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1. 引言
　　隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內(nèi)各類能源消耗逐漸增大，限于不可再生能源的限制，使國內(nèi)各類能源供應緊張。而且我國能源浪費還比較嚴重，如何有效利用能源已經(jīng)被國家擺在重要的戰(zhàn)略位置。據(jù)業(yè)內(nèi)專業(yè)人士估計，中國發(fā)電總量的60%以上消耗在電動機上。而中國目前電動機總裝機容量已超過4億千瓦，高壓電機約占一半左右，高壓電動機中近70%拖動的負載是風機、泵類、壓縮機，其中一半適合調(diào)速，即有約7500萬kW的高壓電機處在浪費能源的運行狀態(tài)。從目前高壓變頻器的一般使用情況來看，平均節(jié)電可達30%，在技術(shù)改造項目中，高壓變頻器的投入和使用，其節(jié)能效果是顯而易見的。在新建項目中，高壓變頻器在風機、水泵類的應用也已經(jīng)深入到鋼鐵、石油、化工各個行業(yè)，節(jié)能效果已經(jīng)為大家所共識，是經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。
2. 風光高壓變頻器的技術(shù)特點
　　山東新風光電子科技發(fā)展有限公司研制生產(chǎn)變頻器已有十幾年的經(jīng)驗， 高壓變頻器技術(shù)已經(jīng)相當成熟，并在各行各業(yè)得到廣泛的應用。風光高壓變頻器以西門子新型IGBT作為主功率器件，采用高性能數(shù)字信號處理器DSP進行控制，精心設計的算法可以保證電機達到較優(yōu)的運行性能。彩色液晶觸摸屏實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，以高可靠性、易操作、高性能作為設計目標的風光高壓變頻調(diào)速器在激烈的市場競爭中得到用戶的認可。我公司有能力有信心為客戶量身訂做高質(zhì)量的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。
　　風光高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)的結(jié)構(gòu)方式，可靠性高。功率單元采用標準模塊化設計，每個單元完全一樣可以互換，安裝維護簡單方便。并且每個單元都有旁路功能，當某個單元出現(xiàn)故障時，控制電路控制可控硅將故障單元的輸出短接，這樣變頻器仍能正常運行。

　　單元主電路圖

　　它的輸入側(cè)采用干式移相變壓器，可以實現(xiàn)36脈沖的整流方式，完全滿足國家對電網(wǎng)諧波的較嚴格的要求。在帶負載時，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可達到0.95以上。在輸出側(cè)采用載波移相技術(shù)可以得到良好的正弦輸出波形，輸出dv/dt小，對電機及電纜的絕緣沒有任何損害。利用三次諧波補償技術(shù)提高了電源電壓利用率，滿足了異步電機對調(diào)速性能的需要。控制系統(tǒng)與功率單元采用光纖通信技術(shù)，有效解決了電磁干擾問題，并且實現(xiàn)了高壓部分與控制系統(tǒng)之間的隔離，提高了整機的安全性和可靠性。

　　相電壓輸出波形

　　另外控制系統(tǒng)有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，市電經(jīng)過UPS輸出一穩(wěn)定的交流電，然后通過整流、濾波、穩(wěn)壓得到一個穩(wěn)定的直流電壓，由一個高頻振蕩器得到幅度穩(wěn)定的高頻電源，再由一系列高頻變壓器及相應的整流、濾波送到各單元的控制及驅(qū)動電路。實際上是開關(guān)電源技術(shù)的另類應用。控制系統(tǒng)電源獨立，通過高頻變壓器給各單元控制電路、驅(qū)動電路供電，容易實現(xiàn)高低壓電路之間及驅(qū)動電路之間的隔離。而且可以在不加高壓電、不加載的情況下，可以對整機進行調(diào)試，此時各點波形與主電路加電、加載時完全一樣，只是輸出電壓幅度小。這對設備調(diào)試、檢修和操作人員的培訓十分方便。

