高壓變頻器特性及其應(yīng)用

丘東梅 何旭智 韋高敏

（廣西鋼鐵集團(tuán)有限公司轉(zhuǎn)爐煉鋼廠）

0 引言

隨著我國高新科技應(yīng)用水平的不斷成熟，高壓變頻器技術(shù)理論體系不斷完善，實踐應(yīng)用水平逐步提高，高壓變頻器在冶金、電力等諸多行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用。一般而言，高壓變頻器在冶金、電力等諸多行業(yè)上的巨大應(yīng)用潛力和節(jié)能價值以及其優(yōu)良的調(diào)速性能等，使高壓變頻器具備了較為廣闊的未來市場發(fā)展空間和發(fā)展前景，也為電力、冶金等諸多行業(yè)提供了源源不竭的發(fā)展動力。目前，高壓變頻技術(shù)已成為電力電能領(lǐng)域以及冶金冶煉行業(yè)的重要關(guān)注內(nèi)容，為大功率傳動裝備的應(yīng)用和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的達(dá)成提供了重要支撐，因此，對高壓變頻器特性及應(yīng)用的探討與研究具備重要理論意義和現(xiàn)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(qū)分。傳統(tǒng)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(yùn)行時諧波較大，對電動機(jī)以及區(qū)域電網(wǎng)甚至機(jī)械設(shè)備等都有著較大不良影響。隨著近現(xiàn)代電力電子理論技術(shù)和實踐經(jīng)驗的不斷成熟，計算機(jī)傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)等迅速發(fā)展，新型器件逐步改變了傳統(tǒng)模式下晶閘管逆變器件性能較差這一劣勢，IGBT、IGCT等全新構(gòu)件構(gòu)成的高壓變頻器諧波較小，性能優(yōu)良，功率系數(shù)有著較大幅度的提升，圖1為高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 高壓變頻器的特性

高壓變頻器主要有節(jié)能效果顯著、延長設(shè)備使用壽命、不斷提高企業(yè)自動化運(yùn)轉(zhuǎn)水平、減少高壓變頻器對電網(wǎng)的啟動沖擊以及減少電源的功率儲備等諸多優(yōu)勢。就延長設(shè)備使用壽命問題而言，借助高壓變頻器啟動設(shè)備，在設(shè)備實際啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，對電動機(jī)的沖擊值較小，能夠降低電動機(jī)的絕緣損害。且電動機(jī)在具體啟動過程中，運(yùn)行壓力值與風(fēng)量值處于更平穩(wěn)狀態(tài)，降低對電動機(jī)低負(fù)荷狀態(tài)時的磨損，延長設(shè)備的具體使用時間，降低企業(yè)設(shè)備的基本維護(hù)成本。

3 高壓變頻器的控制策略

3.1 基于電動機(jī)穩(wěn)態(tài)模型

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制是根據(jù)異步電動機(jī)的基本穩(wěn)態(tài)等效電路及其轉(zhuǎn)矩公式，在保證電動機(jī)磁通量恒定的基礎(chǔ)上穩(wěn)步進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制往往是用于電機(jī)速度變化較為緩慢的生產(chǎn)過程，長期保證電動機(jī)在其轉(zhuǎn)速變化過程中能快速響應(yīng)，但電動機(jī)整體對轉(zhuǎn)速控制性能較差，并不能用于精確度較高的工業(yè)生產(chǎn)過程。

3.2 基于電動機(jī)動態(tài)模型

（1）矢量控制

基于電動機(jī)動態(tài)模型的高壓變頻器矢量控制策略，主要是借助電動機(jī)動態(tài)模型的坐標(biāo)變換為基礎(chǔ)理論依據(jù)，根據(jù)坐標(biāo)變換實現(xiàn)電動機(jī)電流勵磁分量以及轉(zhuǎn)矩分量的變化，使交流電機(jī)能夠在實踐應(yīng)用過程中像直流電機(jī)一樣單獨(dú)控制其勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量運(yùn)行過程，從而保證交流電動機(jī)在變頻器閉環(huán)控制系統(tǒng)中得到媲美于直流電動機(jī)的良好性能狀態(tài)。但在電動機(jī)的動態(tài)模型速度控制過程中，相關(guān)工作人員必須事先確定電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的具體位置，也就是必須對電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的磁鏈幅度值及其轉(zhuǎn)動值進(jìn)行精確控制，保證電動機(jī)實際運(yùn)轉(zhuǎn)處于良好工作狀態(tài)。然而，電動機(jī)的磁鏈一般并不直接檢測，往往是在矢量控制系統(tǒng)中利用電動機(jī)參數(shù)信息計算出電動機(jī)磁鏈位置，具體傾角和具體數(shù)據(jù)，但該類方法大多與電機(jī)運(yùn)行參數(shù)有關(guān)，電機(jī)運(yùn)行過程中的參數(shù)又會進(jìn)一步隨著環(huán)境、溫度以及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件變化在一定范圍內(nèi)浮動。

