高压变频器在高炉除尘风机上的应用与实践
文/河南济源职业技术学院 任艳艳 河南济源钢铁（集团）有限公司 陈万俭
摘要：本文分析了高压变频器在济钢高炉除尘风机中应用，通过计算分析以及实际运行的效果，证明了高压变频器在电机系统节能中的重要作用。
关键词：高压变频器 变频调速 节能。
1.引言
随着国民经济的迅速发展，特别是世贸组织的加入和市场竞争的加剧，能源问题已经显得尤为突出，节能减排的大力投资成为各个行业提高市场竞争力新的亮点。而各个行业中，电机的应用极为广泛，它是工况企业中的主要动力，在冶金、石化、电力、矿业等各个行业中，用于风机、轧机、泵类等大型机械设备的拖动，尤其高压电机的电能消耗非常巨大，占企业所有电机电能消耗的65－75%之多。对于电机节能，高压电机的节能尤为突出。目前电机系统节能工程被定位国家发改委启动的十大重点节能工程之一。对电机系统的节能来说，不管从调速、起动和制动性能上来说，采用可控硅变频技术是最为理想的节能途径，尤其在某些特定工艺下，中、高电压、大功率的电机采用高压变频器节能效果尤为明显。
2.高压变频器的分类及节能优势
变频器是运动控制系统中的功率变换器。目前，我国高压变频器呈现三大趋势：
（1）功率单元串联多电平技术依然是市场的主流。
（2）向大功率方向发展。
（3）随着高压变频技术的成熟，将大幅拓展工艺控制对于变频调速的需求。
高压变频器不像低压变频器那样具有成熟的一致性的主电路拓扑结构，而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，国内外各变频器生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路结构，以适应各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异。
高压变频器的分类一般可分为两大类：
（1）交—交变频器（无直流环节）
（2）交—直—交变频器（有直流环节）。
其中交—直—交变频器又可根据直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器，直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器。图1为三种高压变频器框图。
（a）交－交变频器 （b）电流源型变频器 （c） 电压源型变频器
图1：三种高压变频器框图
无论何类变频器，判断其优劣，首先要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；其次要看对电网的谐波污染和输入功率因数；再次要看其本身的能量损耗（即效率）如何。
无论何类型的高压变频器在特定的工艺要求下，其节能的优势都是很明显的。在以往的大功率电机的节能调速，一般采用下列几种方式：星／角接启动器、自耦降压启动、配套电容补赏器，提高功率因数 终端电压、配套电磁调速器（适合于无级调速），减少启动时机械冲击等。以上几种节能调速，节能效果均不明显，并且调速范围窄，转速不稳定、电机的效率低，损耗大、经常出现故障，不能满足连续生产的需要、调节精度低，响应慢等。高压变频器以节能为目的典型应用是风机调速、泵类调速，为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求
由流体力学可知，P(功率)＝Q(流量)×H(压力)，流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵（或风机）的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。当所要求的流量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40%一50%，从而达到节电的目的，同时又可提高系统可靠性及稳定性。
3.案例剖析
现在已2006年河南济钢6#高炉出铁场除尘风机采用的北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频器为例，从工艺、变频器结构、节能原理以及节能效果进行详细的分析介绍。
3.1 工艺
高炉在生产过程中，出铁场产生大量的烟囱，污染环境，根据国家法规，需要除尘处理。除尘风机是一个间隙性的工作制度，即高炉出铁时使用，不出铁时不用，使用率大约在60％左右。图2为高炉炼铁出铁场工艺周期。
图2：高炉炼铁出铁场工艺周期
图2中：
A到B、E到F为高炉冶炼时间，
B到C、F到G为升速时间，可以调节，
C到D、G到H为高炉出铁时间，
D到E、H到I为减速时间，可以调节。
每次高炉出铁时间约50分钟，为高速段，定为45Hz,可以调节；高炉冶炼时间约30分钟，为低速段，
定为5Hz,可以调节。
3.2 方案选择
根据以上工艺要求，又因为除尘风机所配电机为高压电机，不允许频繁启停。如果风机长期采用工频运行，通过调节风门的出口挡板调节风量来满足生产工艺要求，大量电能白白浪费在阀门上。如果采用液力耦合器调速，则由以往经验可知，液力耦合器存在以下主要缺点：
（1）调速范围有限，为50～95%，转速不稳定，高速段减小了设备的出力能力，低速段影响节能效益的发挥；
（2）调速越低时效率越低，低速时发热厉害；
（3）调速精度低，线性度差，响应慢，不大适应自动控制要求；
（4）电机虽然可以不带载启动，但仍然有5倍左右的冲击电流，影响电网稳定；
（5）必须串入电机和机械的连接轴中，不适合于设备改造；液力耦合器故障时，没有工频旁路系统，负载机械将无法运转，必须停机检修；
（6）漏油严重，对环境污染大；可靠性差，维修难度大，严重浪费人力及影响生产。
经过以上的分析，既要满足工艺要求，又要达到调速节能的目的，采用高压变频器对电机进行拖动控制最为理想。方案定为一拖一方案，如图3所示。变频器选用专业制造高压变频的北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器。
图3：高压变频器一拖一方案
3.3 HARSVERT-A系列高压变频器基本结构原理
HARSVERT-A系列高压变频器为交—直—交电压源型变频器，采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，输入电流谐波畸变小于4%，电网输入电压谐波畸变小于2%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，输出电流谐波畸变小于2%，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，变频器每个系统共有21个功率单元，每7个功率单元串连构成一相，其系统结构如图4所示。其中(1)为高压开关；(2)为干式移相隔离变压器；(3)为电动机；(4)为功率单元；(5)为主控箱；(6)为人机接口；(7)为可编程控制器；(8)为电流霍尔；(9)为电压检测。
