摘 要：本文主要闡述了HARSVERT-A系列高壓變頻器在培燒煙氣凈化引風(fēng)機控制中的實(shí)際應用，簡(jiǎn)要說(shuō)明了其功能和應用效果。

　　關(guān)鍵詞：高壓變頻技術(shù)、引風(fēng)機、節能、諧波

　　一、前言

　　在現代大中型工礦企業(yè)中，高壓電機電能消耗占企業(yè)總電能用量的一半左右。雖然低壓變頻器在實(shí)際應用中已十分普遍，但由于高壓變頻技術(shù)復雜和電子器件耐壓限制，一直制約著(zhù)其實(shí)際應用與推廣普及。近幾年來(lái)，隨著(zhù)高壓變頻技術(shù)的日趨成熟和功率器件耐壓能力的突破，高壓變頻器的應用趨勢日益加快，其變頻節能效果也更加顯著(zhù)。

　　本文以中鋁青海分公司炭素一二期焙燒煙氣凈化系統引風(fēng)機應用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/100型高壓變頻器實(shí)施變頻改造為例，詳細闡述了國產(chǎn)高壓變頻器的應用情況。其成功應用充分證明國產(chǎn)高壓變頻在關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。隨著(zhù)國內科技迅速發(fā)展和研究投資的不斷加大，高壓變頻器的研制已取得了長(cháng)足的進(jìn)步和發(fā)展，其產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量已趕上世界同行的水平，而且價(jià)格低、性能優(yōu)越、運行穩定，已贏(yíng)得國內眾多企業(yè)的認可和好評。

　　二、系統配置

　　我廠(chǎng)炭素一二期焙燒煙氣凈化系統原來(lái)設計為4臺三相低壓異步電動(dòng)機（Y355M-4型，315kW，562A，1476r/min）拖動(dòng)，在日常生產(chǎn)中通常投運2-3臺（1臺備用）就能滿(mǎn)足焙燒煙氣凈化需要，因風(fēng)機之間通過(guò)煙道并聯(lián)，其凈化系統負壓是通過(guò)各風(fēng)機分煙道蝶閥開(kāi)閉調節，其各個(gè)分煙道蝶閥開(kāi)度只能憑操作人員實(shí)際經(jīng)驗判斷和控制。另外，由于停運分機蝶閥泄露，導致凈化系統無(wú)效循環(huán)嚴重。針對這種問(wèn)題，2005年，我廠(chǎng)提出了應用高壓風(fēng)機、變頻調速控制的實(shí)施改造方案（如圖1），為提高凈化系統安全、可靠性，設計為一用一備系統。

圖1:焙燒煙氣凈化系統引風(fēng)機控制配置圖

　　1.拖動(dòng)設備

　　高壓異步電動(dòng)機：YP7560-6型;1000kW;Ve=6300V，Ie=108.95A;ne=994r/min;cosφ=0.876;絕緣等級F級、Y接法、50Hz;熱態(tài)時(shí)允許啟動(dòng)1次;冷態(tài)時(shí)允許啟動(dòng)2次;蘭州電機有限責任公司制造。

　　2.離心引風(fēng)機

　　型號：Y7-2X36-22F;338600m3/h（風(fēng)量）;7500Pa（風(fēng)壓）;ne=990r/min;配套電機1000kW。

　　3.變頻器結構與原理

　　2006年5月，我廠(chǎng)焙燒煙氣凈化引風(fēng)機拖動(dòng)系統進(jìn)行了系統的改造和優(yōu)化，其引風(fēng)機、拖動(dòng)電動(dòng)機均進(jìn)行了更新。電機拖動(dòng)系統選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/100型1000kW高壓變頻器控制，其變頻器主要由移相變壓器、功率逆變單元和控制器等三部分，其結構如圖2所示。

圖2：HARSVERT-A06/100型1000kW高壓變頻器結構圖

　　HARSVERT-A系列高壓變頻器采用功率逆變單元串聯(lián)多電平技術(shù)，為高-高電壓源型，6kV輸入，經(jīng)變壓器降壓、移相得到中壓，再通過(guò)二極管整流、穩壓、IGBT逆變、電源疊加，得到6.3kV高壓交流電源，實(shí)現變頻控制目的，其原理如圖3所示。

圖3：6kV高壓變頻器（7組功率模塊串聯(lián)）系統結構圖

　　三、HARSVERT-A系列高壓變頻器特點(diǎn)

　　1.采用功率模塊串聯(lián)多電平電壓疊加技術(shù)

