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IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器在煉鐵廠沖渣泵上的應(yīng)用
1 引言
廣東省韶關(guān)鋼鐵集團有限公司(以下簡稱韶鋼)位于韶關(guān)市南郊，占地面積8320m2。韶鋼是中國500家最大工業(yè)企業(yè)和國家512家重點企業(yè)之一，世界100家大型鋼鐵企業(yè)排行第95位，具有年產(chǎn)鋼160萬噸以上能力。煉鐵廠是韶鋼的一個主體生產(chǎn)廠，負責公司所需鐵水和鐵塊冶煉。煉鐵廠現(xiàn)有6座高爐，總爐容2405m3，年產(chǎn)生鐵230萬噸。
高爐冶煉鐵水過程中產(chǎn)生大量的熔渣，通常是用大流量的中壓水將其降溫并沖散，同時輸送到水渣池回收，作為煉鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品。高爐生產(chǎn)是不間斷的，一般情況下每天出鐵15次，在高爐出鐵前、后各放一次渣，兩次出渣時間約30min，在此時間內(nèi)要求水沖渣系統(tǒng)的水泵滿負荷工作，其余時間水泵只需保持約30%水流量防止管道堵塞即可。我廠4#-高爐使用zgb-300型沖渣泵，機組有關(guān)數(shù)據(jù)如附表
原系統(tǒng)運行時，起動前管道進出水閥門關(guān)閉，起動后閥門開度約90%，機組全速運行，電網(wǎng)電壓6300v，電機運行電流33a，功率因數(shù)81.6%，耗電功率294kw。不需沖渣水時通過調(diào)節(jié)閥門在30%來調(diào)節(jié)水流量(此時電機電流25a)，耗電功率214kw，一方面導(dǎo)致大量的節(jié)能損失，另一方面頻繁操作閥門，致使其使用壽命大大降低，增加了停產(chǎn)更換閥門的時間，為此我廠決定對4#高爐沖渣泵進行改造。
2 系統(tǒng)方案選擇
在選擇調(diào)速方案時，我們曾從節(jié)省投資出發(fā)考慮過使用調(diào)速型液力偶合器，但由于需將原機組的混凝土基礎(chǔ)全部打掉重新?lián)v制，工作量大、施工周期長，將影響正常生產(chǎn)，為此決定采用高壓變頻調(diào)速器。
附表 沖渣泵的技術(shù)參數(shù)
面對當今國內(nèi)外的眾多高壓變頻產(chǎn)品，2001年初，我們組織專業(yè)人員對國內(nèi)外高電壓、大功率的變頻器這一新技術(shù)進行了全面慎重的考察論證，最后決定采用國產(chǎn)高電壓、大功率變頻調(diào)速裝置，原因如下:
(1) 目前國產(chǎn)高壓大功率變頻器已具備和國外產(chǎn)品相抗衡的技術(shù)水平;
(2) 更符合中國國情，如:變頻器性能更適合國內(nèi)電網(wǎng)狀況、全中文操作界面等;
(3) 產(chǎn)品備件采購方便;
(4) 售后服務(wù)及時、周到 ;
(5) 性價比高于國外同類產(chǎn)品。
通過招標形式，我公司選用了國內(nèi)實力雄厚的成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的jcs-6kv/400kw igbt直接串聯(lián)高壓變頻器。
3 佳靈igbt直接串聯(lián)高壓變頻器原理及特點
目前，低壓變頻調(diào)速技術(shù)已比較成熟，但在高壓變頻調(diào)速技術(shù)方面，由于變頻器的核心功率器件耐壓有限，所以高壓變頻器并不象低壓變頻器一樣具有簡單統(tǒng)一的拓撲結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了當今各種各樣的結(jié)構(gòu)。
