高壓變頻器在改造中的應用

1 引言

隨著(zhù)電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)正經(jīng)歷著(zhù)比較大的革新。工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域大量使用的高壓感應異步電動(dòng)機，已經(jīng)由傳統的改變其它機械環(huán)節的控制方法，改造為直接改變供給的交流電源的頻率和幅值的變壓變頻控制方法，進(jìn)行速度調節和位移控制，從而可以提高生產(chǎn)工藝，降低能源消耗。特別是在當今面臨能源危機的條件下，節能降耗不僅有近期的直接經(jīng)濟效益，更有長(cháng)遠的社會(huì )效益。

采用新型高壓大功率電力電子器件構造的直接“高-高”式變頻器，具有結構簡(jiǎn)單，工作可靠的特點(diǎn)，有很好的調速和起動(dòng)與制動(dòng)性能。由于采用不控整流和全控器件進(jìn)行開(kāi)關(guān)調制，具有輸入側高功率因數、整裝置優(yōu)良的控制性能和高的運行效率。特別是通過(guò)改變送給電動(dòng)機的電流的頻率，在很寬的轉速范圍內進(jìn)行高效率的轉速調節，可以取得很好的節電效果，在風(fēng)機和水泵的節能改造上已經(jīng)得到廣泛證實(shí)。

2 高壓變頻器的系統組成和原理

該高壓變頻器為直接高－高結構，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式，其主電路結構如圖1所示。

該高壓變頻器具有運行穩定、調速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數高、效率高等特點(diǎn)，對電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿(mǎn)足IEEE519-1992的諧波抑制標準，功率因數高，不必采用功率因數補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。

2.1 功率單元

AMB-HVI系列高壓變頻器每相由六個(gè)的功率單元串聯(lián)而成。各功率單元具有完全相同的結構，有互換性。每個(gè)功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，同時(shí)還包括驅動(dòng)、保護、監測、通訊等組件組成的控制電路，其結構如圖2所示。通過(guò)控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。每個(gè)功率單元額定輸出電壓為580V，串聯(lián)后輸出相電壓3480V，線(xiàn)電壓達到6kV。

圖2變頻器功率單元圖

AMB-HVI系列高壓變頻器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但各載波之間互相錯開(kāi)一定電角度，實(shí)現多電平PWM，使得輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓的每個(gè)電平臺階只有單元直流母線(xiàn)電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開(kāi)關(guān)頻率，以降低開(kāi)關(guān)損耗，但輸出波形的等效開(kāi)關(guān)頻率可以達到單元開(kāi)關(guān)頻率的6倍，且輸出電平數增加，輸出相電壓為13電平，線(xiàn)電壓為25電平，電平數和等效開(kāi)關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，其輸出波形如圖3所示。

圖3高壓變頻器的輸出電壓和電流波形

2.2 IGBT驅動(dòng)原理

在A(yíng)MB-HVI變頻器的功率單元中，使用高性能、智能化的專(zhuān)用IGBT驅動(dòng)模塊對主控系統輸出的PWM控制信號進(jìn)行隔離、緩沖處理后，使弱電信號（TTL電平）能夠驅動(dòng)高壓回路中的大功率IGBT器件，輸出我們需要的SPWM電壓。

驅動(dòng)模塊輔助功能還包括：對IGBT進(jìn)行短路、過(guò)流、欠壓監測和保護。當負載或功率單元一旦出現短路、過(guò)流、欠壓等方面故障，驅動(dòng)模塊將故障信號上傳到主控系統，主控系統的微處理器將根據故障類(lèi)型進(jìn)行辨別處理后，發(fā)出命令使驅動(dòng)模塊停止工作，禁止該功率單元的輸出。與此同時(shí)主機中故障處理控制邏輯還會(huì )根據故障類(lèi)型進(jìn)行更進(jìn)一步判斷，以決定系統是否發(fā)生真正的故障，以便系統采取報警停機或繼續運行，以保護變頻器與配電系統的安全，不至于造成更大的故障和更大的經(jīng)濟損失。