　　系統(tǒng)控制電源框圖

　　變頻器的用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)界面十分友好和完善，采用彩色液晶觸摸屏進行監(jiān)控。可對變頻器進行全部操作，包括參數(shù)設定、功能設定、運行操作、運行數(shù)據(jù)打印、故障查詢等等。
3. 風光高壓變頻調(diào)速器在現(xiàn)場得到了很好的應用
　　我公司的高壓變頻器在鋼鐵冶金石化行業(yè)應用已相當廣泛，如通鋼、包鋼、阿鋼、萊鋼、濟鋼、鞍鋼、冶鋼、遼河油田、勝利油田、大慶油田、齊魯石化、巨化集團等大的工廠企業(yè)已廣泛應用，下面介紹幾個典型應用。
3.1  典型應用一  遼河油田6000V/1800KW注水泵的變頻改造 （石油行業(yè)泵）
　　遼河新三聯(lián)注水站投運一臺型號為 DFJ200-170AX11 的注水泵，匹配電機型號為 YB1800S2-2 的 6KV/1800KW 異步電動機，采用直接驅(qū)動方式控制，離心泵流量是通過控制出口閥門的開度進行調(diào)節(jié)，造成大量節(jié)流損失 , 離心泵及電動機運行在低效率工作區(qū)，能源浪費比較嚴重。夏秋季節(jié)注水量相應降低，運行中離心泵實際泵壓為 16.5MPa ，注水管網(wǎng)實際運行壓力為 12.5MPa ，由于多泵注水實施并網(wǎng)運行，當注水管網(wǎng)壓力升高到目前注水管網(wǎng)實際注水壓力以上時，將造成高壓注水量減少，無法滿足油井注水需求，同時污水量大于注水量將造成污水外排。為此注水電機運行時必須靠調(diào)節(jié)離心泵出口高壓回流閥門來控制注水管網(wǎng)壓力，以維持聯(lián)網(wǎng)注水平衡。這樣就造成泵壓與管網(wǎng)干壓平均壓差達到 4 MPa 以上，造成了大量的電能浪費。
　　廠家經(jīng)過綜合調(diào)研和考慮，選用了山東新風光電子公司 JD-BP37-1800F 型號的高壓變頻器，通過應用，該變頻器可靠性高，設計合理，變頻調(diào)速器對電機具有軟啟動功能，啟動時無沖擊電流，減少了對電網(wǎng)的污染；安裝、維護和保養(yǎng)都比較方便，降低了值班人員的工作強度；降耗效果明顯。 現(xiàn)場的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

　　圖1 注水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　本系統(tǒng)中，一方面在泵出口管線上安裝一只高可靠性壓力傳感器，將實測的壓力信號與系統(tǒng)的配注壓力（期望值）相比，并將其差值送往過程參數(shù)調(diào)節(jié)器（ PID ）進行比例和積分運算，最后將輸出結(jié)果送給可編程控制器（ PLC ）；另一方面在泵入口管線上安裝一只流量計，用于監(jiān)測系統(tǒng)實際總流量，將該值與系統(tǒng)配注量的差值再進行一次 PID 整定，最后將輸出結(jié)果送給 PLC 。 PLC 根據(jù)所接收的兩個 PID 整定信號，利用模糊推理的方法，在滿足系統(tǒng)干壓的前提下，系統(tǒng)及時自動調(diào)整高壓變頻器的輸出頻率從而控制變頻泵的轉(zhuǎn)速。由離心泵原理知，泵轉(zhuǎn)速的變化可引起相應的排量變化，通過頻率的變化以達到期望的排量值。通過上述閉環(huán)控制，使系統(tǒng)的實際壓力和排量與系統(tǒng)的配注壓力和配注量相接近。系統(tǒng)設計為閉環(huán)控制系統(tǒng)，流量和壓力為系統(tǒng)的兩個主要參數(shù)，將系統(tǒng)實測的流量和壓力信號與地質(zhì)要求的流量和壓力（期望值）進行雙 PID 調(diào)節(jié)；通過模糊推理的方法自動尋優(yōu)控制，根據(jù)推理結(jié)果，系統(tǒng)及時自動調(diào)整高壓變頻器的輸出，并自動計算出變頻器的較佳運行頻率。
　　由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）╳ H（壓力），流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。
　　實際節(jié)電效果使用變頻器前后的耗電情況統(tǒng)計見下表：

