變頻與傳動(dòng)之高壓變頻器原理及應用
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由于采用了上述三項核心關(guān)鍵技術(shù)，使IGBT直接高 壓變頻器的效率達到98%以上。輸出電壓正弦化、共模電壓最小化。適用于任何異步電機、同步電機，無(wú)需降容使用，幾km的長(cháng)線(xiàn)傳輸也無(wú)問(wèn)題。對于傳輸距離 太長(cháng)時(shí)應考慮線(xiàn)路電壓補償。如提高電壓或增大導線(xiàn)截面等。
4 系統特點(diǎn)：
（1）電壓等級為3kV-10kV；
（2）系統自帶專(zhuān)門(mén)設計的高壓開(kāi)關(guān)柜，與本身高壓變頻器高效安全配套，并含變/工頻切換裝 置和電子式真空斷路器;
（3）全中文操作界面，基于Windows操作平臺，彩色液晶觸摸屏，便于就地監控、設定參數、選擇功能和調試;
（3）內置PLC可編程控制器，易于改變和擴展控制邏輯關(guān)系;
（4）高壓主電路與低壓控制電路采 用光纖傳輸，安全隔離，使得系統抗干擾能力強;
（5）控制電路通訊方式采用全數字化通訊;
（6）系統的 整流單元、逆變單元設計，選用組合模塊化積木結構，整機占地面積小、重量輕，便于安裝、維護;
（7）裝置可在本機上操作，也可實(shí) 現遠距離外控，具備完善、方便的操作功能選擇;
（8）系統具有標準的計算機通訊接口RS232或RS422、RS485，可方便 的與用戶(hù)DCS系統或工控系統組態(tài)建立整個(gè)系統的工作站，進(jìn)一步提高系統的自動(dòng)化控制程度，實(shí)現整個(gè)工控系統的全閉環(huán)監控，從而獲得更加完善的、可靠自動(dòng)化運行;
（10）具備全面的故障監測、可靠的故障報警保護功能;
（11）輸入功率因數高，輸出電壓諧波 含量小，無(wú)需功率因數補償和諧波抑制器;
（12）輸出電壓為標準正弦波形，對電纜和電動(dòng)機的絕緣無(wú)損害，減輕電動(dòng)機的軸承和葉片 等機械部分震動(dòng)和磨損，延長(cháng)電動(dòng)機的使用壽命，輸出至電動(dòng)機的線(xiàn)纜長(cháng)度可達20km;
（13）采用獨特的抗共模電壓技術(shù)，使系統*模電壓≤1000V，無(wú)需再提高電動(dòng)機的絕緣等級，無(wú)需專(zhuān)用電機;
（14）易于實(shí)現能量回饋和四象限運行;并可直接引出直流 進(jìn)行直流輸電;
（15）對用戶(hù)的高壓異步電動(dòng)機無(wú)任何特殊要求。不但適用于新舊異步電動(dòng)機，也適用于同步電動(dòng)機。
5.應用實(shí)例：IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器在 煉鐵廠(chǎng)沖渣泵上的應用
5.1 應用概況
永峰鋼廠(chǎng)是萊鋼集團公司的一個(gè)主要生產(chǎn)廠(chǎng)，負責公司所需鐵水和鐵塊冶煉。高爐冶煉鐵水過(guò)程中產(chǎn)生大量的熔渣，通常是用大流量的中壓水將其降溫并 沖散，同時(shí)輸送到水渣池回收，作為煉鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品。高爐生產(chǎn)是不間斷的，一般情況下每天出鐵15次，在高爐出鐵前、后各放一次渣，兩次出渣時(shí)間約 30min，在此時(shí)間內要求水沖渣系統的水泵滿(mǎn)負荷工作，其余時(shí)間水泵只需保持約30%水流量防止管道堵塞即可。4#-高爐使用ZGB-300型沖渣泵，原系統運行時(shí)，起動(dòng)前管道進(jìn)出水閥門(mén)關(guān)閉，起動(dòng)后閥門(mén)開(kāi)度約90%，機組全速運行，電網(wǎng)電壓6300V，電機運行電流33A，功率因數81.6%，耗電功率294kW。不需沖渣水時(shí)通過(guò)調節閥門(mén)在30%來(lái)調節水流量(此時(shí)電機電流25A)，耗電功率214kW，一方面導致大量的節能損失，另一方面頻繁操作閥門(mén)，致使其使用壽命大大降低，增加了停產(chǎn)更換閥門(mén)的時(shí)間，為此公司決定對4#高爐沖渣泵進(jìn)行改造。
