高壓變頻器在冶金行業的應用研究

杜芳

山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南，250101

0 引言

近年來，我國經濟的迅猛發展使工業企業的數量顯著增加，進一步加大了對各類能源的消耗力度，造成了我國能源緊張的局面，因此需要提高能源的利用率。有關專家估計，當前我國有65%以上的發電量損耗在電動機中，其中高壓電動機占到了電動機總裝機容量的50%。而在當前我國的冶金行業中，高壓電動機搭載的是泵類以及相應的壓縮機，絕大多數的設備適合調速，這就造成了大量能源的浪費。由此可以看出，將高壓變頻調速技術應用在冶金行業中，可以顯著減少對能源的消耗力度，同時還能保證冶金行業中供電設備的質量，最大化地滿足相應的生產需求，減少對成本的浪費。

與此同時，通過將高壓變頻器應用在冶金的生產過程中，可以實現對各類設備的管理和控制，減少金屬的損耗。但是在實際安裝高壓變頻器時，經常會出現一些嚴重影響生產效率的問題。本文對當前高壓變頻器的應用進行了分析，為今后高壓變頻器的使用與設計提供了有力的依據。

1 高壓變頻器設計基礎

高壓變頻器是通過對輸出頻率和輸出電壓的改變來控制交流高壓電動機轉速的調速控制裝置，它是由主回路、電源回路、智能功率模塊驅動、保護電路和冷卻電機等幾部分組成。在實際的應用中，可以將其分為兩種，一種是雙極型，另一種為單極型。雙極型的主要特點在于，它具有兩個諧振頻率的諧振，并且在工作時，兩諧振之間會產生一個較大的磁場來相互抵消，從而使兩諧波的振幅相等。而單極型的特征則比較明顯，其最大的優點就是能夠實現無級調速，同時也不會對電網造成過大的影響。

1.1 高壓變頻器的基本原理

高壓變頻調速器的工作原理是通過控制開關的通斷，使電動機的轉速能夠隨著輸入的電壓變化而改變，從而達到調節電機的目的；同時，還可以利用電力電子技術的發展來實現對電能的有效輸出。在實際的生產中，高壓變頻調速系統的主要作用是將電網的頻率進行變換，進而得到不同的電信號，然后再經過一系列的環節后，就會形成一個電流脈沖，這個脈沖就是所需要的電信號。在這種情況下，為了獲得比較穩定的直流電源，就必須使用高壓的交流調速裝置。在高壓直流斬波的過程中，由于交流電源的功率比較大，所以其對電源的要求也相對較高，因此其一般都采用三相供電的方式來完成。當給負載接通的時候，因為有兩個電氣設備，其中一條是作為整流的電路，另外兩條則當作逆變電路，這樣一來，就會使得一相直流逆變為三相交流，也就解決了高頻的問題[1]。

1.2 諧波平衡法

諧波平衡法的原理是在高壓變頻器中使用了一個諧振來調節電壓的頻率和相位，從而實現了對電能的有效利用。在實際的應用過程中，由于高壓變頻調速器的工作狀態會受到非線性的影響而產生一定的波動性，因此為了能夠使這種特性得到更好的改善，需要采用一種方法來進行解決。目前，對于冶金行業中諧波平衡法的研究主要集中在對變壓器的設計、制造以及運行等方面。但是因為高壓調壓調速的參數比較復雜，所以也會出現一些問題。比如說，當負載變化時，有可能導致電網的損耗增大，這就使得供電設備的效率降低，并且還會造成能源的浪費；其次，當電流的大小發生改變時，也會使電路的穩定性下降，這將會增加故障的發生率；最后，如果功率的值發生變化，就有可能引起共振，這樣不僅會破壞電氣的安全性能，而且還將損耗電器的壽命甚至是毀壞電器。

1.3 變壓器模型

變壓器模型主要包括了繞組匝數和繞線數，其中變壓器的繞組匝數為45/鐵芯截面積×220，而變壓器的繞線數與繞組匝數成正比。其特點是，在工作的過程中會產生大量的熱損耗，并且還會出現發熱的現象；同時，由于鐵芯的絕緣層比較薄，所以在使用的時候會受到溫度的影響；另外，鐵芯的絕緣層也存在著一定的熱阻，使得鐵心絕緣層的散熱能力非常差，這樣就導致了其內部的熱量無法得到有效的釋放；除此之外，當線圈的外邊接地時，也會造成電流的泄漏等[2]。