　　水泵電機安裝變頻器前后的注水單耗從6.79下降到5.38，不考慮其它方面的影響：
　　節(jié)電率=（安裝前耗電-安裝后耗電）/安裝前耗電*100﹪
　　=（1244246-698215）/1244246*100﹪
　　=43.88﹪
3.2典型應用二  浙江省衢州巨化硫酸廠冷卻水循環(huán)泵的變頻改造 （化工行業(yè)泵）
　　浙江省衢州巨化硫酸廠是我國首批自己設計、制造、安裝的重點硫酸生產(chǎn)企業(yè)，是浙江省較大的硫酸生產(chǎn)廠。在硫酸生產(chǎn)過程中，需要對水冷極板進行冷卻，冷卻水循環(huán)泵是硫酸生產(chǎn)工藝中的重要設備，過去冷卻水循環(huán)泵均不調(diào)速，利用出口閥門來控制水流量和管網(wǎng)壓力，由于設備的選擇都是按最大負荷情況來選型，在實際運行中設備留有較大的裕量，冷卻水的流量與壓力是通過冷卻水循環(huán)泵出、入口聯(lián)絡管上的調(diào)節(jié)閥來進行調(diào)節(jié)，造成電動機運行效率較低，造成電能浪費，為降低企業(yè)生產(chǎn)成本，廠家領導經(jīng)過反復論證，多方比較，決定選用我公司JD-BP37-280F型高壓變頻器對冷卻水循環(huán)泵進行變頻調(diào)速節(jié)能改造，以解決能源浪費問題。用戶冷卻水循環(huán)泵的電動機參數(shù)為6KV/280KW異步電動機，額定轉(zhuǎn)速985r/min，水泵參數(shù)為500S-35 單級雙吸離心泵。冷卻水循環(huán)泵工作原理如圖2所示，三臺循環(huán)泵兩開一備。

　　圖2 冷卻水循環(huán)泵工作原理圖

　　變頻器控制3#循環(huán)泵，2#、1#循環(huán)泵一開一備。現(xiàn)在以冷卻水母管壓力為給定量，根據(jù)工藝所需母管壓力調(diào)節(jié)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，壓力信號取自主管網(wǎng)，目標壓力值設定在0.24Mpa 。
　　電氣設備改造一次回路圖如圖3。

