高壓變頻調速技術在軋鋼高壓水除鱗系統中的應用

摘 要:本文結合唐鋼中厚板材有限公司軋鋼工作部高壓水除鱗系統中的電機改為變頻電機的安裝調試運行情況，介紹了LCI型電流源變頻器的系統組成和工作原理，重點分析了高壓變頻調速技術在高壓水除鱗系統的應用特點和發展趨勢，展望了變頻電機在高壓水除鱗系統中的應用前景。

關鍵詞:高壓變頻調速技術LCI型電流源變頻器同步電動機

中圖分類號:TP31文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(a)-0087-02

隨著我國對冶金生產節能減排、可持續發展的要求及設備的變頻化，越來越多的新建高壓水設備采用高壓變頻調速技術為作為除鱗系統的動力。唐鋼中厚板材有限公司軋鋼部在2010年先后將兩條生產線成功地引進了兩套高壓水變頻調速系統。這兩套高壓變頻調速系統在高壓水除鱗系統中的良好應用取代了傳統的電機系統，節約了能源，改善了環境，提高了效率，帶來了明顯的經濟效益，同時鍛煉了隊伍。

1 高壓變頻調速技術簡介

通常，我們把用來驅動1KV以上交流電動機的中小、大容量變頻器稱為高壓變頻器。按照國際慣例和我國國家標準，當供電電壓大于或等于10kV時稱高壓，小于10kV時稱中壓。我國工礦企業把1000V以上的交流電動機例如3kV、6kV、10kV等交流電機都稱為高壓電動機，對應用于這類電動機的變頻器都稱為高壓變頻器[1]。高壓變頻器可分為交-交變頻器、同步電機高壓變頻器和異步電機高壓變頻器。高壓大容量變頻器是一種技術含量高、難度大的高新技術產品，目前該技術在風機泵類負載調速節能運行中的應用已相當成熟[2]。盡管高壓變頻器至今尚未形成如低壓變頻器那樣的統一的拓撲結構，隨著電力電子器件研發、制造水平的不斷提高，高壓變頻技術仍在發展之中。

2 負載換相式電流源型變頻器特點

2.1 電流源型變頻器

高壓變頻器按照高壓組成方式可分為直接高壓型和高-低-高型，根據有無中間直流環節來分，可分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，在交-直-交變頻器中，按中間直流濾波環節的不同，可分為電壓源型和電流源型。電流源型變頻器(CSI:Current Source Inverter)采用大電感作為中間濾波環節。整流電路一般采用晶閘管作為功率器件，少數也有采用GTO的，主要目的是采取電流PWM控制，以改善輸入電流波形。逆變部分一般采用晶閘管或GTO作為功率器件。電流源型變頻器種類較多，主要有串聯二級式，輸出濾波器換相式，負載換相式和GTO-PWM式等。

2.2 LCI電流源型變頻器

負載換相式電流源型變頻器(LCI:Load Commutated Inverter)， 負載為同步電機，變頻器逆變功率器件采用晶閘管。輸出采用120°導通方式。變頻器輸出電壓由輸出電流及負載決定。LCI變頻器原理圖見圖1。

在控制上，LCI一般采取電壓-頻率協調控制，輸出電壓的閉環控制由電壓環來控制。高性能時通常采用磁場定向矢量控制和常見的轉速、電流雙閉環，通過速度和磁通閉環調節器分別得到定子電流的幅值作為電流環的給定值，控制晶閘管整流電路，實現定子電流的閉環控制。負載角和同步旋轉坐標系的位置角疊加在一起，用于逆變器晶閘管的觸發脈沖分配。晶閘管的關斷主要靠同步電機定子交流反電勢自然完成，不需要強迫換相，逆變器晶閘管的換流與整流橋晶閘管的換流極其相似。變頻器的輸出頻率一般不是獨立調節的，而是依靠轉子位置監測器得到的轉子位置信號按一定順序周期性觸發逆變器中相應的晶閘管，LCI這種“自控式”功能，保證變頻器的輸出頻率和電機轉速始終保持同步，不存在失步和振蕩現象。同步電機在整個調速范圍內都必須提供超前的功率因數，以保障逆變器晶閘管的正常換相。電機必須有足夠的漏電感，以限制晶閘管的di/dt， 電機也要能夠承受變頻器輸出的濾波電流，除了需要特殊的同步電機之外，LCI應用是較為成功的。尤其是在一些超大容量的傳動系統中，因為LCI無需強迫換流電路，結構簡單，在大容量時，相對異步電機也有不少優勢。

3 軋鋼車間高壓水除鱗系統中的變頻改造

3.1 系統改造

(1)改造前。

圖2為變頻節能改造前系統構成圖，除磷水系統包含四臺水泵，電機功率2800kW，兩臺一組，一用一備，每組水泵配一臺水電阻，可以分別啟動每一臺水泵電機，電機啟動后通過液力耦合器調速，液力耦合器速度分為四個檔位，根據管道壓力要求分別以四種速度工作，通過PLCPID調節控制，正常管道壓力應維持在16～18MPa，液力耦合器輸出在最低檔位時水泵無壓力輸出，對應液耦輸出轉速為800r/min，實際應用只有60%的時間工作在液力耦合器最低輸出檔位，即電能被浪費。

