高压变频器在攀钢提钒炼钢厂中的应用

分类：解决方案日期：2007-03-14 00:00:00

摘要：本文综述了高压变频器的性能特点及系统原理，从节能、高效、环保等方面分析了高压变频器在攀钢提钒炼钢厂中大惯量高压除尘风机的应用，取得了良好的经济效益和社会效益。

关键词：高压变频器提钒炼钢低损耗绝缘栅双极型晶闸管（IGBT）脉冲宽度调制（PWM）

一、前言

　　时光荏苒，斗转星移。弹指间，攀钢提钒炼钢厂的大方坯连铸、两座新转炉以及除尘系统拔地而起，无不成为每个炼钢厂人的骄傲，尤其是除尘系统的新建与改造，对大惯量高压除尘风机的运行要求很高。因此，我厂采用了国内外五大公司的高压变频技术，包括北京利德华福电气技术有限公司、东方日立（成都）电控设备有限公司、美国罗克韦尔公司、美国罗宾康公司、法国阿尔斯通公司，分别使用的高压变频器有：HARSVERT-A（4台）、DHVECTOL-DI03000/06B（1台）、Power Flex7000(3台)、NBH（1台）、ALSPA MD2000（2台），这五种高压变频器已成为攀钢提钒炼钢厂除尘系统中的一道风景线，许多企业都来此参观。其中，北京利德华福高压变频器（HARSVERT-A）的应用最为广泛，主要用于攀钢提钒炼钢厂的6^#、7^#转炉的二次高压除尘风机（功率1600kW）；4^#、5^#转炉一次高压除尘风机（功率1400kW）的变频调速。

二、HARSVERT-A高压变频器的系统原理及特点

1、高压变频器功率单元结构原理

　　功率单元结构原理（图1），是由二极管整流的三相全控桥、低压绝缘栅双极型晶闸管（IGBT）逆变桥、电容器组等元件组成的控制回路，为基本的交-直-交单相逆变电路，通过对IGBT逆变桥进行正弦脉冲宽度调制（PWM）控制，可得到功率单元输出的PWM波形（图2）。每个功率单元结构一致，可以互换，而且当某个功率单元出现故障时，封锁该功率单元IGBT的触发信号，然后让旁路SCR导通，将这个功率单元隔离出去，而不影响其他功率单元的运行，减少除尘风机停机造成的经济损失，正好适应了攀钢提钒炼钢厂的生产节奏。

图1 功率单元结构原理

图2 功率单元输出的PWM波形

2、高压变频器的系统结构
　　HARSVERT-A高压变频器属于“高-高”电压源型变频器，由移相变压器、功率单元、控制器、工控机、内置PLC（S7-200）、液晶触摸屏、外部接口、温控器、检测装置、报警装置等设备组成（图3）。输入侧由移相变压器给每个功率单元供电，移相变压器的阀侧绕组分为三相（A、B、C三相），构成30脉冲整流方式，采用多级移相叠加的整流方式使负载下的网侧功率因数为0.96（﹥20％负载）接近1，可大幅度改善网侧的电流波形。输出侧由每个功率单元的U、V相输出端子相互串联而成星型接法给电机供电，通过对每个功率单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯PWM波形（图4），这种波形接近于标准正弦波，无须输出电抗器滤波，可减少对电机和电缆的绝缘的损坏，对输出电缆的长度无特殊的要求。

　　　　　　　　图3 高压变频器系统结构图

　　　　　　　　　　　　图4 阶梯PWM波形

3、高压变频器的电压叠加原理
　　移相变压器的阀侧绕组分为A、B、C三相，每相上有5个功率单元串联，共15个功率单元，每个功率单元的相电压为690VAC，每相的相电压为：V_相=690×5=3450VAC，那么其线电压为：V_线=V_相=×3450≈6000VAC（图5）。

图5 高压变频器的电压叠加原理

4、高压变频器工频旁路结构

　　工频旁路是在高压变频器出现故障时为保证生产继续进行，所采用直接工频启动电机的一种启动方式。攀钢提钒炼钢厂采用了一带一手动旁路（图6）和自动旁路（图7）两种形式。工频旁路系统的使用，避免了因变频器故障而造成高压除尘风机停机所带来的影响，确保了攀钢提钒炼钢厂生产顺利进行，使攀钢提钒炼钢厂的安全环保事业持续稳定发展。

图6 一带一手动旁路图7 自动旁路

三、HARSVERT-A高压变频器与电流源高压变频器的比较

　　攀钢提钒炼钢厂现使用的高压变频器有HARSVERT-A高压变频器（电压源型）和其他电流源型高压变频器，他们之间的比较见（表1）。根据现场情况和维护人员的反映，认为HARSVERT-A高压变频器操作简单，维护方便。从（表1）中亦可看出。

HARSVERT-A高压变频器	电流源型高压变频器
输入功率因数高	输入功率因数低，需功率因数补偿
对电网无谐波污染	对电网有谐波污染，需谐波抑制器
适用普通电机	不适用普通电机
控制电源掉电不停机	控制电源掉电立即停机
可一带多运行	不能一带多运行
不能四象限运行	可四象限运行，适用于制动场合
模块串联，可靠性高	存在器件串联均压问题，可靠性低
中文界面操作简单、稳定	中文界面操作简单、不稳定
系统软件有时出现故障，易处理	系统硬件有时出现故障，不易处理
维护人员易掌握处理故障的方法	维护人员不易掌握处理故障的方法

表1 HARSVERT-A高压变频器与电流源型高压变频器的比较

四、使用HARSVERT-A高压变频器后的优越性

1、节能方面

　　以4^#、5^#转炉为例，每座转炉公称容积为120T，平均铁水装入量为120T，最大铁水装入量为140T，最大炉气量为60000Nm³/h，吹炼时间为10min，冶炼周期为20min，炉气含尘量为80g/Nm³--120g/Nm³，风机升压为19000Pa，风机额定转速为1480rpm,电机电压为6kV，电机功率为1400kW。转炉的冶炼工艺从图8中可看出，A点到B点为兑铁加废钢时间2分钟，B点到C点为风机升速时间1分钟，C点到D点为吹炼时间10分钟，D点风机开始减速，D点到E点为测温取样时间1分钟，E点到F点为倒渣出钢时间5分钟，F点到G点为倒残渣时间1分钟。整个转炉的冶炼周期为20分钟，在C点到D点吹炼时变频器以高速35Hz运行，其它阶段变频器以低速18Hz运行。以前没有采用高压变频器时，在整个转炉的冶炼阶段都是工频50Hz运行，4^#、5^#转炉一次除尘风机月耗电量约为1680000kW·h，而使用了高压变频器后，4^#、5^#转炉一次除尘风机月耗电量约为1050000 kW·h，根据电费0.55元/度计算，每月可节约电费约34.6万元。