高壓變頻器在冶金行業(yè)的應(yīng)用研究

杜芳

山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南，250101

0 引言

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展使工業(yè)企業(yè)的數(shù)量顯著增加，進(jìn)一步加大了對(duì)各類能源的消耗力度，造成了我國(guó)能源緊張的局面，因此需要提高能源的利用率。有關(guān)專家估計(jì)，當(dāng)前我國(guó)有65%以上的發(fā)電量損耗在電動(dòng)機(jī)中，其中高壓電動(dòng)機(jī)占到了電動(dòng)機(jī)總裝機(jī)容量的50%。而在當(dāng)前我國(guó)的冶金行業(yè)中，高壓電動(dòng)機(jī)搭載的是泵類以及相應(yīng)的壓縮機(jī)，絕大多數(shù)的設(shè)備適合調(diào)速，這就造成了大量能源的浪費(fèi)。由此可以看出，將高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在冶金行業(yè)中，可以顯著減少對(duì)能源的消耗力度，同時(shí)還能保證冶金行業(yè)中供電設(shè)備的質(zhì)量，最大化地滿足相應(yīng)的生產(chǎn)需求，減少對(duì)成本的浪費(fèi)。

與此同時(shí)，通過將高壓變頻器應(yīng)用在冶金的生產(chǎn)過程中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類設(shè)備的管理和控制，減少金屬的損耗。但是在實(shí)際安裝高壓變頻器時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率的問題。本文對(duì)當(dāng)前高壓變頻器的應(yīng)用進(jìn)行了分析，為今后高壓變頻器的使用與設(shè)計(jì)提供了有力的依據(jù)。

1 高壓變頻器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

高壓變頻器是通過對(duì)輸出頻率和輸出電壓的改變來控制交流高壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速控制裝置，它是由主回路、電源回路、智能功率模塊驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路和冷卻電機(jī)等幾部分組成。在實(shí)際的應(yīng)用中，可以將其分為兩種，一種是雙極型，另一種為單極型。雙極型的主要特點(diǎn)在于，它具有兩個(gè)諧振頻率的諧振，并且在工作時(shí)，兩諧振之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的磁場(chǎng)來相互抵消，從而使兩諧波的振幅相等。而單極型的特征則比較明顯，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)調(diào)速，同時(shí)也不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成過大的影響。

1.1 高壓變頻器的基本原理

高壓變頻調(diào)速器的工作原理是通過控制開關(guān)的通斷，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠隨著輸入的電壓變化而改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)的目的；同時(shí)，還可以利用電力電子技術(shù)的發(fā)展來實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的有效輸出。在實(shí)際的生產(chǎn)中，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要作用是將電網(wǎng)的頻率進(jìn)行變換，進(jìn)而得到不同的電信號(hào)，然后再經(jīng)過一系列的環(huán)節(jié)后，就會(huì)形成一個(gè)電流脈沖，這個(gè)脈沖就是所需要的電信號(hào)。在這種情況下，為了獲得比較穩(wěn)定的直流電源，就必須使用高壓的交流調(diào)速裝置。在高壓直流斬波的過程中，由于交流電源的功率比較大，所以其對(duì)電源的要求也相對(duì)較高，因此其一般都采用三相供電的方式來完成。當(dāng)給負(fù)載接通的時(shí)候，因?yàn)橛袃蓚€(gè)電氣設(shè)備，其中一條是作為整流的電路，另外兩條則當(dāng)作逆變電路，這樣一來，就會(huì)使得一相直流逆變?yōu)槿嘟涣鳎簿徒鉀Q了高頻的問題[1]。