（2）直接轉(zhuǎn)矩控制

基于電動機(jī)動態(tài)模型的直接轉(zhuǎn)矩控制主要包括控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈。通常情況下，直接轉(zhuǎn)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(tǒng)一樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈作為被控制對象，因此，直接轉(zhuǎn)矩高壓變頻器速度控制系統(tǒng)能夠在定子坐標(biāo)體系上進(jìn)一步計算交流電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)矩分量，從而控制交流電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)矩分量值大小，也能夠通過實時檢測電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中磁通幅度值大小以及轉(zhuǎn)矩值大小，確保磁通幅度值大小和轉(zhuǎn)矩值大小在給定范圍內(nèi)合理變化。同時，電動機(jī)高壓變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的電磁通幅值與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)值大小能夠直接輸出，形成電機(jī)無邊際的空間矢量值，實現(xiàn)對電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中子鏈及轉(zhuǎn)矩分量的閉環(huán)控制。

（3）無速度傳感器控制

基于電動機(jī)動態(tài)模型的無速度傳感器控制技術(shù)主要是在上述矢量控制方案上，利用電動機(jī)的定子邊較容易測得相關(guān)電壓、電流值數(shù)據(jù)信息，推算出電機(jī)的整體轉(zhuǎn)速和磁通量，以此實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的科學(xué)控制。通常情況下，利用無速度傳感器控制高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)，并不需要對其硬件設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步檢測，也就直接避免了該控制系統(tǒng)硬件設(shè)備檢測所帶來的諸多問題，直接提高了控制系統(tǒng)的可靠性、科學(xué)性與精確度，也在一定程度上降低了該控制系統(tǒng)的實際成本。

4 高壓變頻器的實際應(yīng)用

以轉(zhuǎn)爐一次除塵3＃風(fēng)機(jī)高壓變頻改造為例。

4.1 改造方案與技術(shù)

在對轉(zhuǎn)爐一次除塵4＃風(fēng)機(jī)高壓變頻改造時，主要是將原有電力系統(tǒng)中的風(fēng)壓控制由傳統(tǒng)模式下的液力耦合器調(diào)節(jié)改變?yōu)楝F(xiàn)階段的高壓變頻器調(diào)節(jié)，也就是將原本狀態(tài)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(jī)本身進(jìn)行速度調(diào)控，最終達(dá)到電動機(jī)風(fēng)機(jī)入口風(fēng)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(cè)高壓開關(guān)系統(tǒng)和電機(jī)過程中，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，變頻器將借助原有模式下的操作控制系統(tǒng)完成基本操作。最后，在對高壓變頻器進(jìn)行改造應(yīng)用時，必須保證高壓變頻器的實際輸出功率符合電動機(jī)的速度適應(yīng)要求。根據(jù)電動機(jī)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(dá)到高速狀態(tài)后，確保穩(wěn)定時間段內(nèi)速度的在線可調(diào)整和可控制，完成工業(yè)生產(chǎn)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(tǒng)進(jìn)行高壓變頻器改造后，高壓變頻器能夠根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)要求對其進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，達(dá)到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中速度的快速變化功能，也達(dá)到了節(jié)能降耗的基本目的。根據(jù)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(tǒng)每噸鋼消耗電量大致為5.32kWh／t，但在進(jìn)行變頻器改造完成后，控制系統(tǒng)每噸鋼消耗電量大致為4.51kWh／t，全年產(chǎn)量342萬t，工業(yè)用電0.6元／kWh，全年可節(jié)省經(jīng)濟(jì)效益166萬元。

5 結(jié)束語

變頻器使用過程中必須結(jié)合高壓變頻器基本性質(zhì)，在探究高壓變頻器重要控制策略的基礎(chǔ)上，根據(jù)企業(yè)實際工業(yè)生產(chǎn)情況，針對性地對高壓變頻器的改造方案、改造技術(shù)等進(jìn)行優(yōu)化改良，對比分析高壓變頻器改造效益，為企業(yè)良好經(jīng)濟(jì)價值的取得奠定更堅實的基礎(chǔ)。