變頻與傳動之高壓變頻器原理及應(yīng)用
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由于采用了上述三項核心關(guān)鍵技術(shù)，使IGBT直接高 壓變頻器的效率達(dá)到98%以上。輸出電壓正弦化、共模電壓最小化。適用于任何異步電機(jī)、同步電機(jī)，無需降容使用，幾km的長線傳輸也無問題。對于傳輸距離 太長時應(yīng)考慮線路電壓補償。如提高電壓或增大導(dǎo)線截面等。
4 系統(tǒng)特點：
（1）電壓等級為3kV-10kV；
（2）系統(tǒng)自帶專門設(shè)計的高壓開關(guān)柜，與本身高壓變頻器高效安全配套，并含變/工頻切換裝 置和電子式真空斷路器;
（3）全中文操作界面，基于Windows操作平臺，彩色液晶觸摸屏，便于就地監(jiān)控、設(shè)定參數(shù)、選擇功能和調(diào)試;
（3）內(nèi)置PLC可編程控制器，易于改變和擴(kuò)展控制邏輯關(guān)系;
（4）高壓主電路與低壓控制電路采 用光纖傳輸，安全隔離，使得系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng);
（5）控制電路通訊方式采用全數(shù)字化通訊;
（6）系統(tǒng)的 整流單元、逆變單元設(shè)計，選用組合模塊化積木結(jié)構(gòu)，整機(jī)占地面積小、重量輕，便于安裝、維護(hù);
（7）裝置可在本機(jī)上操作，也可實 現(xiàn)遠(yuǎn)距離外控，具備完善、方便的操作功能選擇;
（8）系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)通訊接口RS232或RS422、RS485，可方便 的與用戶DCS系統(tǒng)或工控系統(tǒng)組態(tài)建立整個系統(tǒng)的工作站，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的自動化控制程度，實現(xiàn)整個工控系統(tǒng)的全閉環(huán)監(jiān)控，從而獲得更加完善的、可靠自動化運行;
（10）具備全面的故障監(jiān)測、可靠的故障報警保護(hù)功能;
（11）輸入功率因數(shù)高，輸出電壓諧波 含量小，無需功率因數(shù)補償和諧波抑制器;
（12）輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，對電纜和電動機(jī)的絕緣無損害，減輕電動機(jī)的軸承和葉片 等機(jī)械部分震動和磨損，延長電動機(jī)的使用壽命，輸出至電動機(jī)的線纜長度可達(dá)20km;
（13）采用獨特的抗共模電壓技術(shù)，使系統(tǒng)*模電壓≤1000V，無需再提高電動機(jī)的絕緣等級，無需專用電機(jī);
（14）易于實現(xiàn)能量回饋和四象限運行;并可直接引出直流 進(jìn)行直流輸電;
（15）對用戶的高壓異步電動機(jī)無任何特殊要求。不但適用于新舊異步電動機(jī)，也適用于同步電動機(jī)。
5.應(yīng)用實例：IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器在 煉鐵廠沖渣泵上的應(yīng)用
5.1 應(yīng)用概況
永峰鋼廠是萊鋼集團(tuán)公司的一個主要生產(chǎn)廠，負(fù)責(zé)公司所需鐵水和鐵塊冶煉。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(fù)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。4#-高爐使用ZGB-300型沖渣泵，原系統(tǒng)運行時，起動前管道進(jìn)出水閥門關(guān)閉，起動后閥門開度約90%，機(jī)組全速運行，電網(wǎng)電壓6300V，電機(jī)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(jī)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，為此公司決定對4#高爐沖渣泵進(jìn)行改造。
5.2 改造方案
由電機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=60f×(1-s)/p可知:只要改變電機(jī)的頻率f，就可以實現(xiàn)電機(jī)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(fù)荷大時轉(zhuǎn)速大， 輸出功率大，負(fù)荷小時轉(zhuǎn)速小，輸出功率也小。
由流體力學(xué)：：Q′=Q(n′/n) 、H′=H(n′/n)2 、P′=P(n′/n)3 可知: 當(dāng)泵機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時節(jié)電為：E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)
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。根據(jù)沖渣泵的實際特性對其進(jìn)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(jī)高速運行，不需沖渣時將此信號取消，電機(jī)低速運行，取得了很好的節(jié)能效果。
5.3 改造后的系統(tǒng)實際運行狀況
根據(jù)18個月的運行，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(biāo)均達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。
(2)各種保護(hù)功能完善。過流、過壓、欠壓、故障保 護(hù)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(hù)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。
5.4 改造效益
機(jī)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(jī)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(jì)效益:ΔW電價=1013970×0.56=567823元(注:萊鋼廠工業(yè)電價0.56元/kWh)；
實現(xiàn)電機(jī)軟起動功能，延長了電機(jī)壽命，大大減少了沖渣泵故障發(fā)生率；
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(jì)效益每年可達(dá)60多萬元，一年即可全部收回成本。
5.5 結(jié)論
通過對沖渣泵系統(tǒng)的變頻調(diào)速的技術(shù)改造，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(jìn)，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(jìn)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。
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