1.2 諧波平衡法

諧波平衡法的原理是在高壓變頻器中使用了一個(gè)諧振來調(diào)節(jié)電壓的頻率和相位，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能的有效利用。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，由于高壓變頻調(diào)速器的工作狀態(tài)會(huì)受到非線性的影響而產(chǎn)生一定的波動(dòng)性，因此為了能夠使這種特性得到更好的改善，需要采用一種方法來進(jìn)行解決。目前，對(duì)于冶金行業(yè)中諧波平衡法的研究主要集中在對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行等方面。但是因?yàn)楦邏赫{(diào)壓調(diào)速的參數(shù)比較復(fù)雜，所以也會(huì)出現(xiàn)一些問題。比如說，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，有可能導(dǎo)致電網(wǎng)的損耗增大，這就使得供電設(shè)備的效率降低，并且還會(huì)造成能源的浪費(fèi)；其次，當(dāng)電流的大小發(fā)生改變時(shí)，也會(huì)使電路的穩(wěn)定性下降，這將會(huì)增加故障的發(fā)生率；最后，如果功率的值發(fā)生變化，就有可能引起共振，這樣不僅會(huì)破壞電氣的安全性能，而且還將損耗電器的壽命甚至是毀壞電器。

1.3 變壓器模型

變壓器模型主要包括了繞組匝數(shù)和繞線數(shù)，其中變壓器的繞組匝數(shù)為45/鐵芯截面積×220，而變壓器的繞線數(shù)與繞組匝數(shù)成正比。其特點(diǎn)是，在工作的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱損耗，并且還會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象；同時(shí)，由于鐵芯的絕緣層比較薄，所以在使用的時(shí)候會(huì)受到溫度的影響；另外，鐵芯的絕緣層也存在著一定的熱阻，使得鐵心絕緣層的散熱能力非常差，這樣就導(dǎo)致了其內(nèi)部的熱量無法得到有效的釋放；除此之外，當(dāng)線圈的外邊接地時(shí)，也會(huì)造成電流的泄漏等[2]。

2 高壓變頻器在冶金行業(yè)中的應(yīng)用分析

2.1 高壓變頻器在冶金行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

高壓電機(jī)是目前電氣行業(yè)的一個(gè)主要產(chǎn)品，它可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存，并且能夠有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。但是從目前的情況來看，在冶金企業(yè)中，高壓變頻器的使用也非常廣泛，其主要是用于冶金生產(chǎn)的過程中。比如，在煉鐵或者是煉鋼的工作當(dāng)中，高壓變頻器用來對(duì)冶金設(shè)備進(jìn)行控制和保護(hù)，可以有效防止金屬的損耗以及腐蝕，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

從圖1中可以看出，2019年我國(guó)高壓變頻器在冶金行業(yè)中的應(yīng)用范圍最廣、需求量最大，隨后是在石化行業(yè)、電力行業(yè)以及采礦行業(yè)中，而在一些政府設(shè)施中也會(huì)用到高壓變頻器，從而進(jìn)一步解決了高壓的問題。

圖1 2019年中國(guó)高壓變頻器行業(yè)下游市場(chǎng)需求結(jié)構(gòu)分布情況

2.2 高壓變頻器應(yīng)用中存在的問題與原因

（1）變頻器的安裝位置不合適。由于我國(guó)的高壓變頻器廠家很多，在安裝過程中，不能確保每個(gè)廠家都能很好地把握住安裝時(shí)實(shí)際的情況與需求，有可能在安裝時(shí)發(fā)生安裝方向錯(cuò)誤，造成一定的安全隱患。在一些振動(dòng)較大的場(chǎng)合，如果未采取有效的避震安裝措施，振動(dòng)就會(huì)造成變頻器的機(jī)械損傷，或者由于安裝空間略小，導(dǎo)致散熱條件差，則日光直射變頻器時(shí)無法正常散熱，嚴(yán)重影響電子器件的使用壽命。

（2）變頻器的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。因?yàn)楦邏洪_關(guān)的作用力是通過機(jī)械的方式來實(shí)現(xiàn)的，但是它的功能是依靠電氣的形式來完成的，因此它的體積比較大，而且還需要對(duì)其進(jìn)行合理的調(diào)整和控制，否則會(huì)使得高壓開關(guān)的使用壽命受到影響，同時(shí)也會(huì)使其穩(wěn)定性降低，對(duì)電網(wǎng)的電壓產(chǎn)生不利的影響；另外，如果電路板的布局和形狀都不適合，那么就有可能會(huì)發(fā)生故障，從而使整個(gè)系統(tǒng)的安全性得不到保障。

