高壓變頻器特性及其應用

丘東梅 何旭智 韋高敏

（廣西鋼鐵集團有限公司轉爐煉鋼廠）

0 引言

隨著我國高新科技應用水平的不斷成熟，高壓變頻器技術理論體系不斷完善，實踐應用水平逐步提高，高壓變頻器在冶金、電力等諸多行業得到了較為廣泛的應用。一般而言，高壓變頻器在冶金、電力等諸多行業上的巨大應用潛力和節能價值以及其優良的調速性能等，使高壓變頻器具備了較為廣闊的未來市場發展空間和發展前景，也為電力、冶金等諸多行業提供了源源不竭的發展動力。目前，高壓變頻技術已成為電力電能領域以及冶金冶煉行業的重要關注內容，為大功率傳動裝備的應用和企業經濟效益的達成提供了重要支撐，因此，對高壓變頻器特性及應用的探討與研究具備重要理論意義和現實價值。

1 高壓變頻器概述

高壓變頻器主要是指實際輸入電源電壓超于3000V以上的大功率變頻器。通常情況下，高壓變頻器主要有高低高、低高和高高等三大類型區分。傳統模式下的高壓變頻器主要采用空硅整流的方式，晶閘管逆變器等基本元件為組成部分，其整體運行時諧波較大，對電動機以及區域電網甚至機械設備等都有著較大不良影響。隨著近現代電力電子理論技術和實踐經驗的不斷成熟，計算機傳感器技術、控制技術、通信技術等迅速發展，新型器件逐步改變了傳統模式下晶閘管逆變器件性能較差這一劣勢，IGBT、IGCT等全新構件構成的高壓變頻器諧波較小，性能優良，功率系數有著較大幅度的提升，圖1為高壓變頻器調速系統結構示意圖。

圖1 高壓變頻器調速系統結構示意圖

2 高壓變頻器的特性

高壓變頻器主要有節能效果顯著、延長設備使用壽命、不斷提高企業自動化運轉水平、減少高壓變頻器對電網的啟動沖擊以及減少電源的功率儲備等諸多優勢。就延長設備使用壽命問題而言，借助高壓變頻器啟動設備，在設備實際啟動和運轉過程中，對電動機的沖擊值較小，能夠降低電動機的絕緣損害。且電動機在具體啟動過程中，運行壓力值與風量值處于更平穩狀態，降低對電動機低負荷狀態時的磨損，延長設備的具體使用時間，降低企業設備的基本維護成本。

3 高壓變頻器的控制策略

3.1 基于電動機穩態模型

轉速閉環轉差頻率控制是根據異步電動機的基本穩態等效電路及其轉矩公式，在保證電動機磁通量恒定的基礎上穩步進行工業生產，轉速閉環轉差頻率控制往往是用于電機速度變化較為緩慢的生產過程，長期保證電動機在其轉速變化過程中能快速響應，但電動機整體對轉速控制性能較差，并不能用于精確度較高的工業生產過程。

3.2 基于電動機動態模型

（1）矢量控制

基于電動機動態模型的高壓變頻器矢量控制策略，主要是借助電動機動態模型的坐標變換為基礎理論依據，根據坐標變換實現電動機電流勵磁分量以及轉矩分量的變化，使交流電機能夠在實踐應用過程中像直流電機一樣單獨控制其勵磁分量和轉矩分量運行過程，從而保證交流電動機在變頻器閉環控制系統中得到媲美于直流電動機的良好性能狀態。但在電動機的動態模型速度控制過程中，相關工作人員必須事先確定電動機轉子磁鏈的具體位置，也就是必須對電動機運轉過程中的磁鏈幅度值及其轉動值進行精確控制，保證電動機實際運轉處于良好工作狀態。然而，電動機的磁鏈一般并不直接檢測，往往是在矢量控制系統中利用電動機參數信息計算出電動機磁鏈位置，具體傾角和具體數據，但該類方法大多與電機運行參數有關，電機運行過程中的參數又會進一步隨著環境、溫度以及電機運轉條件變化在一定范圍內浮動。

（2）直接轉矩控制

基于電動機動態模型的直接轉矩控制主要包括控制異步電動機的轉矩和磁鏈。通常情況下，直接轉矩控制模式往往選擇定子磁鏈作為基本被控制對象，并不像矢量控制系統一樣選擇轉子磁鏈作為被控制對象，因此，直接轉矩高壓變頻器速度控制系統能夠在定子坐標體系上進一步計算交流電動機的實際轉矩分量，從而控制交流電動機的實際轉矩分量值大小，也能夠通過實時檢測電動機運轉過程中磁通幅度值大小以及轉矩值大小，確保磁通幅度值大小和轉矩值大小在給定范圍內合理變化。同時，電動機高壓變頻器運轉過程中的電磁通幅值與轉矩調節值大小能夠直接輸出，形成電機無邊際的空間矢量值，實現對電動機運轉過程中子鏈及轉矩分量的閉環控制。

（3）無速度傳感器控制

基于電動機動態模型的無速度傳感器控制技術主要是在上述矢量控制方案上，利用電動機的定子邊較容易測得相關電壓、電流值數據信息，推算出電機的整體轉速和磁通量，以此實現對電機轉速的科學控制。通常情況下，利用無速度傳感器控制高壓變頻器調速系統，并不需要對其硬件設備進行進一步檢測，也就直接避免了該控制系統硬件設備檢測所帶來的諸多問題，直接提高了控制系統的可靠性、科學性與精確度，也在一定程度上降低了該控制系統的實際成本。

4 高壓變頻器的實際應用

以轉爐一次除塵3＃風機高壓變頻改造為例。

4.1 改造方案與技術

在對轉爐一次除塵4＃風機高壓變頻改造時，主要是將原有電力系統中的風壓控制由傳統模式下的液力耦合器調節改變為現階段的高壓變頻器調節，也就是將原本狀態下的液力耦合器用高壓變頻器取代，從而利用高壓變頻器對電動機本身進行速度調控，最終達到電動機風機入口風量以及壓力值的適宜。其次，在將高壓變頻器接入原有的用戶側高壓開關系統和電機過程中，其結構如圖2所示，變頻器將借助原有模式下的操作控制系統完成基本操作。最后，在對高壓變頻器進行改造應用時，必須保證高壓變頻器的實際輸出功率符合電動機的速度適應要求。根據電動機的速度曲線，在提供升速信號時，保證高壓變頻器從低速向高速快速變化，而在變頻器達到高速狀態后，確保穩定時間段內速度的在線可調整和可控制，完成工業生產過程中速度的周期性變化要求。

圖2 變頻器接入示意圖

4.2 改造后效益評價

在對整個控制系統進行高壓變頻器改造后，高壓變頻器能夠根據工業生產要求對其進行速度調節，達到電機運轉過程中速度的快速變化功能，也達到了節能降耗的基本目的。根據高壓變頻器改造前后電能的實際消耗量對比可知，在改造前，整個控制系統每噸鋼消耗電量大致為5.32kWh／t，但在進行變頻器改造完成后，控制系統每噸鋼消耗電量大致為4.51kWh／t，全年產量342萬t，工業用電0.6元／kWh，全年可節省經濟效益166萬元。

5 結束語

變頻器使用過程中必須結合高壓變頻器基本性質，在探究高壓變頻器重要控制策略的基礎上，根據企業實際工業生產情況，針對性地對高壓變頻器的改造方案、改造技術等進行優化改良，對比分析高壓變頻器改造效益，為企業良好經濟價值的取得奠定更堅實的基礎。