高壓變頻器在除鱗水泵中的應用

摘要：本文對東方日立（成都）電控設備有限公司的DHVECTOL-DI系列高壓大功率變頻裝置的原理和技術特點進行了基本介紹，并對單元串聯多電平高壓變頻器的變換形式，移相變壓器的功能、功率單元的組成等進行了分析。

關鍵詞：高壓變頻器；移相變壓器；IGBT逆變橋

中圖分類號：TM921.51文獻標識碼：A文章編號：1674-7712 (2014) 08-0000-01

西昌鋼釩熱軋廠粗軋高壓水除鱗系統高壓電機傳動裝置，選用東方日立（成都）電控設備有限公司DHVECTOL-DI系列無電網污染高壓大功率變頻器，粗軋高壓水除鱗系統共有三臺機組（電機10kV，800kW），工作時二用一備。擔任向爐后除鱗箱入口和出口、粗軋機入口和出口共四個除鱗點供水。這四個除鱗點噴射用水的特點是，噴射時間短，正常軋鋼生產時，有多個噴射閥站同時噴射，瞬間需要大流量供水。因此該系統工藝要求變頻器的特點：1）能快速啟動。2）該系統工況根據軋線的軋制節奏工藝要求，頻繁在高低速升降（3次/每分鐘），以滿足系統生產要求。在由高頻率轉換到低頻率運行時，要求降速時間長，在降速的過程中，如果接收到升速信號，立即升速。3）要求變頻器達到：從15HZ加速到50HZ在8-10秒內完成；變頻器過載能力125%。

一、除鱗水泵的控制特點

粗軋除鱗系統由低壓進水管路、自清洗過濾器、低壓緩沖罐、除鱗泵組、高壓管路、高壓閥門、高壓蓄能器組、噴射閥站組成。根據軋制工藝要求，兩臺除鱗泵起動順序定義為先1#泵后2#泵。1#除鱗泵主電機起動完成后，蓄能器最低液面閥的電磁閥雖然已經自動得電，但由于前后兩端的壓力差比較大，最低液面閥并未打開，最低液面閥的開接近開關還沒有置“1”，因此，此時需自動將1#除鱗泵自動提速至50Hz，直到最低液面閥的開接近開關置“1”，此后第一臺泵一直在“高速”（根據工藝要求設定的最高工作壓力來調整）運行至待機狀態，然后將２#泵啟動以“低速”（20Hz）運行至待機狀態。

當軋線上鋼坯到達并且只有一個除鱗點噴射時，此時蓄能器與1#泵同時給軋線除鱗點供水，當鋼坯離開除鱗點噴射閥關閉時，1#泵給蓄能器補水至泵的出口壓力與系統壓力相等。

當軋線上有兩點同時除鱗時，2#泵接到升速信號8秒內升頻至“高速”，與原在“高速”的1#泵及蓄能器同時給軋線除鱗點供水，當軋線的鋼坯離開一個除鱗點，其噴射閥關閉時，2#泵退出高速，1#泵繼續完成噴射和向蓄能器補水工作。

當軋線上長時間不需要除鱗時，將1#泵降速至“低速”（20Hz）運行到待機狀態，直到軋線需要除鱗時升頻至“高速”。

二、除鱗泵變頻調速系統構成

變頻調速系統由控制柜、功率單元柜、變壓器柜和旁通柜組成，其一次回路如圖1所示。

圖1變頻調速系統結構示意圖

圖中QS1和QS2為隔離刀閘，QS1為單刀單擲，QS2為單刀雙擲。變頻器的輸出端配有PT，用來檢測變頻器的輸出電壓。當要使用變頻器時，先將QS1合通，QS2置為變頻狀態，再由變頻器給出用戶開關合閘允許信號，QF1合通，變頻器進入充電狀態，充電完成后就可以正常啟動變頻器。

（一）控制柜

主控系統是整機控制的核心部分，擔負著變頻器工作的指揮中心作用，具備所需要的各類通信、遠控功能。柜內安裝有主控箱、PLC、繼電器、電源開關、UPS等部件，控制柜面板上安裝有人機界面、指示燈、緊急分閘開關和遠程/就地切換開關等。