2 高壓變頻器在冶金行業中的應用分析

2.1 高壓變頻器在冶金行業中的應用現狀

高壓電機是目前電氣行業的一個主要產品，它可以將電能轉化為機械能，從而實現對能量的轉換與儲存，并且能夠有效地提高系統的穩定性和可靠性。但是從目前的情況來看，在冶金企業中，高壓變頻器的使用也非常廣泛，其主要是用于冶金生產的過程中。比如，在煉鐵或者是煉鋼的工作當中，高壓變頻器用來對冶金設備進行控制和保護，可以有效防止金屬的損耗以及腐蝕，從而保證整個系統的安全運行。

從圖1中可以看出，2019年我國高壓變頻器在冶金行業中的應用范圍最廣、需求量最大，隨后是在石化行業、電力行業以及采礦行業中，而在一些政府設施中也會用到高壓變頻器，從而進一步解決了高壓的問題。

圖1 2019年中國高壓變頻器行業下游市場需求結構分布情況

2.2 高壓變頻器應用中存在的問題與原因

（1）變頻器的安裝位置不合適。由于我國的高壓變頻器廠家很多，在安裝過程中，不能確保每個廠家都能很好地把握住安裝時實際的情況與需求，有可能在安裝時發生安裝方向錯誤，造成一定的安全隱患。在一些振動較大的場合，如果未采取有效的避震安裝措施，振動就會造成變頻器的機械損傷，或者由于安裝空間略小，導致散熱條件差，則日光直射變頻器時無法正常散熱，嚴重影響電子器件的使用壽命。

（2）變頻器的工作原理與結構設計不合理。因為高壓開關的作用力是通過機械的方式來實現的，但是它的功能是依靠電氣的形式來完成的，因此它的體積比較大，而且還需要對其進行合理的調整和控制，否則會使得高壓開關的使用壽命受到影響，同時也會使其穩定性降低，對電網的電壓產生不利的影響；另外，如果電路板的布局和形狀都不適合，那么就有可能會發生故障，從而使整個系統的安全性得不到保障。

（3）變壓器的選擇不當，容易引起火災。當電力的負荷較大時，為了保證供電的可靠性以及電能的質量不被破壞，通常都是選用高容量的設備來滿足要求。但這樣一來，一旦出現問題，就很難避免事故的發生。

（4）干擾源引起控制回路誤動作。當變頻器周邊的干擾源通過輻射等方式侵入變頻器內部時，有可能會引起控制回路誤動作，對變頻器造成一定的損壞。

3 高壓變頻器在冶金行業中的應用方案設計

3.1 高壓變頻器的應用要求

根據相關數據顯示，高壓變頻器的發展趨勢是向智能化、小型化、模塊化方向靠攏，這就要求研發過程中要充分考慮到實際需求，結合現有技術，開發出具有高精度和高性能的產品。在生產制造方面，要盡可能提高其工作效率，降低成本，減少能源消耗，實現節能減排；在系統設計時，應盡量采用標準件，以保證其可靠性，并能滿足不同環境下的性能要求。目前，國內大多數高壓電器的廠家都已經使用了PLC,但由于我國的低壓變頻器市場還不是很成熟，因此國產PLC的數量還很少，且價格比較昂貴，所以還是有很多企業不愿意購買，這就導致了供貨商的壓力較大，但用戶的滿意度卻不高，則也造成了供貨商的不滿意。而國外的一些公司，如奧地利的STASTO,他們已經著手于對PID控制的研究和應用，并且取得了一定的成果和進展。