（3）變壓器的選擇不當(dāng)，容易引起火災(zāi)。當(dāng)電力的負(fù)荷較大時(shí)，為了保證供電的可靠性以及電能的質(zhì)量不被破壞，通常都是選用高容量的設(shè)備來滿足要求。但這樣一來，一旦出現(xiàn)問題，就很難避免事故的發(fā)生。

（4）干擾源引起控制回路誤動(dòng)作。當(dāng)變頻器周邊的干擾源通過輻射等方式侵入變頻器內(nèi)部時(shí)，有可能會(huì)引起控制回路誤動(dòng)作，對(duì)變頻器造成一定的損壞。

3 高壓變頻器在冶金行業(yè)中的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

3.1 高壓變頻器的應(yīng)用要求

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，高壓變頻器的發(fā)展趨勢(shì)是向智能化、小型化、模塊化方向靠攏，這就要求研發(fā)過程中要充分考慮到實(shí)際需求，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，開發(fā)出具有高精度和高性能的產(chǎn)品。在生產(chǎn)制造方面，要盡可能提高其工作效率，降低成本，減少能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，以保證其可靠性，并能滿足不同環(huán)境下的性能要求。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)高壓電器的廠家都已經(jīng)使用了PLC,但由于我國(guó)的低壓變頻器市場(chǎng)還不是很成熟，因此國(guó)產(chǎn)PLC的數(shù)量還很少，且價(jià)格比較昂貴，所以還是有很多企業(yè)不愿意購(gòu)買，這就導(dǎo)致了供貨商的壓力較大，但用戶的滿意度卻不高，則也造成了供貨商的不滿意。而國(guó)外的一些公司，如奧地利的STASTO,他們已經(jīng)著手于對(duì)PID控制的研究和應(yīng)用，并且取得了一定的成果和進(jìn)展。

3.2 高壓變頻器整體架構(gòu)

從整體上看，高壓變頻器主要分為兩個(gè)部分，一個(gè)是主控室，另一個(gè)是輔助室。主控室負(fù)責(zé)對(duì)中高壓變頻器進(jìn)行控制，而輔助室則對(duì)中高壓變頻泵的啟動(dòng)與運(yùn)行提供支持[3]。

（1）主控室在室內(nèi)設(shè)置了溫度測(cè)量、壓力檢測(cè)、液位監(jiān)測(cè)等設(shè)備，為工作的正常進(jìn)行和安全運(yùn)作奠定基礎(chǔ)。同時(shí)還設(shè)有監(jiān)控系統(tǒng)，為操作人員的人身安全保駕護(hù)航。

（2）在輔助室外，還設(shè)計(jì)了液位顯示和故障報(bào)警裝置，如圖2所示，方便工作人員的及時(shí)處理。該儀器的使用可以實(shí)現(xiàn)無人值守，也可用于遠(yuǎn)程操控。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，可立即發(fā)出聲光警報(bào)，提醒相關(guān)維修人員。該儀表的安裝高度較高，能有效地保護(hù)電路，避免發(fā)生短路的現(xiàn)象；并且體積較小、便于攜帶，具有較強(qiáng)的安全性，同時(shí)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、易于維護(hù)。因此該儀器的應(yīng)用范圍較大，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中有很多的應(yīng)用價(jià)值。

圖2 高低液位聲光報(bào)警圖

液位探測(cè)器主要的工作原理是當(dāng)水位處于超低和低位時(shí)，并不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)；而當(dāng)水位處于高位和超高位時(shí)，形成了閉合回路，進(jìn)而產(chǎn)生一定的報(bào)警信號(hào)，并向工作人員傳達(dá)液位的信號(hào)，使得工作人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確地接收到液位信號(hào)，并立即開啟水泵，進(jìn)一步關(guān)閉水泵的開關(guān)，而開啟相應(yīng)的電磁閥來抽水。其中，高低液壓聲光報(bào)警裝置一般安裝在值班室的消控中心。

