高壓變頻調(diào)速技術(shù)在軋鋼高壓水除鱗系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要:本文結(jié)合唐鋼中厚板材有限公司軋鋼工作部高壓水除鱗系統(tǒng)中的電機(jī)改為變頻電機(jī)的安裝調(diào)試運(yùn)行情況，介紹了LCI型電流源變頻器的系統(tǒng)組成和工作原理，重點(diǎn)分析了高壓變頻調(diào)速技術(shù)在高壓水除鱗系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，展望了變頻電機(jī)在高壓水除鱗系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:高壓變頻調(diào)速技術(shù)LCI型電流源變頻器同步電動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào):TP31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)07(a)-0087-02

隨著我國(guó)對(duì)冶金生產(chǎn)節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的要求及設(shè)備的變頻化，越來越多的新建高壓水設(shè)備采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)為作為除鱗系統(tǒng)的動(dòng)力。唐鋼中厚板材有限公司軋鋼部在2010年先后將兩條生產(chǎn)線成功地引進(jìn)了兩套高壓水變頻調(diào)速系統(tǒng)。這兩套高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在高壓水除鱗系統(tǒng)中的良好應(yīng)用取代了傳統(tǒng)的電機(jī)系統(tǒng)，節(jié)約了能源，改善了環(huán)境，提高了效率，帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)鍛煉了隊(duì)伍。

1 高壓變頻調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)介

通常，我們把用來驅(qū)動(dòng)1KV以上交流電動(dòng)機(jī)的中小、大容量變頻器稱為高壓變頻器。按照國(guó)際慣例和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)供電電壓大于或等于10kV時(shí)稱高壓，小于10kV時(shí)稱中壓。我國(guó)工礦企業(yè)把1000V以上的交流電動(dòng)機(jī)例如3kV、6kV、10kV等交流電機(jī)都稱為高壓電動(dòng)機(jī)，對(duì)應(yīng)用于這類電動(dòng)機(jī)的變頻器都稱為高壓變頻器[1]。高壓變頻器可分為交-交變頻器、同步電機(jī)高壓變頻器和異步電機(jī)高壓變頻器。高壓大容量變頻器是一種技術(shù)含量高、難度大的高新技術(shù)產(chǎn)品，目前該技術(shù)在風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載調(diào)速節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用已相當(dāng)成熟[2]。盡管高壓變頻器至今尚未形成如低壓變頻器那樣的統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，隨著電力電子器件研發(fā)、制造水平的不斷提高，高壓變頻技術(shù)仍在發(fā)展之中。

2 負(fù)載換相式電流源型變頻器特點(diǎn)

2.1 電流源型變頻器

高壓變頻器按照高壓組成方式可分為直接高壓型和高-低-高型，根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)來分，可分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，在交-直-交變頻器中，按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，可分為電壓源型和電流源型。電流源型變頻器(CSI:Current Source Inverter)采用大電感作為中間濾波環(huán)節(jié)。整流電路一般采用晶閘管作為功率器件，少數(shù)也有采用GTO的，主要目的是采取電流PWM控制，以改善輸入電流波形。逆變部分一般采用晶閘管或GTO作為功率器件。電流源型變頻器種類較多，主要有串聯(lián)二級(jí)式，輸出濾波器換相式，負(fù)載換相式和GTO-PWM式等。

2.2 LCI電流源型變頻器

負(fù)載換相式電流源型變頻器(LCI:Load Commutated Inverter)， 負(fù)載為同步電機(jī)，變頻器逆變功率器件采用晶閘管。輸出采用120°導(dǎo)通方式。變頻器輸出電壓由輸出電流及負(fù)載決定。LCI變頻器原理圖見圖1。

