0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)能源消耗量逐年增大，但是，在我國一方面能源供不應(yīng)求，另一方面能源浪費(fèi)還比較嚴(yán)重，如何高效利用能源已經(jīng)被國家擺在重要的戰(zhàn)略位置。據(jù)業(yè)內(nèi)專業(yè)人士估計(jì)，中國發(fā)電總量的60%以上消耗在電動(dòng)機(jī)上。而中國目前電動(dòng)機(jī)總裝機(jī)容量已超過4億kW，高壓電機(jī)約占一半，高壓電動(dòng)機(jī)中近70%拖動(dòng)的負(fù)載是風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)，其中一半適合調(diào)速，即有約7 500 萬kW的高壓電機(jī)處在浪費(fèi)能源的運(yùn)行狀態(tài)。從目前高壓變頻器的一般使用情況來看，平均節(jié)電率可達(dá)30%，在技術(shù)改造項(xiàng)目中，高壓變頻器的投入和使用，其節(jié)能效果是顯而易見的。在新建項(xiàng)目中，高壓變頻器在風(fēng)機(jī)、水泵類的應(yīng)用也已經(jīng)深入到鋼鐵、石油、化工各個(gè)行業(yè)，節(jié)能效果已經(jīng)為大家所共識(shí)。

1 風(fēng)光高壓變頻器的技術(shù)特點(diǎn)

山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司研制生產(chǎn)變頻器已有十幾年的歷史，高壓變頻器技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。風(fēng)光高壓變頻器以西門子新型IGBT作為主功率器件，采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSP進(jìn)行控制，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。彩色液晶觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，以高可靠性、易操作、高性能作為設(shè)計(jì)目標(biāo)的風(fēng)光高壓變頻調(diào)速器在激烈的市場競爭中得到用戶的認(rèn)可。

風(fēng)光高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)的結(jié)構(gòu)方式，可靠性高。功率單元采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，安裝維護(hù)簡單方便。并且每個(gè)單元都有旁路功能，當(dāng)某個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，控制電路控制晶閘管將故障單元的輸出短接，這樣變頻器仍能正常運(yùn)行。單元主電路如圖1所示。

它的輸入側(cè)采用干式移相變壓器，可以實(shí)現(xiàn)36脈沖的整流方式，完全滿足國家對電網(wǎng)諧波的最嚴(yán)格的要求。在帶負(fù)載時(shí)，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上。在輸出側(cè)采用載波移相技術(shù)可以得到良好的正弦輸出波形(見圖2)，輸出dv/dt小，對電機(jī)及電纜的絕緣沒有任何損害。利用三次諧波補(bǔ)償技術(shù)提高了電源電壓利用率，滿足了異步電機(jī)對調(diào)速性能的需要。控制系統(tǒng)與功率單元采用光纖通信技術(shù)，有效解決了電磁干擾問題，并且實(shí)現(xiàn)了高壓部分與控制系統(tǒng)之間的隔離，提高了整機(jī)的安全性和可靠性。

另外控制系統(tǒng)有一套獨(dú)立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，市電經(jīng)過UPS 輸出一穩(wěn)定的交流電，然后通過整流、濾波、穩(wěn)壓得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，由一個(gè)高頻振蕩器得到幅度穩(wěn)定的高頻電源，再由一系列高頻變壓器及相應(yīng)的整流、濾波送到各單元的控制及驅(qū)動(dòng)電路(見圖3)。實(shí)際上是開關(guān)電源技術(shù)的另類應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)電源獨(dú)立，通過高頻變壓器給各單元控制電路、驅(qū)動(dòng)電路供電，容易實(shí)現(xiàn)高低壓電路之間及驅(qū)動(dòng)電路之間的隔離。而且可以在不加高壓電、不加載的情況下，對整機(jī)進(jìn)行調(diào)試，此時(shí)各點(diǎn)波形與主電路加電、加載時(shí)完全一樣，只是輸出電壓幅度小。這對設(shè)備調(diào)試、檢修和操作人員的培訓(xùn)十分方便。