　　HARSVERT-A系列變頻器采用低壓變頻器串聯(lián)的方式實(shí)現高壓變頻控制，為多電壓源疊加型。其輸入側采用移相降壓型變壓器，實(shí)現多脈沖整流方式，其產(chǎn)生的諧波（高、低次）成分低于國際電網(wǎng)供電標準。在負載時(shí)，電網(wǎng)側功率因數能達到0.95以上。在輸出側采用多級PWM技術(shù)，dv/dt小，諧波少，其功率電路采用標準模塊化設計，更換方便，互換性強，90%的器件均為國產(chǎn)，性能穩定、價(jià)格低、易采購，十分適合國內企業(yè)高壓設備改造和新建項目選用。

　　2.功率單元選用低壓IGBT模塊為逆變器件

　　這種變頻器的功率單元采用低壓IGBT模塊作為逆變器件，與采用高壓IGBT的三電平變頻器比較，雖然功率器件數目較多，但在控制技術(shù)、制造工藝等方面十分成熟。其功率模塊為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過(guò)對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到單相交流輸出。每個(gè)功率模塊結構及電氣性能完全一致，可以互換，其原理結構如圖4所示。

圖4：6kV高壓變頻器功率模塊原理結構圖

　　3.采用高效降壓、移相變壓器

　　輸入側由降壓、移相變壓器給每組功率模塊供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，根據電壓等級和模塊串聯(lián)級數，通常由24、30、42、48脈沖系列等構成多級相疊加的整流方式，使電網(wǎng)側的電流波形得到顯著(zhù)改善，不需要進(jìn)行功率因數補償或加裝諧波抑制裝置。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對獨立，其控制技術(shù)類(lèi)似于普通低壓變頻器。

　　4.輸出側結構獨特

　　輸出側由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過(guò)各個(gè)獨立功率逆變單元的PWM波形重組、疊加，以獲得階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，對輸出電纜、電機絕緣無(wú)損壞，可直接驅動(dòng)普通高壓異步電機;另外，由于輸出側諧波成分小，不需要加裝濾波器，輸出電纜可大幅延長(cháng)。因電機諧波損耗顯著(zhù)減少，能較好地消除負載機械軸承和葉片振動(dòng)現象。在運行中，若當某組逆變功率模塊工作異?；蚬收蠒r(shí)，通過(guò)調整觸發(fā)控制脈沖信號，使該組模塊輸出短路，將故障單元旁路退出系統。這種情況下，只要使變頻器降額運行即可。因此，可大幅減少設備的異常停機和系統頻繁停、啟現象。

　　5.應用高速CPU控制器

　　變頻控制器由高速單片機處理器、人機操作界面和PLC等電路構成，其人機操作方式為標準操作面板界面。單片機實(shí)現PWM控制，人機操作界面能很方便地實(shí)現高壓變頻調速裝置與實(shí)際操作人員信息交流、監控信號傳輸等工作，其友好的全中文、模擬畫(huà)面能實(shí)時(shí)再現整個(gè)系統各項運行狀態(tài)參數，并具有使用方便、快捷、遠程監控和網(wǎng)絡(luò )化控制功能。PLC的應用很好地實(shí)現了系統開(kāi)關(guān)信號的邏輯處理、多級保護措施的實(shí)施，大幅提升設備的保護、互鎖等安全等級。

　　通過(guò)光纖通訊技術(shù)實(shí)現控制器與功率單元之間的信號交換，可靠、安全地使低壓部分和高壓部分得到隔離，故系統具有相當高的安全性和抗電磁干擾性能。

　　6.控制方式先進(jìn)

　　HARSVERT-A高壓變頻調速系統通常采用異地遠程控制，其變頻器的頻率設定可通過(guò)外部監控上位計算機給定（也可通過(guò)柜體操作面板），如主界面的加減速鍵或“頻率設定”設置運行頻率（如圖5所示）;也可用外部模擬信號直接給定，我廠(chǎng)一期凈化2臺風(fēng)機就采用這種方式控制。由于變頻器控制系統設有PID調節功能，可很好地實(shí)現給定頻率升、降調速變化的平滑性和均勻性。變頻器啟動(dòng)后運行于設定頻率（可選擇開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制）。其實(shí)時(shí)狀態(tài)監控、啟動(dòng)、停車(chē)、急停、復位、運行頻率設定、參數刷新、故障記錄查看等控制操作，均通過(guò)上位機完成。一臺微機可實(shí)現多臺變頻器操作、監控任務(wù)。

