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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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。 [align=center] 圖1：三種高壓變頻器框圖[/align] 　　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(zhuǎn)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)、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。 [align=center] 圖2：高爐煉鐵出鐵場工藝周期[/align] 　　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(zhuǎn)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(zhuǎn)，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。 [align=center] 圖3：高壓變頻器一拖一方案[/align] 　　3.3 HARSVERT-A系列高壓變頻器基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)成一相，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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。 [align=center] 圖4：HARSVERT-A系列高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[/align] 　　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(zhuǎn)速由下式確定： 　　n=60f（1—S）/p……① 　　式中：n-電動機的輸出轉(zhuǎn)速;f-輸入的電源頻率;S-電動機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。 [align=center] 圖5：除塵風機的工作特性[/align] 　　曲線①為負載按轉(zhuǎn)速N[sub]1[/sub]工作時的特性曲線，曲線②為負載按轉(zhuǎn)速N[sub]2[/sub]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[sub]1[/sub]，壓力為H1。如果負載仍然按N[sub]1[/sub]速度定速運行，用擋板將流量調(diào)節(jié)為Q[sub]2[/sub]時，壓力將上升到H[sub]3[/sub]，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? 　　在A、B兩點，負載功率分別為P[sub]A[/sub]=H[sub]1[/sub]×Q[sub]1[/sub]，P[sub]B[/sub]=H[sub]3[/sub]×Q[sub]2[/sub]，雖然Q[sub]2[/sub]H[sub]1[/sub]，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Q[sub]2[/sub]，但壓力為H[sub]2[/sub]。 　　相比B、C兩點，負載減少的軸功率為：ΔP=P[sub]B[/sub]- P[sub]C[/sub]=（H[sub]3[/sub]–H[sub]2[/sub]）×Q[sub]2[/sub] 　　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(zhuǎn)速N之間滿足如下關系（相似定理）：Q∝N，H∝N[sup]2[/sup],P∝N[sup]3[/sup] 　　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=0.5Jwo&sup[sup]2[/sup];（1+r1/r2）T[sub]m[/sub]/T[sub]m[/sub]-T[sub]L[/sub]，風機類負載的平方轉(zhuǎn)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T[sub]m[/sub]/T[sub]m[/sub]-T[sub]L[/sub]=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(zhuǎn)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(zhuǎn)速740r/min，電機低速時，輸入電流1.3A，輸入電壓540V，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速與頻率成正比，功率與轉(zhuǎn)速關系為P/P[sub]e[/sub]=（n/n[sub]e[/sub]）[sup]3[/sup]， 　　所以電機高速時：P=P[sub]e[/sub]×（n/n[sub]e[/sub]）[sup]3[/sup]/0.96=739.5kW·h， 　　電費為：739.5×（8000×60%）×0.5=1774800元， 　　電機低速時：P=P[sub]e[/sub]×（n/n[sub]e[/sub]）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(zhuǎn)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(zhuǎn)速。由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。 4 結(jié)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。