3.2 高壓變頻器整體架構

從整體上看，高壓變頻器主要分為兩個部分，一個是主控室，另一個是輔助室。主控室負責對中高壓變頻器進行控制，而輔助室則對中高壓變頻泵的啟動與運行提供支持[3]。

（1）主控室在室內設置了溫度測量、壓力檢測、液位監測等設備，為工作的正常進行和安全運作奠定基礎。同時還設有監控系統，為操作人員的人身安全保駕護航。

（2）在輔助室外，還設計了液位顯示和故障報警裝置，如圖2所示，方便工作人員的及時處理。該儀器的使用可以實現無人值守，也可用于遠程操控。當出現異常情況時，可立即發出聲光警報，提醒相關維修人員。該儀表的安裝高度較高，能有效地保護電路，避免發生短路的現象；并且體積較小、便于攜帶，具有較強的安全性，同時其內部結構較為簡單、易于維護。因此該儀器的應用范圍較大，在實際的生產過程中有很多的應用價值。

圖2 高低液位聲光報警圖

液位探測器主要的工作原理是當水位處于超低和低位時，并不會產生報警信號；而當水位處于高位和超高位時，形成了閉合回路，進而產生一定的報警信號，并向工作人員傳達液位的信號，使得工作人員能夠及時準確地接收到液位信號，并立即開啟水泵，進一步關閉水泵的開關，而開啟相應的電磁閥來抽水。其中，高低液壓聲光報警裝置一般安裝在值班室的消控中心。

3.3 變頻器硬件平臺

綜合考慮各種因素，目前高壓變頻器的硬件平臺主要包括：主控電路、控制裝置、驅動系統、檢測裝置以及冷卻設備。主控電路是整個高壓變頻器的核心部分，它決定了高壓變頻器的工作頻率，同時也影響到了控制系統的性能和可靠性。在實際的生產過程中，需要對其進行實時的監控與維護，因此在設計時，要對主控芯片的選擇與配置做出詳細的說明；另外，還需對其內部CPU模塊的選型做出分析，以確保其具有較高的穩定性；此外，還應根據不同場合的要求，選用合適的軟件程序來實現。由于PLC的功能強大，所以它的硬件平臺也可以滿足一般的應用需求，但隨著技術的不斷發展，PID參數的算法越來越復雜，這就導致PLC的開發難度大大增加[4]。所以為了使PLC的應用更加方便，有必要針對性地提出一些改進措施。

3.4 抗干擾措施

對于干擾的處理是控制設備性能的重要環節，對干擾的抑制是指對系統的影響主要來自外部環境和內部因素的變化，而在干擾的預防方面，則要從源頭抓起，從源頭上減少干擾的產生和消除干擾。第一，加強現場的管理。在鑄造行業中，要想提高生產效率，就要保證產品的質量問題，因此必須嚴格把關，確保原材料的供應充足，并做好相應的防控措施。同時還要注意防止因工藝落后造成的人為失誤，如操作人員的粗心大意或因個人的粗心而導致的技術錯誤等。另外還應建立完善的規章制度，并定期檢查，以避免出現差錯。第二，選擇合適的抗干擾方法。首先，針對不同的情況應采取合理的應對方式，例如采用低噪聲的電磁屏蔽、高頻率的電源供電、使用低功率的電機等。其次，根據具體的工作條件，選用適合的抗干擾材料來降低噪聲。

4 高壓變頻器應用前景分析

當前我國逐漸加大了對單元串聯式多電平高壓變頻調速技術的研究力度，進一步縮短了我國高壓變頻技術與世界中高壓變頻技術的水平差距。而近年來隨著我國工業化的迅猛發展，加大了對高壓變頻器的使用范圍，進一步解決了高壓變頻器在實際應用中的一系列問題，并且高壓變頻器已經在大多數工廠中得到了應用。簡單來說，在冶金行業中使用高壓變頻器可以滿足實際生產過程中的各項要求，減少了對一些設備故障的維修費用，顯著地提高了冶金生產過程的工作效率，同時也提高了冶金行業的經濟效益。

5 結語

對于冶金企業來說，在進行電氣設備的使用過程中，可以利用高壓變頻器來完成對整個系統的調速和控制，從而保證電機工作的安全性和可靠性。在實際的操作中，高壓變頻器的應用效果非常明顯，能夠有效地提升冶金生產的效率以及質量，降低能源的消耗量，實現節能減排的目標。此外，高壓變頻調速技術的應用還體現在對機械運行狀態的監控上，通過實時的監測與反饋，為相關的工作人員提供準確的數據信息，進而提高了檢修的速度與準確性。