2.3 輸入變壓器

AMB-HVI系列高壓變頻器的輸入側變壓器采用移相式變壓器，其電氣原理圖如圖4所示。變壓器原邊繞組為6kV，副邊共十八個(gè)繞組分為三相。每個(gè)繞組為延邊三角形接法，分別有±5o、±15o、±25o移相角度，每個(gè)繞組接一個(gè)功率單元，這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。因此，采用移相變壓器進(jìn)行隔離降壓，使得輸入側功率因數在0.96以上，不會(huì )對電網(wǎng)造成超過(guò)國家標準的諧波干擾。

圖4移相變壓器電氣原理圖

3 改造方案

考慮到變頻器退出運行后，為了不影響生產(chǎn)，確保系統正常工作，配置工頻旁路，當變頻器出現故障時(shí)，將電機投切到工頻下運行。整個(gè)系統由1臺高壓變頻柜、1臺控制柜、1臺變壓器柜、一臺旁路柜、一臺電機及一臺送風(fēng)機組成，下圖為送風(fēng)機變頻方案示意圖。

圖5送風(fēng)機變頻方案示意圖

圖5中共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，QS2與QS3采用機械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統實(shí)現電氣連鎖，避免系統誤操作。當QS1、QS2閉合，QS3斷開(kāi)時(shí)，電機運行在變頻狀態(tài)；當QS1、QS2斷開(kāi)，QS3閉合時(shí)，電機工頻運行，此時(shí)高壓變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護和調試。

在變頻改造以前，風(fēng)機均采用調節風(fēng)板開(kāi)度的方式控制鍋爐進(jìn)風(fēng)量，由于其電機裕量較大，因而電能的浪費特別嚴重，同時(shí)由于頻繁的對風(fēng)板進(jìn)行操作，導致風(fēng)板的可靠性下降，影響機組的穩定運行。且電機工頻起動(dòng)特別困難，起動(dòng)電流大，對電網(wǎng)沖擊較大，并造成電機籠條松動(dòng)、有開(kāi)焊斷條的危險。一般起動(dòng)后不允許停機。

進(jìn)行變頻改造后，風(fēng)機的風(fēng)板開(kāi)度保持全開(kāi)，基本不需要改變，根據實(shí)際所需的風(fēng)壓，由DCS系統通過(guò)PID調節計算，輸出4~20mA模擬電流信號發(fā)給變頻器，通過(guò)調節變頻器的輸出頻率改變電機的轉速，達到調節送風(fēng)量的目的，滿(mǎn)足運行工況的要求。

同時(shí)，進(jìn)行變頻改造后電機在啟動(dòng)和調節過(guò)程中，轉速平穩變化，電流沒(méi)有任何沖擊，解決了電機啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題，消除了大啟動(dòng)電流對電機、傳動(dòng)系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用。

4 天山水泥廠(chǎng)節能效果分析

天山水泥廠(chǎng)五臺風(fēng)機經(jīng)過(guò)變頻改造后提高了運行的自動(dòng)化程度，降低了大量電能損耗，較大程度地降低了運行成本，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，具體節能分析如表1所示。

循環(huán)風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-3550KVA/10）

高溫風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-2500KVA/10）

收塵風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-800KVA/10）

磨煤風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-630KVA/10）

窯頭風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-500KVA/10）

表1

長(cháng)強鋼廠(chǎng)、揚子水泥、聯(lián)勤不銹鋼、重慶富凰節能效果分析

長(cháng)強排粉機（變頻器型號AMB-HVI-500KVA/10）

揚子風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-1250KVA/10）

聯(lián)勤燒結風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-2000KVA/10）

聯(lián)勤高爐風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-1250KVA/10）

富凰引風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-450KVA/6）

表2

5結論

上述各廠(chǎng)風(fēng)機經(jīng)過(guò)變頻改造后，節約了大量的電能，改善了工藝過(guò)程，電機實(shí)現了軟啟動(dòng)，延長(cháng)設備的使用壽命，減少維修量；電機的振動(dòng)情況得到了改善，取得了預期的效果。

中高壓變頻調速系統是實(shí)施有效節能的重要裝備，是國家當前社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的急需，在加快建設節約型社會(huì )的歷史進(jìn)程中，我們必將迎來(lái)一個(gè)高壓變頻調速技術(shù)發(fā)展和推廣應用的時(shí)代