(xù)運(yùn)行，不能造成突然停機(jī)的情況發(fā)生。變頻器采用5+1備份，旁路掉一個單元不會影響變頻器的輸出功率。

（3）如果儀表出現(xiàn)測量誤差：為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，變頻運(yùn)行時可以在變頻器監(jiān)控界面中設(shè)定變頻器最低運(yùn)行頻率值，這樣就可以防止閉環(huán)控制系統(tǒng)因檢測、傳輸過程中出現(xiàn)的可能信號失真造成水泵無法滿足高爐供水的情況發(fā)生。

（4）控制電源出現(xiàn)故障：為變頻器提供的交流控制電源掉電時，變頻器可以通過內(nèi)部配置UPS供電使控制系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行達(dá)30分鐘。

2.2 系統(tǒng)控制方案

由安裝于母管上的兩個壓力變送器提供4～20mA輸入控制量，變頻器通過內(nèi)部運(yùn)算實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行。本地控制：利用系統(tǒng)控制器上的鍵盤、控制柜上的按鈕、電位器旋鈕等就地控制。遠(yuǎn)方控制：系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬輸入接口，由上位機(jī)實現(xiàn)監(jiān)測和控制。

2.3 節(jié)電效果

針對煉鐵高爐冷卻泵各工況所需水流量的不同，用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)供水母管壓力使之恒定，達(dá)到閉環(huán)控制目的，實現(xiàn)降低電機(jī)運(yùn)行頻率節(jié)能目的。改造前后，運(yùn)行參數(shù)水壓、流量相同的條件下每天節(jié)電2000KWH，水泵電機(jī)電流由95降至75A，年節(jié)約電量72萬，節(jié)電率達(dá)13%左右。

間接效益評價：

（1）高壓變頻器在工頻以下連續(xù)改變電源頻率實現(xiàn)電機(jī)軟啟動，啟動比較平滑，減小啟動電流對電機(jī)、軸承、風(fēng)機(jī)的沖擊，延長設(shè)備壽命。

（2）由于高壓變頻器能根據(jù)冶煉工藝各個階段控制風(fēng)機(jī)引風(fēng)量，減小電爐熱量損失，間接節(jié)約能源。

（3）電機(jī)振動因轉(zhuǎn)速降低而減小，降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲，改善設(shè)備運(yùn)行環(huán)境。

（4）高壓變頻器為高-高電壓源型單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)可高達(dá)0.95，降低了電網(wǎng)側(cè)的諧波污染。

3 結(jié)束語

結(jié)合鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)工藝流程可看出，在各個生產(chǎn)流程中，高壓電機(jī)應(yīng)用變頻改造同樣能起到節(jié)能減排的顯著效果。諸如焦化、燒結(jié)、煉鐵高爐、煉鋼電爐、精煉爐中的除塵風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、煤氣鼓風(fēng)機(jī)、供水泵等。同時也減少了對環(huán)境的污染，給生產(chǎn)經(jīng)營帶來了巨大綜合效益。