图4：HARSVERT-A系列高压变频器系统结构
3.4 变频调速节能原理
（1）变频调速的方法
交流异步电动机的输出转速由下式确定：
n=60f(1—S)/p……
式中：n-电动机的输出转速；f-输入的电源频率；S-电动机的转差率；p-电机的极对数。
由公式可知，变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。
变频调速系统是从电网直接接收工频50Hz的交流电，经过交-直-交变频方式，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电直接输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。
（2）变频调速的节能原理
除尘风机作为一种基本的风机类负载的工作特性如图5所示。
图5：除尘风机的工作特性
曲线①为负载按转速N1工作时的特性曲线，曲线②为负载按转速N2工作时的特性曲线，③④为管网的阻力曲线。在第一种负载工况下，负载工作在A点，流量为Q1，压力为H1。如果负载仍然按N1速度定速运行，用挡板将流量调节为Q2时，压力将上升到H3，负载工作点移到B点。由于挡板的截流作用，管网阻力曲线由③变为④。
在A、B两点，负载功率分别为PA＝H1×Q1，PB＝H3×Q2，虽然Q2＜Q1，但H3＞H1，实际减小的功率有限。
如果不采用挡板调节，这时管网阻力特性保持曲线③不变，改用调节负载速度来减小流量，负载改按速度N2运行，工作特性为曲线②，负载工作在C点，流量仍然为Q2，但压力为H2。
相比B、C两点，负载减少的轴功率为：ΔP＝PB- PC＝（H3–H2）×Q2
在风道阻力特性不变的情况下，离心式风机的风量Q、压力H、轴功率P和转速N之间满足如下关系（相似定理）：Q∝N，H∝N2,P∝N3
所以有：
就是说，通过调速方式改变风机风量，风量下降一半时，在不考虑到效率的情况下，风机轴功率将下降87.5%。这也是为什么变频调速在风机应用上节能十分显著的原因。
另外，工频50Hz电网直接启动，对电网和机械冲击较大，声响很大，估算其启动一次的损耗:Ws=0.5Jwo²(1+r1/r2)Tm/Tm-TL，风机类负载的平方转矩特性与异步电动机起动时的机械特性曲线部分相似，可以Tm/Tm-TL=1计。而变频软起动损耗很小，只有上述Ws十分之一，则每年的起动节能也是很可观的。
当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近l，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。
3.5．运行效果分析
6＃高炉出铁场除尘风机电机参数：额定功率710kW，额定电压6000V，额定电流89 A，功率因数0.816，额定转速740r/min。
目前带变频器时运行实际输入值为：电机高速时（45Hz）电流为50—55A左右，电机低速时（5Hz）电流为1.36A。根据公式：变频器出入电压U1×变频器输入电流I1×变频器本身功率因数＝变频器输出电压U2×工频电流I2×电机功率因数，以上实际运行工频电流为：电机高速时59－65A，电机低速时为18A。
电机高速时，输入电流55A，输入电压6450V，转速740r/min，电机低速时，输入电流1.3A，输入电压540V，转速76r/min。
实际不用变频器时工频电流为65A，这可能与变频器读数显示不准有关，现仅以变频器显示数据为依据进行节能核算。炼铁出铁时间与不出铁时间按60%对40%考虑。每年按8000小时考虑。
电机工频状态下，每年耗电量为
×Ue×I×cosΦ=1.732×6.450×65×0.816＝592.5kW·h
每度电按0.5元算，592.5×8000×0.5＝2370124元。
电机带变频时：转速与频率成正比，功率与转速关系为P/Pe＝（n/ne）3，
所以电机高速时：P＝Pe×（n/ne）3/0.96=739.5kW·h，
电费为：739.5×（8000×60%）×0.5＝1774800元，
电机低速时：P＝Pe×（n/ne）3/0.96＝0.74 kW·h，
电费为：0.74×（8000×40%）×0.5＝1184元。
一年省去电费为：2370124－1774800－1184＝594140元，节省比例为：594140/2370124=0.25，耗电节省为25％，1年半能收回成本。
3.6 应用高压变频调速系统产生的其他效果
（1）维护量减少
采用变频调速后，无论哪种工艺条件，随时可以通过调整转速使系统在接近额定状态下工作，通常情况下，变频调速系统的应用主要是为了降低电机的转速。由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件的寿命；同时极大的减轻了对管道的冲击，有效延长了管道的检修周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。
（2）工作强度降低
由于调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。
（3）减少了对电网的冲击
采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流远远小于额定电流，启动时间相应延长，对电网无大的冲击，减轻了起动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。
4 结束语
高压变频调速系统是直接串联于高压电源与高压电机之间的变频调速设备，以其安全、良好的运行性能正快速的替代其它调速产品，全面的进入到各个行业的节能项目中。利用高压变频调速技术的目的是改变设备的运行速度，以实现调节现场工况，大大提高了系统的自动化程度，既满足了生产要求，又达到了节约电能，同时使维护量大大降低，为企业带来可观的效益。在电机系统的节能中，高压变频器以其节能的力度，起着重要的作用。
作者简介：任艳艳（1975-），女（汉族），河南济源人，济源职业技术学院机电系讲师，工程硕士，研究方向：单片机、PLC及自动控制系统的研究。
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