(2)改造后。

圖3為變頻改造后系統構成圖，把每組水泵系統中一臺電機改為變頻控制，采用羅克韋爾 PowerFlex7000系列電流源型變頻器，電流源型變頻器dV/dT為50V/us，可以直接使用普通電動機，電壓源型變頻器dV/dT為1000V/us，需使用變頻專用電機或加dV/dT濾波器才可接普通電機。另一臺電機仍為水電阻啟動加液力耦合器調速的方式，作為備用。變頻器靠PLC控制，由原程序PID輸出4～20mA信號控制變頻器輸出頻率，4～20mA對應0～50Hz，實現了線性輸出，減小了對機械設備的沖擊，延長設備使用壽命，啟動停車時間0～120S可調。節能效果，當管道壓力達到16～18MPa時，變頻器停止輸出，電機不轉，電力消耗為零，當管道壓力不足時，變頻器啟動，按照PLC PID輸出運行，變頻調速，經過多次實踐證明，節能在50%以上。

3.2 系統描述

系統由高壓變頻器、移相變壓器、開關柜三大部分組成。變頻器與PLC連接用多模光纖，在兩端用西門子OLM進行光電轉換，變頻器可就地或遠方控制。遠方控制時，變頻器通過RS485協議即Profibu網絡傳輸PLC發出的速度指令，將速度、電流等操作員關心的變量信號送往中控室。同時必須保留硬線急停信號:即操作臺急停拍下時既給PLC發出指令也通過變頻器提供的DI給變頻器送去急停，雙保險停車。變頻器可提供16個DI和16個DO接口，DI變頻器用于接受現場或遠方的控制設備的操作指令，DO將變頻器狀態及故障報警信號送到現場或遠方監控裝置。DI和DO還用于與配套設備之間的互鎖控制。

3.3 系統特點

(1)可靠性高。

利用6500V的高壓功率器件直接架構 6kV的變頻器:18只SCR組成6kV的整流器，18只SGCT組成6kV的逆變器，變頻器輸出應直接為6kV，無需外置/內置升壓變壓器或馬達濾波器等類似變壓環節，系統結構簡單，潛在故障點最少化。

電流源逆變技術可保證器件的安全串接，每個橋臂三只6500V的SGCT，使得逆變單橋臂耐壓等級高達工作電壓的3倍以上。每只SGCT電流導通能力為800～1500A，變頻耐壓/電流裕量最大化。

電流源逆變器固有強壯的電流保護特性，無需熔斷保護電路，不但降低了系統復雜程度，而且免除了輸出側短路造成器件損害的可能。

(2)輸入輸出波形好。

18脈沖整流器可對17次以下的高次諧波進行有效的抑制，總體諧波畸變THD小于5%，不需諧波分析及加低通濾波環節，直接滿足IEEE519-1992諧波抑制標準，用戶不必擔心因使用變頻造成對電網環境和穩定性的破壞。

變頻器直接輸出6kV，原電機不需要作任何改動。完美的輸入波形，對電網無干擾完美的輸入波形，對電網環境無污染

(3)能量回饋，快速制動。

AB電流型高壓變頻器固有能量回饋能力，可將降速工況(發電機運行狀態)下負載反饋回的能量回送電網，利用再生制動快速降低電機轉速。電流型變頻器具有電流內環，可利用強大的電流控制能力快速增加電機轉速，特別適用需頻繁快速調節的大慣性負載(風機)的控制。

(4)大屏液晶顯示，使用簡單，維護方便。

使用大屏幕顯示的操作員終端，中文界面。變頻器的狀態、輸入輸出變量、自診斷結果、故障報警均可顯示在屏幕上，信息量大。通過終端上的鍵盤，可輕松對變頻器進行參數設置及工作方式的組態，使用簡單。

濾網的清洗更換可不停電進行。沒有需要定期更換的器件(如電壓型變頻器中大量使用的3～4年壽命電解電容器)。

4 高壓變頻調速系統在變頻電機驅動系統中的應用趨勢

高壓水除鱗電機大多普通電動機驅動，隨著國家節能降耗的不斷進行，逐漸趨于采用變頻電機。主要原因有:當管道壓力滿足時，變頻器停止輸出，電機不轉，電力消耗為零，當管道壓力不足時，變頻器啟動，按照PLC PID輸出運行，變頻調速，節能明顯，并且投資省，占地小，基建快，符合環境保護的要求，變頻電機有較明顯的優勢和趨勢。

5 結語

高壓同步電動機及其變頻調速系統在唐鋼中厚板材有限公司軋鋼部兩線車間高壓水除鱗系統中的成功投入，取代了傳統的電機動力方式，節約了能源，改善了環境，展示了高壓變頻調速技術在高壓水除鱗系統中的良好應用，提高了公司動力裝備自動化水平，推進了節能環保改造進程。

參考文獻

[1]竺偉，陳伯時.高壓變頻調速技術[J].電工技術雜志，1999(3).

[2]陳伯時，陳敏遜.交流調速系統[M].北京:機械工業出版社，2005.