圖5：我廠(chǎng)二期凈化高壓變頻器頻率設定、參數監控界面

　　7.控制功能齊全

　　HARSVERT-A系列變頻器具有許多功能：其有關(guān)各項參數采用中文提示、整體備份和恢復;系統設有兩段頻率躲避區，可回避風(fēng)機在某一頻率段（或點(diǎn)）工作時(shí)出現的共振、喘振等現象，根據不同負載啟動(dòng)需要，系統設有不同的轉矩提升控制。終端監控系統設有故障定位和查詢(xún)功能，異?；蜉p微故障時(shí)會(huì )在主界面實(shí)時(shí)提供報警信息。較大故障發(fā)生時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)彈出故障界面，直接顯示故障位置和名稱(chēng)。維修人員可通過(guò)故障界面查詢(xún)故障歷史信息，系統設有波形顯示功能，查看運行中的波形質(zhì)量，可及時(shí)調整系統功率因數。設有運行數據自動(dòng)記錄功能，變頻器運行時(shí)各項參數包括給定頻率、電機轉速、輸入電流、輸出電流、輸入電壓、輸出電壓、系統狀態(tài)操作等信息自動(dòng)記錄、存貯（如圖6所示）;系統自診斷功能，其內核能自動(dòng)檢測核心主控制器、可編程序邏輯PLC及上位機等當前的狀態(tài)，輔助分析各控制器間的通訊情況。

圖6：運行數據記錄顯示

　　8.系統散熱設計合理

　　HARSVERT-A系列變頻器的熱量損耗主要包括變壓器柜和功率柜兩部分。變壓器采用H級干式變壓器標準設計，絕緣材料能夠耐受180℃的高溫，其冷卻系統采用增加柜頂風(fēng)機提高變壓器柜的冷卻風(fēng)量來(lái)達到降低設備自身溫度，在45℃環(huán)境溫度下，變壓器工作允許溫度可達110℃。如我廠(chǎng)夏季最高氣溫為31℃，在自然通風(fēng)的室內，環(huán)境溫度為19℃左右，當風(fēng)機負荷達到96%時(shí)，較長(cháng)時(shí)間（4-8小時(shí)）運行后，其變壓器線(xiàn)圈溫度只有42℃，這遠遠低于設計要求。因而在高海拔地區，高壓變頻器不需要考慮降容使用問(wèn)題。

　　功率柜也是變頻器運行中發(fā)熱體之一。功率器件IGBT的最大允許運行溫度（外殼溫度）不允許超過(guò)85℃，過(guò)高的溫升會(huì )導致管壓降加大、熱損耗增加，形成惡性循環(huán)引起器件內熱量累積，導致因溫度過(guò)高而燒毀。故功率器件的散熱關(guān)系到系統的安全可靠性問(wèn)題。HARSVERT-A系列變頻器選用先進(jìn)的功耗最小的功率器件，利用器件并聯(lián)的方式將熱量分散、增大有效散熱面積，解決了多器件內熱量積累問(wèn)題。其次選用熱傳導特性好、導熱率高的新型冷板釬焊散熱器，進(jìn)一步提高了散熱效果。此外柜體設計為柵格濾網(wǎng)罩，采用透氣性好、韌度高的新型過(guò)濾合成絲綿，以降低進(jìn)風(fēng)風(fēng)阻，采用冷卻風(fēng)機冗余設計。

　　四、運行效果

　　自2005年8月，我廠(chǎng)一期2臺焙燒凈化引風(fēng)機高壓變頻改造投運以來(lái)，經(jīng)過(guò)3年多的長(cháng)期、連續運行結果，其運行狀況良好，工作穩定，節電顯著(zhù)，完全達到了改造預期目標，完全滿(mǎn)足焙燒煙氣凈化工藝控制需求，大幅提高了凈化效果，因連續多年排污不超標，得到了分公司和地方環(huán)保部門(mén)的獎勵。根據我廠(chǎng)每月電耗統計，焙燒煙氣凈化月電耗降低19%左右。我廠(chǎng)一期焙燒煙氣凈化風(fēng)機變頻改造后的系統運行實(shí)際參數如下表所示。

　　附表：變頻調速控制風(fēng)機后的凈化系統工作參數（一期系統）

　　五、結束語(yǔ)

　　應用HARSVERT-A型1000kW高壓變頻器實(shí)施焙燒煙氣凈化系統風(fēng)機拖動(dòng)系統改造，優(yōu)化了煙氣凈化系統的工作性能，提高了煙氣凈化系統工藝效果，大幅降低了系統電能消耗;據統計，由于凈化系統風(fēng)壓、流量的方便可調，其焙燒天然氣的消耗較改造前降低19m3/t;凈化系統總耗電減少13.7余萬(wàn)kW·h/月。實(shí)踐證明，國產(chǎn)高壓變頻器控制技術(shù)和設計制造能力已十分成熟，可與進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品抗衡，其價(jià)格只有同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品的1/3，且具有備件易采購、維修及時(shí)、售后服務(wù)便利等優(yōu)點(diǎn)，完全避免了進(jìn)口變頻器維修困難的問(wèn)題。

　　參考文獻：

　　[1] HARSVERT-A系列高壓變頻器操作使用說(shuō)明手冊 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司編寫(xiě)，2005.1

　　[2] Power Smart TM 系列高壓大功率變頻調速裝置使用手冊，2006.8