佳靈高壓變頻器由于解決了igbt直接串聯(lián)這一世界性難題，使其具有和低壓變頻器一樣簡單的結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品成功融入igbt直接串聯(lián)技術(shù)、正弦波技術(shù)、抗共模電壓技術(shù)和直接速度控制(dsc)技術(shù)，使得產(chǎn)品具有與其它形式(單元串聯(lián)多重化、中心點箝位三電平等)產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)越性，該產(chǎn)品已被列為“國家重點技術(shù)創(chuàng)新項目”。
圖1 igbt 直接串聯(lián)高壓變頻器原理器
圖1可以看出:該系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再經(jīng)逆變器逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。其優(yōu)點在于:
(1) 整個系統(tǒng)沒有輸入輸出變壓器，體積小重量輕，僅為其他品牌體積的1/2，減少了基建投資，解決了我廠基建空間不足的實際情況。
(2) 由于該變頻器結(jié)構(gòu)簡單，無變壓器，所以故障點大大減少，整個系統(tǒng)效率高，額定負載效率98%以上。
(3) 采用正弦波技術(shù)，大大提高輸出波形質(zhì)量，輸出電壓諧波含量小于3%，特有的共模技術(shù)使整個系統(tǒng)的共模電壓及輸出du/dt值完全符合mgi的標準，消除了電機振動現(xiàn)象，減小了軸承和葉片的機械應(yīng)力，不需更換我廠原有的舊電機，無需降容使用。
(4) 采用用直接速度控制技術(shù)(dsc)，響應(yīng)速度高于其它同類產(chǎn)品，轉(zhuǎn)矩脈動小，低速仍能保持平滑靜音運行。
(5) 可實現(xiàn)工頻旁路，檢修方便，而且具有完善的系統(tǒng)保護功能。
4 改造方案
由電機轉(zhuǎn)速公式可知 :
n=60f×(1-s)/p
其中: s—轉(zhuǎn)差率
n—轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)
f—電流頻率
p—電機的極對數(shù)
可見，只要改變電機的頻率f，就可以實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，高電壓大功率變頻器通過控制igbt(絕緣柵雙極型電力場效應(yīng)管)的導(dǎo)通和關(guān)斷，使輸出頻率連續(xù)可調(diào)。而且是隨著頻率的變化，輸出電流、電壓、功率都將發(fā)生變化，即負荷大時轉(zhuǎn)速大，輸出功率大，負荷小時轉(zhuǎn)速小，輸出功率也小。
由流體力學可知:
q′=q(n′/n)
h′=h(n′/n)2
p′=p(n′/n)3
當泵機低于額定轉(zhuǎn)速時節(jié)電為
e=〔1-(n′/n)3〕×p×t(kwh)
式中: n—額定轉(zhuǎn)速
n′—實際轉(zhuǎn)速
p—額定轉(zhuǎn)速時電機功率
t—工作時間
可見，通過變頻改造，沖渣泵流量q、壓力h及軸功率p都將發(fā)生較大的改變，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運行性能。
以上公式為本廠提供了充分理論依據(jù)，我廠根據(jù)沖渣泵的實際特性對其進行了具體改造，沖渣泵在沖渣時工作在49.5hz，在不沖渣時工作在25hz，考慮到工藝對調(diào)速精度要求不是很高，本系統(tǒng)只采用開環(huán)控制并在高爐值班室操作，需沖渣時給調(diào)節(jié)系統(tǒng)一個“1”的信號，電機高速運行，不需沖渣時將此信號取消，電機低速運行，取得了很好的節(jié)能效果。
5 改造后的系統(tǒng)實際運行狀況
變頻器到廠后，我廠技術(shù)人員同成都佳靈電氣制造有限公司派出的技術(shù)人員一道，經(jīng)過幾天的安裝，一次性調(diào)試成功。于2001年11月28日開始正式運行，現(xiàn)已累計運行18個月，經(jīng)過反復(fù)多種測試各運行參數(shù)一直正常，變頻器質(zhì)量性能良好，安全可靠，各項指標均達到了設(shè)計要求:
