高壓變頻器在濟鋼大功率風機、泵中的應用研究

　　眾所周知，高壓電動機的應用極為廣泛，它是工礦企業(yè)中的主要動力。在冶金、鋼鐵、石油、化工、水處理等各行業(yè)的大、中型廠礦中，廣泛用于拖動風機、泵類、壓縮機及各種其他大型機械。其消耗的能源占電機總能耗的70%以上，而且絕大部分都有調(diào)速的要求，但目前的調(diào)速和起動方法仍很落后，浪費了大量的能源且造成機械壽命的降低。隨著電氣傳動技術(shù)，尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動的高壓變頻調(diào)速技術(shù)也得到了廣泛的應用。順便指出，目前習慣稱作的高壓變頻器，實際上電壓一般為2.3-10kV，國內(nèi)主要為3kV，6kV和10kV，和電網(wǎng)電壓相比，只能算作中壓，故國外常成為MediumVoltageDrive。  

　　濟鋼高壓風機水泵調(diào)速系統(tǒng) 

　　我國高壓電動機多為6kV和10kV，在濟鋼老廠區(qū)進線電源為6kV，高壓電機調(diào)速大多為直接啟動和液力偶合器調(diào)速；新建廠區(qū)進線電源電壓為10kV，在高壓風機調(diào)速系統(tǒng)中，采用液力耦合器調(diào)速方式。直接起動或降壓起動非但起動電流大，造成電網(wǎng)電壓降低，影響其它電氣設(shè)備的正常工作;而且主軸的機械沖擊大，易造成疲勞斷裂，影響機械壽命。當電網(wǎng)容量不夠大時，甚至有可能起動失敗。液力耦合器在電機軸和負載軸之間加入葉輪，調(diào)節(jié)葉輪之間液體（一般為油）的壓力，達到調(diào)節(jié)負載轉(zhuǎn)速的目的。這種調(diào)速方法實質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法，節(jié)能效果并不是很好，而且隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來越低、需要斷開電機與負載進行安裝、維護工作量大，過一段時間就需要對軸封、軸承等部件進行更換，現(xiàn)場一般較臟，顯得設(shè)備檔次低，屬淘汰技術(shù)。  

　　一般說來，使用高壓（中壓）變頻調(diào)速系統(tǒng)對于風機、水泵類負載有兩個重要特點：第一，由于消除了閥門（或擋板）的能量損失并使風機、水泵的工作點接近其峰值效率線，其總的效率比液力耦合器提高25%～50%；第二，高壓（中壓）變頻調(diào)速起動性能好，使用高壓變頻器，就可實現(xiàn)“軟”起動。變頻裝置的特性保證了起動和加速時具有足夠轉(zhuǎn)矩，且消除了起動對電機的沖擊，保證電網(wǎng)穩(wěn)定，提高了電機和機械的使用壽命。  

　　現(xiàn)以濟鋼三煉鋼為例，來分析高壓（中壓）變頻器在實際生產(chǎn)中的節(jié)能效果。在濟鋼三煉鋼廠共使用了10臺高壓除塵電機，裝機容量合計23.1MW，占三煉鋼總裝機容量的40%。而從現(xiàn)場實際監(jiān)測到的工作電流其比重更高，電流值見表1，風機類負載要占總?cè)萘康?0%。而高壓變頻器比液力耦合器效率可以提高25%～50%，按每月風機節(jié)能20%計算，每月總電量可以降低8%，三煉鋼每月電費1000萬元，這樣每年可以降低成本近80多萬元，從上述粗略計算來看，高壓（中壓）變頻調(diào)速在濟鋼高壓風機、水泵的應用，前景廣泛，節(jié)能效果巨大。 

　　高壓變頻器應用現(xiàn)狀 

　　雖然由于電壓高、功率大、技術(shù)復雜等因素，高壓變頻器的產(chǎn)業(yè)化在80年代中期才開始形成，但隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展和巨大市場的推動力，高壓變頻器近十多年的發(fā)展非常迅速，使用器件已經(jīng)從SCR、GTO、GTR發(fā)展到IGBT、IGCT、IGET和SGCT，功率范圍從幾百千瓦到幾十兆瓦。技術(shù)上已經(jīng)成熟，可靠性得到保障，使用面越來越廣。高壓變頻器可與標準的中、大功率交流異步電動機或同步電動機配套，組成交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，用來驅(qū)動風機、水泵、壓縮機和各種機械傳動裝置，達到節(jié)能、高效、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。 

　　近年來，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，高壓變頻器到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)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，可以分為交—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，可分電壓源型和電流源型。下面將對目前使用較為廣泛的幾種高壓變頻器進行分析，指出各自的優(yōu)缺點。 

　　1．高—低—高型變頻器 

　　變頻器為低壓變頻器，采用輸入降壓變壓器和輸出升壓變壓器實現(xiàn)與高壓電網(wǎng)和電機的接口，這是當時高壓變頻技術(shù)未成熟時的一種過渡技術(shù)。由于低壓變頻器電壓低，電流卻不可能無限制的上升，限制了這種變頻器的容量。由于輸出變壓器的存在，使系統(tǒng)的效率降低，占地面積增大；另外，輸出變壓器在低頻時磁耦合能力減弱，使變頻器在啟動時帶載能力減弱。對電網(wǎng)的諧波大，如果采用12脈沖整流可以減少諧波，但是滿足不了對諧波的嚴格要求；輸出變壓器在升壓的同時，對變頻器產(chǎn)生dv/dt也同等放大，必須加裝濾波器才能適用于普通電機，否則會產(chǎn)生電暈放電、絕緣損壞的情況。西門子公司早期生產(chǎn)這種結(jié)構(gòu)的變頻器，目前已停止生產(chǎn)，僅提供備件。  

　　2．電流源型高壓變頻器 

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