變頻器的用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)界面十分友好和完善，采用彩色液晶觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控?？蓪ψ冾l器進(jìn)行全部操作，包括參數(shù)設(shè)定、功能設(shè)定、運(yùn)行操作、運(yùn)行數(shù)據(jù)打印、故障查詢等。主界面如圖4所示。

2 風(fēng)光高壓變頻器應(yīng)用實(shí)例

我公司的高壓變頻器在鋼鐵、冶金、石化行業(yè)中應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，如在通鋼、包鋼、阿鋼、萊鋼、濟(jì)鋼、鞍鋼、冶鋼、遼河油田、勝利油田、大慶油田、齊魯石化、巨化集團(tuán)等大型企業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用，下面介紹幾個(gè)典型應(yīng)用。

2.1 遼河油田6 kV/1 800 kW 注水泵的變頻改造(石油行業(yè)泵)

遼河新三聯(lián)注水站投運(yùn)一臺(tái)型號(hào)為DFJ200-170AX11 的注水泵，匹配電機(jī)型號(hào)為YB1800S2-2的6 kV/1 800 kW異步電動(dòng)機(jī)，采用直接驅(qū)動(dòng)方式控制，離心泵流量是通過控制出口閥門的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成大量節(jié)流損失,離心泵及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低效率工作區(qū)，能源浪費(fèi)比較嚴(yán)重。夏秋季節(jié)注水量相應(yīng)降低，運(yùn)行中離心泵實(shí)際泵壓為16.5 MPa ，注水管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行壓力為12.5 MPa，由于多泵注水實(shí)施并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)注水管網(wǎng)壓力升高到目前注水管網(wǎng)實(shí)際注水壓力以上時(shí)，將造成高壓注水量減少，無法滿足油井注水需求，同時(shí)污水量大于注水量將造成污水外排。為此注水電機(jī)運(yùn)行時(shí)必須靠調(diào)節(jié)離心泵出口高壓回流閥門來控制注水管網(wǎng)壓力，以維持聯(lián)網(wǎng)注水平衡。這樣就使泵壓與管網(wǎng)干壓平均壓差達(dá)到4 MPa以上，造成了大量的電能浪費(fèi)。

廠家經(jīng)過綜合調(diào)研和考慮，選用了山東新風(fēng)光電子公司JD-BP37-1800F型號(hào)的高壓變頻器，通過應(yīng)用，該變頻器可靠性高，設(shè)計(jì)合理，變頻器對電機(jī)具有軟啟動(dòng)功能，啟動(dòng)時(shí)無沖擊電流，減少了對電網(wǎng)的污染;安裝、維護(hù)和保養(yǎng)都比較方便，降低了值班人員的工作強(qiáng)度;降耗效果明顯?，F(xiàn)場的系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

本系統(tǒng)中，一方面在泵出口管線上安裝一只高

可靠性壓力傳感器，將實(shí)測的壓力信號(hào)與系統(tǒng)的配注壓力(期望值)相比，并將其差值送往過程參數(shù)調(diào)節(jié)器(PID)進(jìn)行比例和積分運(yùn)算，最后將輸出結(jié)果送給可編程控制器(PLC);另一方面在泵入口管線上安裝一只流量計(jì)，用于監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際總流量，將該值與系統(tǒng)配注量的差值再進(jìn)行一次PID整定，最后將輸出結(jié)果送給PLC 。PLC根據(jù)所接收的兩個(gè)PID整定信號(hào)，利用模糊推理的方法，在滿足系統(tǒng)干壓的前提下，系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)調(diào)整高壓變頻器的輸出頻率從而控制變頻泵的轉(zhuǎn)速。由離心泵原理知，泵轉(zhuǎn)速的變化可引起相應(yīng)的排量變化，通過頻率的變化以達(dá)到期望的排量值。通過上述閉環(huán)控制，使系統(tǒng)的實(shí)際壓力和排量與系統(tǒng)的配注壓力與配注量相接近。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，流量和壓力為系統(tǒng)的兩個(gè)

主要參數(shù)，將系統(tǒng)實(shí)測的流量和壓力信號(hào)與系統(tǒng)要求的流量和壓力(期望值)進(jìn)行雙PID 調(diào)節(jié);通過模糊推理的方法自動(dòng)尋優(yōu)控制，根據(jù)推理結(jié)果，系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)調(diào)整高壓變頻器的輸出，并自動(dòng)計(jì)算出變頻器的最佳運(yùn)行頻率。