(1) 諧波抑制效果良好。電壓諧波含量小于3%，符合ieee519-1992和gb/t14549-93標準。
(2) 各種保護功能完善。過流、過壓、欠壓、故障保護等功能可靠，并且考慮了外部電網(wǎng)的防雷擊等多環(huán)節(jié)保護功能。
(3) 各種指示功能完備。具有輸入、輸出電流和電壓、運行頻率、故障顯示、運行狀態(tài)指示等功能。
(4) 操作簡便。同普通的低壓變頻器的功能操作方式相似，功能設(shè)置和調(diào)整簡單方便。
6 節(jié)能量的驗證及測試方法
(1) 測量無變頻調(diào)速時另一臺機組在工頻電壓下運行的電壓、電流、功率因數(shù)。
(2) 測量有變頻調(diào)速時機組在49.5hz頻率電壓下運行變頻器輸入端的電壓、電流、功率因數(shù)。
(3) 測量有變頻調(diào)速時機組在25hz頻率電壓下運行變頻器輸入端的電壓、電流、功率因數(shù)。
(4) 測量儀表型號為:電壓互感器:jdzj-6;電壓表:16l1-v;電流互感器:lzzb-10 50/5;電流表:16l1-a;功率因數(shù)鉗型表:hioi-3266。
通過上述測量參數(shù)，根據(jù)p=1.73u·icosφ計算得出p50=294kw、p49.5=214kw、p25=82kw。
7 改造效益
(1) 節(jié)能經(jīng)濟效益
機組49.5hz運行和無變頻器運行相比可節(jié)省功率δp1=p50-p49.5=80kw
機組25hz運行和無變頻器運行相比可節(jié)省功率δp2=214kw-p25=132kw
年節(jié)電量:δw=(h1δp1+h2δp2)=365(7.5×80+16.5×132)=1013970kwh
(注:每年按365天計,h1:沖渣時間=15×30/60=7.5小時;h2:不沖渣時間=24-7.5=16.5小時)
經(jīng)濟效益:δw電價=1013970×0.56=567823元(注:韶鋼廠工業(yè)電價0.56元/kwh)
(2) 節(jié)約維修費用
因沖渣水含有大量的爐渣，原系統(tǒng)管道和閥門在含渣水的高速沖刷下，很短時間內(nèi)管壁就會變薄、閥門密封損壞須重新更換，一般情況下每年需維修費用約15萬元。經(jīng)變頻調(diào)速改造后，有一半時間內(nèi)管道的水流速度降低，磨擦減少，管道和閥門的使用壽命大大延長，每年可降低維修費用約1/3，即5萬元。
(3) 實現(xiàn)電機軟起動功能，延長了電機壽命，大大減少了沖渣泵故障發(fā)生率。
(4) 提高了自動化水平，節(jié)約了大量工業(yè)用水。
由上述可知，綜合經(jīng)濟效益每年可達60多萬元，一年即可全部收回成本。
8 結(jié)論
通過對沖渣泵系統(tǒng)的變頻調(diào)速的技術(shù)改造，我廠使用了成都佳靈電氣制造有限公司制造的igbt直接串聯(lián)高壓變頻器，經(jīng)過較長時間的運行檢驗，證明該產(chǎn)品性能可靠、功能齊全、技術(shù)先進，說明國內(nèi)自主開發(fā)的高壓變頻器在技術(shù)上已經(jīng)處于世界先進水平。由于igbt直接串聯(lián)高壓變頻器無輸入輸出變壓器、體積小、性價比高、綜合性能好等方面均超過了國內(nèi)外其它產(chǎn)品，是新一代高性能高壓變頻產(chǎn)品的代表，為高壓變頻調(diào)速技術(shù)在我廠內(nèi)其它工序的技術(shù)改造提供了一條可行的途徑，在高壓變頻改造領(lǐng)域具有極大的推廣價值。
參考文獻
[1] 吳加林. igbt直接串聯(lián)高壓變頻器[j]. 電工技術(shù)，2003,(2).
[2] 吳忠智，吳加林. 變頻器應(yīng)用手冊(第2版)[m]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2002.
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