3.3 變頻器硬件平臺(tái)

綜合考慮各種因素，目前高壓變頻器的硬件平臺(tái)主要包括：主控電路、控制裝置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)裝置以及冷卻設(shè)備。主控電路是整個(gè)高壓變頻器的核心部分，它決定了高壓變頻器的工作頻率，同時(shí)也影響到了控制系統(tǒng)的性能和可靠性。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控與維護(hù)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)主控芯片的選擇與配置做出詳細(xì)的說明；另外，還需對(duì)其內(nèi)部CPU模塊的選型做出分析，以確保其具有較高的穩(wěn)定性；此外，還應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的要求，選用合適的軟件程序來實(shí)現(xiàn)。由于PLC的功能強(qiáng)大，所以它的硬件平臺(tái)也可以滿足一般的應(yīng)用需求，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，PID參數(shù)的算法越來越復(fù)雜，這就導(dǎo)致PLC的開發(fā)難度大大增加[4]。所以為了使PLC的應(yīng)用更加方便，有必要針對(duì)性地提出一些改進(jìn)措施。

3.4 抗干擾措施

對(duì)于干擾的處理是控制設(shè)備性能的重要環(huán)節(jié)，對(duì)干擾的抑制是指對(duì)系統(tǒng)的影響主要來自外部環(huán)境和內(nèi)部因素的變化，而在干擾的預(yù)防方面，則要從源頭抓起，從源頭上減少干擾的產(chǎn)生和消除干擾。第一，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)的管理。在鑄造行業(yè)中，要想提高生產(chǎn)效率，就要保證產(chǎn)品的質(zhì)量問題，因此必須嚴(yán)格把關(guān)，確保原材料的供應(yīng)充足，并做好相應(yīng)的防控措施。同時(shí)還要注意防止因工藝落后造成的人為失誤，如操作人員的粗心大意或因個(gè)人的粗心而導(dǎo)致的技術(shù)錯(cuò)誤等。另外還應(yīng)建立完善的規(guī)章制度，并定期檢查，以避免出現(xiàn)差錯(cuò)。第二，選擇合適的抗干擾方法。首先，針對(duì)不同的情況應(yīng)采取合理的應(yīng)對(duì)方式，例如采用低噪聲的電磁屏蔽、高頻率的電源供電、使用低功率的電機(jī)等。其次，根據(jù)具體的工作條件，選用適合的抗干擾材料來降低噪聲。

4 高壓變頻器應(yīng)用前景分析

當(dāng)前我國(guó)逐漸加大了對(duì)單元串聯(lián)式多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)的研究力度，進(jìn)一步縮短了我國(guó)高壓變頻技術(shù)與世界中高壓變頻技術(shù)的水平差距。而近年來隨著我國(guó)工業(yè)化的迅猛發(fā)展，加大了對(duì)高壓變頻器的使用范圍，進(jìn)一步解決了高壓變頻器在實(shí)際應(yīng)用中的一系列問題，并且高壓變頻器已經(jīng)在大多數(shù)工廠中得到了應(yīng)用。簡(jiǎn)單來說，在冶金行業(yè)中使用高壓變頻器可以滿足實(shí)際生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)要求，減少了對(duì)一些設(shè)備故障的維修費(fèi)用，顯著地提高了冶金生產(chǎn)過程的工作效率，同時(shí)也提高了冶金行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

對(duì)于冶金企業(yè)來說，在進(jìn)行電氣設(shè)備的使用過程中，可以利用高壓變頻器來完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)速和控制，從而保證電機(jī)工作的安全性和可靠性。在實(shí)際的操作中，高壓變頻器的應(yīng)用效果非常明顯，能夠有效地提升冶金生產(chǎn)的效率以及質(zhì)量，降低能源的消耗量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。此外，高壓變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用還體現(xiàn)在對(duì)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控上，通過實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與反饋，為相關(guān)的工作人員提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而提高了檢修的速度與準(zhǔn)確性。