主控系統包括主控板及其輸入輸出接口。主控板以INTEL公司高性能單片機為控制核心，輔以一個EPROM存儲器存儲主控程序，另外使用一個NVRAM存儲器存儲用戶設置的現場運行數據。主控板和光通訊主板之間通過專用電纜進行數據傳輸。光通訊主板通過光纖和單元之間進行通信，向各個功率單元傳輸PWM信號，并返回各個功率單元狀態信息。主控板和液晶顯示界面之間使用光纖連接，液晶及面板鍵盤實現人機界面功能。顯示內容有系統狀態、運行狀態、功能參數值、故障記錄等。通過面板上的功能鍵，可以實現系統運行、停機、復位及功能參數設定和記錄查詢。如圖2所示：

圖2控制系統示意圖

（二）功率單元柜

1.功率單元的結構

功率單元主要由輸入熔斷器、三相全橋整流器、濾波電容器組、IGBT逆變橋、直流母線和旁通回路構成，同時電子控制部件還包括電源、驅動、保護監測、通訊等組件組成的控制電路。單元結構如圖3所示。

圖3變頻器單元結構

變頻器的所功率單元具有完全相同的結構，可以互換。每一個功率單元由移相變壓器的一組副邊供電，通過三相全橋整流器將交流輸入變為直流，并將能量儲存在電容器組中。電子控制部件接收主控系統發送的PWM信號并通過控制IGBT的工作狀態，輸出PWM電壓波形。監控電路實時監控IGBT和直流母線的狀態，將狀態反饋回主控系統。在某一個功率單元出現重故障時，主控將打開該功率單元的旁通回路，使該功率單元進入旁通狀態，而整個變頻器可以繼續工作，當引起旁通的故障原因消失之后，變頻器退出旁通并自動恢到原工作狀態。

2.功率單元H型橋接

將變頻器輸出每一相的8個功率單元依次串聯，如圖3-4所示，功率單元A1的輸出A1R連到功率單元A2的輸出A2L，功率單元A2的輸出A2R與A3單元的輸出A3L連接，依次類推，功率單元A7的輸出A7R與A8單元的輸出A8L連接。B、C相同理，最后將A1、B1、C1三個單元的輸出A1L、B1L、C1L連在一起作為變頻器的中點，將A8、B8、C8三個單元的輸出A8R、B8R、C8R與電機連接。

圖4功率單元的串聯

（三）變壓器柜

柜內裝有移相變壓器，為各個功率單元提供較低的交流輸入電壓，同時通過移相技術，使變頻器電網輸入側的功率因數提高到0.95以上，并將電網輸入側的諧波總量降低到4％以下。

移相變壓器在設備中主要有三個功能：一是將輸入高壓變成為低壓，從而可以用低壓的電力電子器件直接逆變；二是起到高壓和低壓間以及低壓各繞組間相互絕緣的作用，從而使得各低壓單元的輸出可以直接相串聯而無需擔心短路和環流的問題；三是可以通過將低壓各繞組移相，達到移相多重化整流的目的，從而使輸入電流諧波急劇減小，使變頻器對電網基本上沒有干擾。

移相變壓器電氣原理如圖5所示：變壓器原邊繞組為10kV，副邊共24個繞組分為三相。每相移相組數為8，各組間相位差為7.5o，每個繞組為延邊三角形接法，分別有多個移相角度，每個繞組接一個功率單元。

圖5移相變壓器電氣原理

（四）旁通柜

柜內主要布置了移相變壓器輸入浪涌/諧波吸收器、輸出電壓檢測PT、隔離刀閘。在變頻器故障情況下可執行工頻旁路功能。

三、存在問題及處理方法

變頻器采用風冷形式，但排風在電氣室內部，在夏季運行時因為環境溫度太高，變頻器經常出現“單元過熱”、“變壓器過熱”故障。通過對電氣室中央空調進行改進，定期清掃過濾網等措施，有效地排除了這一故障。

四、結束語

經過兩年來的運行，高壓變頻器表現出了良好的性能特性，完全能夠滿足生產快速響應的要求。采用變頻調速后，實現了電機的軟啟動，減少了電機啟動時的沖擊，可有效延長電機的使用壽命。

參考文獻：

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[2]張皓，續明進，楊梅.高壓大功率交流變頻調速技術[M].北京:機械工業出版社，2006.

[3]劉鳳君.環保節能型H橋及SPWM直流電源式逆變器[M].北京:電子工業出版社，2010(05).

[作者簡介]曹凌（1976.07-），男，畢業于昆明理工大學工業計算機技術及應用專業，現任攀鋼工程技術有限公司西昌分公司經營財務部部長，技術職稱為助理工程師，主要研究方向：設備管理、企業營銷與策劃。