由流體力學(xué)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,如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速n 可成比例的下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。使用變頻器前后的耗電情況統(tǒng)計(jì)見表1。

水泵電機(jī)安裝變頻器前后的注水單耗從6.79下降到5.38，不考慮其它方面的影響，則節(jié)電率=[(安裝前耗電-安裝后耗電)/安裝前耗電]×100%

=[(1 244246-698 215)/1244246]×100%=43.88%[!--empirenews.page--]

2.2 浙江省衢州巨化硫酸廠冷卻水循環(huán)泵的變頻改造(化工行業(yè)泵)

浙江省衢州巨化硫酸廠是我國首批自己設(shè)計(jì)、制造、安裝的重點(diǎn)硫酸生產(chǎn)企業(yè)，是浙江省最大的硫酸生產(chǎn)廠。在硫酸生產(chǎn)過程中，需要對水冷極板進(jìn)行冷卻，冷卻水循環(huán)泵是硫酸生產(chǎn)工藝中的重要設(shè)備，過去冷卻水循環(huán)泵均不調(diào)速，利用出口閥門來控制水流量和管網(wǎng)壓力，由于設(shè)備的選擇都是按最大負(fù)荷情況來選型，在實(shí)際運(yùn)行中設(shè)備留有較大的裕量，冷卻水的流量與壓力是通過冷卻水循環(huán)泵出、入口聯(lián)絡(luò)管上的調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率較低，電能浪費(fèi)。為降低企業(yè)生產(chǎn)成本，廠家領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過反復(fù)論證，多方比較，決定選用我公司JD-BP37-280F型高壓變頻器對冷卻水循環(huán)泵進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，以解決能源浪費(fèi)問題。用戶冷卻水循環(huán)泵的電動(dòng)機(jī)為6 kV/280 kW 異步電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速985 r/min，水泵為500S-35單級(jí)雙吸離心泵。冷卻水循環(huán)泵工作原理如圖6所示，3臺(tái)循環(huán)泵兩開一備。

變頻器控制3#循環(huán)泵，2#、1#循環(huán)泵一開一備?，F(xiàn)在以冷卻水母管壓力為給定量，根據(jù)工藝所需母管壓力調(diào)節(jié)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，壓力信號(hào)取自主管網(wǎng)，目標(biāo)壓力值設(shè)定在0.24 Mpa 。電氣設(shè)備改造一次回路圖如圖7所示。

設(shè)備改造工程于2005 年1 月完成，高壓變頻器一次試車成功，運(yùn)行正常，運(yùn)行頻率在40 Hz 左右，保證了循環(huán)水的正常溫度。

工頻(50Hz)運(yùn)行時(shí)，輸入電壓6 kV，輸入電流數(shù)據(jù)為：

5月27日14:30輸入電流23.8 A;

5月27日21:35輸入電流26.4 A;

5月28日08:00輸入電流25.2 A;

5月28日21:00輸入電流24.8 A;

5月29日06:25輸入電流24.1 A;

工頻運(yùn)行時(shí)，平均電流i1=24.86 A ，功率因數(shù)cos漬1 =0.85。

變頻運(yùn)行時(shí)，輸入電壓6 kV，運(yùn)行頻率和輸入電流數(shù)據(jù)為：

5月27日11:00頻率41.55 Hz，輸入電流13.0A;

5月27日12:00頻率41.55 Hz，輸入電流13.1A;

5月27日13:00頻率41.55 Hz，輸入電流13.0A;

5月27日14:00頻率41.55 Hz，輸入電流13.2A;