在控制上，LCI一般采取電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，輸出電壓的閉環(huán)控制由電壓環(huán)來控制。高性能時(shí)通常采用磁場(chǎng)定向矢量控制和常見的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)，通過速度和磁通閉環(huán)調(diào)節(jié)器分別得到定子電流的幅值作為電流環(huán)的給定值，控制晶閘管整流電路，實(shí)現(xiàn)定子電流的閉環(huán)控制。負(fù)載角和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的位置角疊加在一起，用于逆變器晶閘管的觸發(fā)脈沖分配。晶閘管的關(guān)斷主要靠同步電機(jī)定子交流反電勢(shì)自然完成，不需要強(qiáng)迫換相，逆變器晶閘管的換流與整流橋晶閘管的換流極其相似。變頻器的輸出頻率一般不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是依靠轉(zhuǎn)子位置監(jiān)測(cè)器得到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)按一定順序周期性觸發(fā)逆變器中相應(yīng)的晶閘管，LCI這種“自控式”功能，保證變頻器的輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，不存在失步和振蕩現(xiàn)象。同步電機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都必須提供超前的功率因數(shù)，以保障逆變器晶閘管的正常換相。電機(jī)必須有足夠的漏電感，以限制晶閘管的di/dt， 電機(jī)也要能夠承受變頻器輸出的濾波電流，除了需要特殊的同步電機(jī)之外，LCI應(yīng)用是較為成功的。尤其是在一些超大容量的傳動(dòng)系統(tǒng)中，因?yàn)長(zhǎng)CI無需強(qiáng)迫換流電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在大容量時(shí)，相對(duì)異步電機(jī)也有不少優(yōu)勢(shì)。

3 軋鋼車間高壓水除鱗系統(tǒng)中的變頻改造

3.1 系統(tǒng)改造

(1)改造前。

圖2為變頻節(jié)能改造前系統(tǒng)構(gòu)成圖，除磷水系統(tǒng)包含四臺(tái)水泵，電機(jī)功率2800kW，兩臺(tái)一組，一用一備，每組水泵配一臺(tái)水電阻，可以分別啟動(dòng)每一臺(tái)水泵電機(jī)，電機(jī)啟動(dòng)后通過液力耦合器調(diào)速，液力耦合器速度分為四個(gè)檔位，根據(jù)管道壓力要求分別以四種速度工作，通過PLCPID調(diào)節(jié)控制，正常管道壓力應(yīng)維持在16～18MPa，液力耦合器輸出在最低檔位時(shí)水泵無壓力輸出，對(duì)應(yīng)液耦輸出轉(zhuǎn)速為800r/min，實(shí)際應(yīng)用只有60%的時(shí)間工作在液力耦合器最低輸出檔位，即電能被浪費(fèi)。

(2)改造后。

圖3為變頻改造后系統(tǒng)構(gòu)成圖，把每組水泵系統(tǒng)中一臺(tái)電機(jī)改為變頻控制，采用羅克韋爾 PowerFlex7000系列電流源型變頻器，電流源型變頻器dV/dT為50V/us，可以直接使用普通電動(dòng)機(jī)，電壓源型變頻器dV/dT為1000V/us，需使用變頻專用電機(jī)或加dV/dT濾波器才可接普通電機(jī)。另一臺(tái)電機(jī)仍為水電阻啟動(dòng)加液力耦合器調(diào)速的方式，作為備用。變頻器靠PLC控制，由原程序PID輸出4～20mA信號(hào)控制變頻器輸出頻率，4～20mA對(duì)應(yīng)0～50Hz，實(shí)現(xiàn)了線性輸出，減小了對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，啟動(dòng)停車時(shí)間0～120S可調(diào)。節(jié)能效果，當(dāng)管道壓力達(dá)到16～18MPa時(shí)，變頻器停止輸出，電機(jī)不轉(zhuǎn)，電力消耗為零，當(dāng)管道壓力不足時(shí)，變頻器啟動(dòng)，按照PLC PID輸出運(yùn)行，變頻調(diào)速，經(jīng)過多次實(shí)踐證明，節(jié)能在50%以上。

3.2 系統(tǒng)描述

系統(tǒng)由高壓變頻器、移相變壓器、開關(guān)柜三大部分組成。變頻器與PLC連接用多模光纖，在兩端用西門子OLM進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，變頻器可就地或遠(yuǎn)方控制。遠(yuǎn)方控制時(shí)，變頻器通過RS485協(xié)議即Profibu網(wǎng)絡(luò)傳輸PLC發(fā)出的速度指令，將速度、電流等操作員關(guān)心的變量信號(hào)送往中控室。同時(shí)必須保留硬線急停信號(hào):即操作臺(tái)急停拍下時(shí)既給PLC發(fā)出指令也通過變頻器提供的DI給變頻器送去急停，雙保險(xiǎn)停車。變頻器可提供16個(gè)DI和16個(gè)DO接口，DI變頻器用于接受現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)方的控制設(shè)備的操作指令，DO將變頻器狀態(tài)及故障報(bào)警信號(hào)送到現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)方監(jiān)控裝置。DI和DO還用于與配套設(shè)備之間的互鎖控制。

