IGBT直接串聯高壓變頻器在煉鐵廠沖渣泵上的應用
1 引言
廣東省韶關鋼鐵集團有限公司(以下簡稱韶鋼)位于韶關市南郊，占地面積8320m2。韶鋼是中國500家最大工業企業和國家512家重點企業之一，世界100家大型鋼鐵企業排行第95位，具有年產鋼160萬噸以上能力。煉鐵廠是韶鋼的一個主體生產廠，負責公司所需鐵水和鐵塊冶煉。煉鐵廠現有6座高爐，總爐容2405m3，年產生鐵230萬噸。
高爐冶煉鐵水過程中產生大量的熔渣，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，作為煉鐵生產的副產品。高爐生產是不間斷的，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，在此時間內要求水沖渣系統的水泵滿負荷工作，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，機組有關數據如附表
原系統運行時，起動前管道進出水閥門關閉，起動后閥門開度約90%，機組全速運行，電網電壓6300v，電機運行電流33a，功率因數81.6%，耗電功率294kw。不需沖渣水時通過調節閥門在30%來調節水流量(此時電機電流25a)，耗電功率214kw，一方面導致大量的節能損失，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 系統方案選擇
在選擇調速方案時，我們曾從節省投資出發考慮過使用調速型液力偶合器，但由于需將原機組的混凝土基礎全部打掉重新搗制，工作量大、施工周期長，將影響正常生產，為此決定采用高壓變頻調速器。
附表 沖渣泵的技術參數
面對當今國內外的眾多高壓變頻產品，2001年初，我們組織專業人員對國內外高電壓、大功率的變頻器這一新技術進行了全面慎重的考察論證，最后決定采用國產高電壓、大功率變頻調速裝置，原因如下:
(1) 目前國產高壓大功率變頻器已具備和國外產品相抗衡的技術水平;
(2) 更符合中國國情，如:變頻器性能更適合國內電網狀況、全中文操作界面等;
(3) 產品備件采購方便;
(4) 售后服務及時、周到 ;
(5) 性價比高于國外同類產品。
通過招標形式，我公司選用了國內實力雄厚的成都佳靈電氣制造有限公司生產的jcs-6kv/400kw igbt直接串聯高壓變頻器。
3 佳靈igbt直接串聯高壓變頻器原理及特點
目前，低壓變頻調速技術已比較成熟，但在高壓變頻調速技術方面，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一的拓撲結構，從而產生了當今各種各樣的結構。
佳靈高壓變頻器由于解決了igbt直接串聯這一世界性難題，使其具有和低壓變頻器一樣簡單的結構。該產品成功融入igbt直接串聯技術、正弦波技術、抗共模電壓技術和直接速度控制(dsc)技術，使得產品具有與其它形式(單元串聯多重化、中心點箝位三電平等)產品無法比擬的優越性，該產品已被列為“國家重點技術創新項目”。
圖1 igbt 直接串聯高壓變頻器原理器
圖1可以看出:該系統由電網高壓直接經高壓斷路器進入變頻器，經過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再經逆變器逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。其優點在于:
(1) 整個系統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) 由于該變頻器結構簡單，無變壓器，所以故障點大大減少，整個系統效率高，額定負載效率98%以上。
(3) 采用正弦波技術，大大提高輸出波形質量，輸出電壓諧波含量小于3%，特有的共模技術使整個系統的共模電壓及輸出du/dt值完全符合mgi的標準，消除了電機振動現象，減小了軸承和葉片的機械應力，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(dsc)，響應速度高于其它同類產品，轉矩脈動小，低速仍能保持平滑靜音運行。
(5) 可實現工頻旁路，檢修方便，而且具有完善的系統保護功能。
4 改造方案
由電機轉速公式可知 :
n=60f×(1-s)/p
其中: s—轉差率
n—轉子實際轉數(r/min)
f—電流頻率
p—電機的極對數
可見，只要改變電機的頻率f，就可以實現電機的轉速調節，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管)的導通和關斷，使輸出頻率連續可調。而且是隨著頻率的變化，輸出電流、電壓、功率都將發生變化，即負荷大時轉速大，輸出功率大，負荷小時轉速小，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
當泵機低于額定轉速時節電為
e=〔1-(n′/n)3〕×p×t(kwh)
式中: n—額定轉速
n′—實際轉速
p—額定轉速時電機功率
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都將發生較大的改變，不但節能而且大大提高了設備運行性能。
以上公式為本廠提供了充分理論依據，我廠根據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，考慮到工藝對調速精度要求不是很高，本系統只采用開環控制并在高爐值班室操作，需沖渣時給調節系統一個“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，取得了很好的節能效果。
5 改造后的系統實際運行狀況
變頻器到廠后，我廠技術人員同成都佳靈電氣制造有限公司派出的.技術人員一道，經過幾天的安裝，一次性調試成功。于2001年11月28日開始正式運行，現已累計運行18個月，經過反復多種測試各運行參數一直正常，變頻器質量性能良好，安全可靠，各項指標均達到了設計要求:
(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的防雷擊等多環節保護功能。
(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，功能設置和調整簡單方便。
6 節能量的驗證及測試方法
(1) 測量無變頻調速時另一臺機組在工頻電壓下運行的電壓、電流、功率因數。
(2) 測量有變頻調速時機組在49.5hz頻率電壓下運行變頻器輸入端的電壓、電流、功率因數。
(3) 測量有變頻調速時機組在25hz頻率電壓下運行變頻器輸入端的電壓、電流、功率因數。
(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;功率因數鉗型表:hioi-3266。
通過上述測量參數，根據p=1.73u·icosφ計算得出p50=294kw、p49.5=214kw、p25=82kw。
7 改造效益
(1) 節能經濟效益
機組49.5hz運行和無變頻器運行相比可節省功率δp1=p50-p49.5=80kw
機組25hz運行和無變頻器運行相比可節省功率δp2=214kw-p25=132kw
年節電量: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)
經濟效益:δw電價=1013970×0.56=567823元(注:韶鋼廠工業電價0.56元/kwh)
(2) 節約維修費用
因沖渣水含有大量的爐渣，原系統管道和閥門在含渣水的高速沖刷下，很短時間內管壁就會變薄、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。經變頻調速改造后，有一半時間內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生率。
(4) 提高了自動化水平，節約了大量工業用水。
由上述可知，綜合經濟效益每年可達60多萬元，一年即可全部收回成本。
8 結論
通過對沖渣泵系統的變頻調速的技術改造，我廠使用了成都佳靈電氣制造有限公司制造的igbt直接串聯高壓變頻器，經過較長時間的運行檢驗，證明該產品性能可靠、功能齊全、技術先進，說明國內自主開發的高壓變頻器在技術上已經處于世界先進水平。由于igbt直接串聯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外其它產品，是新一代高性能高壓變頻產品的代表，為高壓變頻調速技術在我廠內其它工序的技術改造提供了一條可行的途徑，在高壓變頻改造領域具有極大的推廣價值。
參考文獻
[1] 吳加林. igbt直接串聯高壓變頻器[j]. 電工技術，2003,(2).
[2] 吳忠智，吳加林. 變頻器應用手冊(第2版)[m]. 北京:機械工業出版社, 2002.
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