5.2 改造方案
由電機轉速公式n=60f×(1-s)/p可知:只要改變電機的頻率f，就可以實(shí)現電機的轉速調節，高電壓大功率變頻器通過(guò)控制IGBT(絕緣柵雙極型電力場(chǎng)效應管)的導通和關(guān)斷，使輸出頻率連續可調。而且是隨著(zhù)頻率的變化，輸出電流、電壓、功率都將發(fā)生變化，即負荷大時(shí)轉速大， 輸出功率大，負荷小時(shí)轉速小，輸出功率也小。
由流體力學(xué)：：Q′=Q(n′/n) 、H′=H(n′/n)2 、P′=P(n′/n)3 可知: 當泵機低于額定轉速時(shí)節電為：E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)
可見(jiàn)，通過(guò)變頻改造，沖渣泵流量Q、壓力H及軸功率P都將發(fā)生較大的改 變，不但節能而且大大提高了設備運行性能。根據沖渣泵的實(shí)際特性對其進(jìn)行了具體改造，沖渣泵在沖渣時(shí)工作在49.5Hz，在不沖渣時(shí)工作在25Hz，考慮 到工藝對調速精度要求不是很高，本系統只采用開(kāi)環(huán)控制并在高爐值班室操作，需沖渣時(shí)給調節系統一個(gè)“1”的信號，電機高速運行，不需沖渣時(shí)將此信號取消，電機低速運行，取得了很好的節能效果。
5.3 改造后的系統實(shí)際運行狀況
根據18個(gè)月的運行，經(jīng)過(guò)反復多種測試各運行參數一直正常，變頻器質(zhì)量性能良好，安全可靠，各項指標均達到了設計要求.
(1)諧波抑制效果良好。電壓諧波含量小于3%，符合IEEE519-1992和GB/T14549-93標準。
(2)各種保護功能完善。過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、故障保 護等功能可靠，并且考慮了外部電網(wǎng)的防雷擊等多環(huán)節保護功能。
(3)各種指示功能完備。具有輸入、輸出電流和電壓、運行頻率、故障顯示、運行狀態(tài)指示等功能。
(4)操作簡(jiǎn)便。同普通的低壓變頻器的功能操作方式相似，功能設置和調整簡(jiǎn)單方便。
5.4 改造效益
機組49.5Hz運行和無(wú)變頻器運行相比可節省功率ΔP1=P50-P49.5=80kW；
機組25Hz運行和無(wú)變頻器運行相比可節省功率ΔP2=214kW-P25=132kW；
年節電量:ΔW= (H1ΔP1+H2ΔP2)=365(7.5×80+16.5×132)=1013970kWh；
(注:每年按365天 計H1:沖渣時(shí)間=15×30/60=7.5小時(shí);H2:不沖渣時(shí)間=24-7.5=16.5小時(shí))；
經(jīng)濟效益:ΔW電價(jià)=1013970×0.56=567823元(注:萊鋼廠(chǎng)工業(yè)電價(jià)0.56元/kWh)；
實(shí)現電機軟起動(dòng)功能，延長(cháng)了電機壽命，大大減少了沖渣泵故障發(fā)生率；
提高了自動(dòng)化水平，節約了大量工業(yè)用水；
由上述可知，綜合經(jīng)濟效益每年可達60多萬(wàn)元，一年即可全部收回成本。
5.5 結論
通過(guò)對沖渣泵系統的變頻調速的技術(shù)改造，經(jīng)過(guò)較長(cháng)時(shí)間的運行檢驗，證明該產(chǎn)品性能可靠、功能齊全、技術(shù)先進(jìn)，說(shuō)明國內自主開(kāi)發(fā)的高壓變頻器在技術(shù)上已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平。由于IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器無(wú)輸入輸出變壓器、體積小、性?xún)r(jià)比高、綜合性能好等方面均超過(guò)了國內外其它產(chǎn)品，是新一代高性能高 壓變頻產(chǎn)品的代表，為高壓變頻調速技術(shù)在廠(chǎng)內其它工序的技術(shù)改造提供了一條可行的途徑，在高壓變頻改造領(lǐng)域具有極大的推廣價(jià)值。
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