3.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)可靠性高。

利用6500V的高壓功率器件直接架構(gòu) 6kV的變頻器:18只SCR組成6kV的整流器，18只SGCT組成6kV的逆變器，變頻器輸出應(yīng)直接為6kV，無需外置/內(nèi)置升壓變壓器或馬達(dá)濾波器等類似變壓環(huán)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，潛在故障點(diǎn)最少化。

電流源逆變技術(shù)可保證器件的安全串接，每個(gè)橋臂三只6500V的SGCT，使得逆變單橋臂耐壓等級(jí)高達(dá)工作電壓的3倍以上。每只SGCT電流導(dǎo)通能力為800～1500A，變頻耐壓/電流裕量最大化。

電流源逆變器固有強(qiáng)壯的電流保護(hù)特性，無需熔斷保護(hù)電路，不但降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度，而且免除了輸出側(cè)短路造成器件損害的可能。

(2)輸入輸出波形好。

18脈沖整流器可對(duì)17次以下的高次諧波進(jìn)行有效的抑制，總體諧波畸變THD小于5%，不需諧波分析及加低通濾波環(huán)節(jié)，直接滿足IEEE519-1992諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，用戶不必?fù)?dān)心因使用變頻造成對(duì)電網(wǎng)環(huán)境和穩(wěn)定性的破壞。

變頻器直接輸出6kV，原電機(jī)不需要作任何改動(dòng)。完美的輸入波形，對(duì)電網(wǎng)無干擾完美的輸入波形，對(duì)電網(wǎng)環(huán)境無污染

(3)能量回饋，快速制動(dòng)。

AB電流型高壓變頻器固有能量回饋能力，可將降速工況(發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài))下負(fù)載反饋回的能量回送電網(wǎng)，利用再生制動(dòng)快速降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。電流型變頻器具有電流內(nèi)環(huán)，可利用強(qiáng)大的電流控制能力快速增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，特別適用需頻繁快速調(diào)節(jié)的大慣性負(fù)載(風(fēng)機(jī))的控制。

(4)大屏液晶顯示，使用簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。

使用大屏幕顯示的操作員終端，中文界面。變頻器的狀態(tài)、輸入輸出變量、自診斷結(jié)果、故障報(bào)警均可顯示在屏幕上，信息量大。通過終端上的鍵盤，可輕松對(duì)變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及工作方式的組態(tài)，使用簡(jiǎn)單。

濾網(wǎng)的清洗更換可不停電進(jìn)行。沒有需要定期更換的器件(如電壓型變頻器中大量使用的3～4年壽命電解電容器)。

4 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用趨勢(shì)

高壓水除鱗電機(jī)大多普通電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，隨著國(guó)家節(jié)能降耗的不斷進(jìn)行，逐漸趨于采用變頻電機(jī)。主要原因有:當(dāng)管道壓力滿足時(shí)，變頻器停止輸出，電機(jī)不轉(zhuǎn)，電力消耗為零，當(dāng)管道壓力不足時(shí)，變頻器啟動(dòng)，按照PLC PID輸出運(yùn)行，變頻調(diào)速，節(jié)能明顯，并且投資省，占地小，基建快，符合環(huán)境保護(hù)的要求，變頻電機(jī)有較明顯的優(yōu)勢(shì)和趨勢(shì)。

5 結(jié)語

高壓同步電動(dòng)機(jī)及其變頻調(diào)速系統(tǒng)在唐鋼中厚板材有限公司軋鋼部?jī)删€車間高壓水除鱗系統(tǒng)中的成功投入，取代了傳統(tǒng)的電機(jī)動(dòng)力方式，節(jié)約了能源，改善了環(huán)境，展示了高壓變頻調(diào)速技術(shù)在高壓水除鱗系統(tǒng)中的良好應(yīng)用，提高了公司動(dòng)力裝備自動(dòng)化水平，推進(jìn)了節(jié)能環(huán)保改造進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1]竺偉，陳伯時(shí).高壓變頻調(diào)速技術(shù)[J].電工技術(shù)雜志，1999(3).

[2]陳伯時(shí)，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.