高壓變頻器在冶金企業節能技術使用探析

堵三嶺

（1.河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067000；2.河北省釩鈦工程技術研究中心，河北 承德 067000）

我國是能源生產和消費大國，按照十二五的發展規劃，節能減排、實現可持續發展是國民經濟發展的長遠戰略方針。

冶金企業作為我國經濟命脈的支撐點之一，其造成的環境污染和能量損耗是不可忽視的。為了降低環境污染，減少電能的浪費，能夠提高電能的利用效率，高壓變頻技術隨著國家倡導的節能低碳政策的深化而得到了長遠的發展，此技術的成熟具有很大的節能潛力，在市場中的發展前景也非常廣闊。

對于冶金企業來說，對大容量的煉鋼除塵風機、冷軋氫氣加壓機、鍋爐給水泵以及起重設備、熱軋、冷軋設備等進行高壓變頻改造是生產節能的重要方式[1]。本文設計一種高壓變頻器在冶金企業生產中的節能技術，期望能夠為冶金企業節能減排，節約成本。

1 高壓變頻器在冶金企業節能技術使用探析

1.1 建立高壓變頻節能技術的拓撲結構

高壓變頻器以級聯式多電平結構為基礎，將輸入的三相高壓交流電轉換為低壓后輸入到功率單元模塊，提高電流諧波性能。在輸出方式中，采用了SPMW載波移相方式，通過降低dv/dt來提高輸出的諧波的性能。在10KV高壓變頻器的拓撲結構中，三相交流電源通過移相變壓器后，由功率單元疊加生成高壓再接到10KV電機中，功率單元疊加的數量越多，電源的輸出等級越高。功率單元通過光纖接收信號，其控制模塊Q1-Q4導通或關斷后，會輸出單相脈寬調制波形。在10KV的變頻器中，通過內置的主控系統控制功率單元的可控硅開度，每相串聯的單元數為8個，單元的額定電壓為690V，輸出相電壓為5520V，輸出線電壓約為10KV。高壓變頻器滿載時降容率為20%，橫轉矩負載頻率低于40Hz，風機水泵類負載頻率低于46.5Hz時，通過控制高壓變頻器的輸出頻率來控制電機的電壓，達到控制電機轉速的目的。每個功率單元都會有三種輸出電壓狀態，經過二重化載波移相SPWM調制，輸出1、0、-1三種狀態電平，控制模塊也會有三種不同的搭配類型，分別為Q1Q4導通、Q2Q3導通、Q1Q2導通或Q3Q4導通。

其中的移相變壓器原邊為Y型接線，與高壓電源相連后，其具有的干式結構能夠實現自動強迫風冷。輸出電壓決定了副邊繞組的數量，本文10KV電機配備24個二次繞組，移相角度為60°除以每相單元數量的值為7.5°。每個功率單元模塊輸出一個單相的交流電源，本文使用的是8級串聯，將功率單元模塊在頻率50HZ時輸出額定690V的交流電源，每8個疊加組成一相位5520V，相對應的線電壓約為10KV。

1.2 確定變頻的控制方式

高壓變頻器不僅可以通過調節速度實現節能，還可以提高電機功率因數達到節能的目的。由于設備在運行的過程當中，為了使電機產生額定的轉矩和速度，會出現一部分無功功率，不僅造成線損和設備發熱，還會降低設備有功功率，使電能的使用效率低下[2]。

因此提高電機的功率因數可以降低無功功率的損耗，進一步提高電能的利用率。冶金企業使用的普通電機中，功率因數一般在0.7～0.85之間，使用變頻調速裝置后，使用直接轉矩控制，將電機與逆變器整合，采用空間電壓矢量分析方法計算磁通和轉矩，并利用電動機的瞬時輸入電壓完成電動機定子磁鏈瞬時轉速的控制，改變轉子的平均轉差率，完成電動機直接輸出的控制。對一個帶整流橋的SPWM變頻器而言，通過它的開關狀態直接控制轉矩，由于變頻器內部濾波電容的作用，改變瞬時輸入電壓來控制電動機定子磁鏈的瞬時旋轉速度，而輸出則會產生一個電感的功率因數，改變它對轉子的瞬時轉差率，從而達到提高功率因數的目的。

1.3 設計變頻運行的保護措施

為了保證變頻節能技術在運行過程中的安全性，要對高壓變頻器設置過電壓、過電流、短路保護等措施。高壓變頻器功率大，結構復雜，在長期運行過程中會受到諧波、內部元件等因素的干擾，影響其穩定運行。出現故障會導致設備停運，甚至出現短路著火等事故，為企業帶來經濟損失，造成惡劣的社會影響。

因此在高壓變頻運行過程中，保護類型主要分為輕故障保護和重故障保護。觸發輕故障保護時會發送警告信息，設備可以正常運行；當觸發重故障保護時，設備會自動切斷高壓電源并啟動聲光報警。在保護配置中，采用移相變壓器溫控儀進行過熱保護，采用功率單元柜測溫點進行超溫跳閘保護。此外還有柜門聯鎖保護、光纖通訊故障保護、輸入過流保護以及單相接地故障保護等。因此在工頻運行狀態下，首先要啟動判別保護分析，然后觸發電流速斷保護分析，根據實際情況，選擇反時限保護和堵轉反時限保護，并根據跳閘的動作原理和原因進行檢查，確定故障范圍，保證應用了高壓變頻節能技術的設備在出現故障時，能夠可靠動作、及時報警并切除故障點。至此完成高壓變頻器在冶金企業節能技術的研究。

2 高壓變頻節能效益分析

為了驗證本文設計的高壓變頻器節能技術具有一定的有效性，選擇某冶金企業的大型設備進行實驗。測試某設備在改變負荷的情況下連續作業，每個負荷狀態的持續運行時間設置為2小時。首先在設備上加載負荷，等到設備平穩運行后開始計時，記錄2小時內不采用節能技術下的電機轉速與功率的平均值；然后搭載高壓變頻節能技術，記錄2小時內的電機轉速與功率。對比記錄的采用節能技術前后的電機轉速與功率數據，并進行總結和分析。下表為使用高壓變頻器節能技術前后的設備運行參數：

表1 設備使用高壓變頻器節能前后運行參數比較

在高壓變頻器投入使用后，企業生產運行穩定，從上表的技術數據可以看出，隨著負荷的減少，使用了節能技術后，電機的轉速也隨之減少，電機功率有明顯的下降，節能效果非常明顯，說明設計的節能技術具有一定的實踐應用性。

3 結語

冶金企業在國民經濟中的地位非常重要，且規模大，生產過程高度自動化，生產模式也是高效、連續的。但是冶金車間環境惡劣，且需要不間斷運行。為了響應國家節能、低碳生產政策導向，對高壓變頻節能技術嫁接在冶金企業是必然的，也是重要的舉措。本文通過分析高壓變頻器的節能原理，確定了節能技術的在冶金企業中的可行性和經濟性。但是就目前的形勢來說，冶金企業在風機、水泵中應用到高壓變頻技術實現節能的情況比較多，軋機設備還有待于進一步的發展，因此高壓變頻節能技術在冶金行業中的應用前景非常廣闊。