變頻運(yùn)行時(shí)，平均電流i2=13.07 A , 功率因數(shù)cos漬2 =0.98。

每年節(jié)省用電=(i1cos漬1-i2cos漬2)×Ua×1.732×24×350=71.8萬kW·h。

每年節(jié)省電費(fèi)=71.8萬kW·h×0.5元/kW·h=35.9萬元。

由41 Hz 運(yùn)行計(jì)算知，每年可以節(jié)電約71 萬kW·h，節(jié)省電費(fèi)約35.9 萬元，變頻運(yùn)行時(shí)節(jié)電率達(dá)到40%。據(jù)統(tǒng)計(jì)設(shè)備運(yùn)行頻率在35 Hz就可以達(dá)到工藝要求的出水壓力，而春冬秋三個(gè)季節(jié)設(shè)備完全可以在35 Hz運(yùn)行，故節(jié)電率可達(dá)到50%左右。

2.3 通化鋼鐵集團(tuán)高爐除塵風(fēng)機(jī)的變頻應(yīng)用

通化鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司是吉林省省屬最大的國有工業(yè)企業(yè)和唯一的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)集團(tuán)。

隨著市場競爭的加劇，為提高產(chǎn)品市場占有率、競爭力，通化鋼鐵集團(tuán)深化改革，加快一批項(xiàng)目建設(shè)，其中6#高爐(750 m3)為新建項(xiàng)目之一。6#高爐在建設(shè)中吸取了以前舊高爐經(jīng)驗(yàn)，采用了大量先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，高爐除塵風(fēng)機(jī)的變頻控制就是先進(jìn)工藝的典型應(yīng)用。以前舊高爐除塵風(fēng)機(jī)一般是工頻運(yùn)行或液力耦合器控制，浪費(fèi)了大量的能源。經(jīng)過多方考察，比較性價(jià)比，通化鋼鐵集團(tuán)決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-800F(800 kW/10 kV)型高壓變頻器，通過雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了6#高爐除塵風(fēng)機(jī)的變頻控制方案。

高爐生產(chǎn)為周期性間斷出鐵，高爐在出鐵時(shí)，產(chǎn)生大量棕紅色煙塵，此時(shí)要求風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行;在不出鐵時(shí)，產(chǎn)生煙塵相對較少，只需要很低的轉(zhuǎn)速。利用變頻器根據(jù)高爐實(shí)際需要對除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，既保證和改善了工藝,又達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

出鐵時(shí)，變頻器高速運(yùn)行，運(yùn)行頻率定為45 Hz(可調(diào));不出鐵時(shí)，變頻器低速運(yùn)行，運(yùn)行頻率定為20 Hz(可調(diào))。用戶的風(fēng)機(jī)型號(hào)為Y4-73，電機(jī)型號(hào)為

Y560-3-8 。高爐除塵風(fēng)機(jī)工藝要求曲線如圖8 所示。

圖中：a～b 為風(fēng)機(jī)升速時(shí)間，約1min(可調(diào));

b～c 為高爐出鐵時(shí)間，約20 min;

c～d為風(fēng)機(jī)減速時(shí)間，約2 min(可調(diào));

d～e為風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行階段。

該系統(tǒng)生產(chǎn)周期約為1 h，出鐵時(shí)間為20 min，間隔約40min，系統(tǒng)配置電機(jī)額定電流為59.5 A，根據(jù)其它生產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)行情況電機(jī)運(yùn)行電流在55 A左右。

高爐出鐵變頻高速運(yùn)行45 Hz時(shí)，電流為45 A左右，在20 Hz低速運(yùn)行時(shí)，電流為15A左右。(一天中風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)間占40%，無停機(jī)時(shí)間)

P 變=1.732×10×(45×0.98×40%+15×0.98×60%)=458 kW

P 工=1 . 732×10×55×0 . 86=819 kW

節(jié)電率=(P 工-P 變)/ P 工×100%=44%

與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、過熱等多項(xiàng)保護(hù)功能，對電機(jī)的保護(hù)更加完善。改造后的調(diào)速系統(tǒng)隨著高爐生產(chǎn)除塵的需要，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，滿足高爐生產(chǎn)工藝的需要，工作強(qiáng)度大大降低。

3 結(jié)語

我國基于IGBT 的功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)的研究是與世界同步進(jìn)行的。隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，變頻器的使用越來越廣泛。風(fēng)光高壓變頻調(diào)速器經(jīng)過多年的現(xiàn)場運(yùn)行證明，它用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備節(jié)電效果顯著，性能穩(wěn)定、可靠性高。既節(jié)約了能源，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，且大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。