高壓變頻器在高爐冷卻水泵組上的應用

孫慶峰

摘 要：文章介紹高壓變頻技術在高爐冷卻水系統上的節能應用及控制技術。

關鍵詞：高壓變頻器；自動控制；應用

1 高壓變頻器的原理和控制技術分析

1.1 多重化單元串聯式技術在高壓變頻控制中的應用

高壓變頻控制實現的主電路方面，得到普遍關注并取得了較好實現效果的是多重化單元串聯式技術的應用。就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，以高速微處理機和光導纖維實現控制和通信。該技術從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器產生的諧波問題，可實現完美無諧波變頻。它由多個低壓功率單元串聯而成，通過低壓功率單元的輸出疊加起來得到高壓。

所有的功率單元都接收來自同一個中央控制器的指令，這些指令通過光纖電纜傳輸以保證絕緣等級達到6kv以上。為功率單元提供電源的變壓器次級繞組在繞制時相互之間有一定的相位差，這樣消除了大部分由獨力功率單元引起的諧波電流，所以初次電流近似為正弦波，因而功率因數較高，滿載時可達到95%，對電網諧波污染小，輸入電流諧波畸變小于4%，電網輸入電壓波形畸變小于2%，無需諧波濾波器和功率補償裝置。

由于單元串聯式多電平變頻器的輸入、輸出波形好，對電網的諧波污染小，輸出適用普通電動機，近幾年發展迅速，逐漸成為高壓變頻調速的主流方案。同時，功率單元旁路方案大大提高了單元串聯式多電平變頻器的可靠性，從很大程度上彌補了元器件個數多且導致可靠性降低的問題。單元串聯結構決定了這類變頻器很容易實現模塊化設計，適合大批量生產，形成產業化規模。

1.2 單元串聯多重化變頻器的優點是

1.2.1 由于采用功率單元串聯，可采用技術成熟，價格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯單元的個數適應不同的輸出電壓要求。

1.2.2 完美的輸入輸出波形，使其能適應任何場合及電機使用。

1.2.3 由于多功率單元具有相同的結構及參數，便于將功率單元做成模塊化，實現冗余設計，即使在個別單元故障時也可通過單元旁路功能將該單元短路，系統仍能正常或降額運行。

2 高壓變頻器在高爐冷卻水泵組上的應用

2.1 現場工藝及設備概況

某煉鐵環水泵站3號泵組共計兩臺泵，一備一用，采用母管制供水。冷卻泵從吸水池取水，將一定的壓力和流量的冷卻水供給高爐冷卻壁和熱風爐熱風閥冷卻用，以達到滿足高爐冷卻水生產要求的目的。

2.1.1 設備參數

系統采用了廣州智光電機有限公司生產的ZINVERT-A6H1250/06Y型高壓變頻器。

2.1.2 高壓變頻器的主回路設計原理

通過變頻調速調節水泵出力以滿足工況需要。采用一拖二自動旁路方案。變頻器安裝于室內，采用風冷管路散熱。

系統基本原理：如圖是在一備一用兩臺泵雙路電源情況下，一拖二自動旁路的典型方案，它是由四個高壓隔離開關QS1～QS4和六個真空接觸器組成。其中QS1和QS2，QS3和QS4，KM1～KM6做電氣聯鎖。如果M1工作在變頻狀態，M2可以在工頻狀態備用；相反如果M2工作在變頻狀態，則M1可以在工頻狀態備用；如果檢修變頻器，兩臺水泵都可以工頻運行。正常情況下，允許任一電機工作在變頻狀態。

變頻運行中出現故障情況時：

（1）如果變頻設備運行中出現故障，設備通過真空接觸器自動從變頻運行狀態切換到工頻運行狀態（即自動旁路），實現電機工頻運行。同時給控制室發出聲光報警信號，以提示值班人員手動調節泵出口閥門開度，保證母管供水壓力的穩定。系統從變頻運行狀態自動切換到工頻狀態的切換時間小于2秒，切換時能保證水泵不用停機、供水不間斷。切換時不允許QF1（QF2）開關動作。

（2）功率單元是變頻器核心部件，為此設計時對功率單元配置單元旁路功能，如果變頻器模塊內部出現故障時，變頻器可將故障單元旁路掉繼續運行，不能造成突然停機的情況發生。變頻器采用5+1備份，旁路掉一個單元不會影響變頻器的輸出功率。

（3）如果儀表出現測量誤差：為保證系統的穩定性，變頻運行時可以在變頻器監控界面中設定變頻器最低運行頻率值，這樣就可以防止閉環控制系統因檢測、傳輸過程中出現的可能信號失真造成水泵無法滿足高爐供水的情況發生。

（4）控制電源出現故障：為變頻器提供的交流控制電源掉電時，變頻器可以通過內部配置UPS供電使控制系統繼續運行達30分鐘。

2.2 系統控制方案

由安裝于母管上的兩個壓力變送器提供4～20mA輸入控制量，變頻器通過內部運算實現系統閉環運行。本地控制：利用系統控制器上的鍵盤、控制柜上的按鈕、電位器旋鈕等就地控制。遠方控制：系統提供數字和模擬輸入接口，由上位機實現監測和控制。

2.3 節電效果

針對煉鐵高爐冷卻泵各工況所需水流量的不同，用變頻器調節電機轉速來調節供水母管壓力使之恒定，達到閉環控制目的，實現降低電機運行頻率節能目的。改造前后，運行參數水壓、流量相同的條件下每天節電2000KWH，水泵電機電流由95降至75A，年節約電量72萬，節電率達13%左右。

間接效益評價：

（1）高壓變頻器在工頻以下連續改變電源頻率實現電機軟啟動，啟動比較平滑，減小啟動電流對電機、軸承、風機的沖擊，延長設備壽命。

（2）由于高壓變頻器能根據冶煉工藝各個階段控制風機引風量，減小電爐熱量損失，間接節約能源。

（3）電機振動因轉速降低而減小，降低風機運行噪聲，改善設備運行環境。

（4）高壓變頻器為高-高電壓源型單元串聯多電平結構，功率因數可高達0.95，降低了電網側的諧波污染。

3 結束語

結合鋼鐵行業生產工藝流程可看出，在各個生產流程中，高壓電機應用變頻改造同樣能起到節能減排的顯著效果。諸如焦化、燒結、煉鐵高爐、煉鋼電爐、精煉爐中的除塵風機、通風機、煤氣鼓風機、供水泵等。同時也減少了對環境的污染，給生產經營帶來了巨大綜合效益。