　　圖3 電器設備一次回路圖

　　設備改造工程于2005年1月完成，高壓變頻器一次試車成功，運行正常，頻率運行在40Hz左右，保證了循環(huán)水的正常溫度。其節(jié)電相關(guān)數(shù)據(jù)為：
　　工頻運行數(shù)據(jù)為：
　　5月27日14:30 運行頻率50Hz 輸入電流23.8A 輸入電壓6KV
　　5月27日21:35 運行頻率50Hz 輸入電流26.4A 輸入電壓6KV
　　5月28日08:00 運行頻率50Hz 輸入電流25.2A 輸入電壓6KV
　　5月28日21:00 運行頻率50Hz 輸入電流24.8A 輸入電壓6KV
　　5月29日06:25 運行頻率50Hz 輸入電流24.1A 輸入電壓6KV
　　工頻平均運行電流24.86A ， 功率因數(shù)COSΦ1 =0.85
　　變頻運行數(shù)據(jù)為：
　　5月27日11:00 運行頻率41:55Hz 輸入電流13.0A 輸入電壓6KV
　　5月27日12:00 運行頻率41:55Hz 輸入電流13.1A 輸入電壓6KV
　　5月27日13:00 運行頻率41:55Hz 輸入電流13.0A 輸入電壓6KV
　　5月27日14:00 運行頻率41:55Hz 輸入電流13.2A 輸入電壓6KV
　　變頻平均運行電流為13.07A , 功率因數(shù)為COSΦ2 =0.98
　　每年節(jié)省用電：（I×COSΦ1-I×COSΦ2 ）×Ua×1.732×24小時×350天=71.8萬度
　　每年節(jié)省用電費用：每年節(jié)省用電×0.5元/度=35.9萬元
　　變頻運行時節(jié)電率達到40%。設備運行時頻率達到35Hz，就可以達到工藝要求的出水壓力，春冬秋三個季節(jié)設備完全可以在35Hz運行，節(jié)電率可達到50%左右，按目前41Hz運行計算，每年可以節(jié)電71萬度，節(jié)省電費35.9萬元。
3.3典型應用三  通化鋼鐵集團高爐除塵風機的變頻應用
　　通化鋼鐵集團有限責任公司是吉林省省屬最大的國有工業(yè)企業(yè)和唯一的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)集團。隨著市場競爭的加劇，為提高產(chǎn)品市場占有率、競爭力，通化鋼鐵集團深化改革，加快一批項目建設，其中 6#750立方米高爐為新建項目之一。6#高爐吸取了以前舊高爐經(jīng)驗的基礎上，在建設中采用了大量先進的生產(chǎn)工藝。高爐除塵風機的變頻控制就是先進工藝的典型應用。以前舊高爐除塵風機一般是工頻運行或液力偶合器控制，浪費了大量的能源。經(jīng)過多方考察，比較性價比，通化鋼鐵集團決定選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38－800F（800KW/10KV）型高壓變頻器，通過雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了6#高爐除塵風機的變頻控制方案。
　　高爐生產(chǎn)為周期性間斷出鐵，高爐在出鐵時，產(chǎn)生大量棕紅色煙塵，此時要求風機高速運行；在不出鐵時，產(chǎn)生煙塵相對較少，只需要很低的轉(zhuǎn)速。利用變頻器根據(jù)高爐實際需要對除塵風機進行變頻調(diào)速控制，既保證和改善了工藝，又達到了節(jié)能降耗的目的。出鐵時，變頻器高速運行，高速定為45HZ（可調(diào)）；不出鐵時，變頻器低速運行，低速定為20Hz（可調(diào)）。用戶的風機型號為 Y4-73，電機型號為 Y 560-3-8 。高爐除塵風機工藝要求曲線如圖4。

　　圖4 高爐除塵風機工藝要求曲線

　　a～b為風機升速時間大約1分鐘（可調(diào)）；
　　b～c為高爐出鐵時間大約20分鐘；
　　c～d為風機減速時間大約2分鐘（可調(diào)）；
　　d～e為風機低速運行階段。
　　該系統(tǒng)生產(chǎn)周期大約為 1小時，出鐵時間為20分鐘，間隔約40分鐘，系統(tǒng)配置電機額定電流為 59.5A ，根據(jù)其它生產(chǎn)線的實際運行情況電機運行電流在 55A左右。高爐出鐵變頻高速運行45Hz時，電流為 45A 左右，在 20Hz低速運行時，電流為15A左右。（一天中風機高速運行時間占40%，無停機時間）
　　P 變 =1.732×10×（45×0.98×40%＋15×0.98×60％）=458KW
　　P 工 =1 . 732 × 10 × 55 × 0 . 86=819KW
　　節(jié)電率 = （ P 工 -P 變 ） / P 工 =44%
　　與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，對電機的保護更加完善。改造后的調(diào)速系統(tǒng)隨著高爐生產(chǎn)除塵的需要 ,調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)風機的風量，滿足高爐生產(chǎn)工藝的需要，工作強度大大降低。
4.高壓變頻器應用前景
　　我國基于IGBT的功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)的研究是與世界同步進行的。隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，變頻器的使用越來越廣泛。風光高壓變頻調(diào)速器經(jīng)過多年的現(xiàn)場應用證明，高壓變頻器用于風機、泵類設備驅(qū)動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，性能穩(wěn)定可靠性高。既節(jié)約了能源，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，直接和間接經(jīng)濟效益十分明顯。