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　　摘 要：本文主要闡述了HARSVERT-A系列高壓變頻器在培燒煙氣凈化引風機控制中的實際應用，簡要說明了其功能和應用效果。

　　關鍵詞：高壓變頻技術、引風機、節能、諧波

　　一、前言

　　在現代大中型工礦企業中，高壓電機電能消耗占企業總電能用量的一半左右。雖然低壓變頻器在實際應用中已十分普遍，但由于高壓變頻技術復雜和電子器件耐壓限制，一直制約著其實際應用與推廣普及。近幾年來，隨著高壓變頻技術的日趨成熟和功率器件耐壓能力的突破，高壓變頻器的應用趨勢日益加快，其變頻節能效果也更加顯著。

　　本文以中鋁青海分公司炭素一二期焙燒煙氣凈化系統引風機應用北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-A06/100型高壓變頻器實施變頻改造為例，詳細闡述了國產高壓變頻器的應用情況。其成功應用充分證明國產高壓變頻在關鍵技術上已經取得實質性進展。隨著國內科技迅速發展和研究投資的不斷加大，高壓變頻器的研制已取得了長足的進步和發展，其產品的技術含量和質量已趕上世界同行的水平，而且價格低、性能優越、運行穩定，已贏得國內眾多企業的認可和好評。

　　二、系統配置

　　我廠炭素一二期焙燒煙氣凈化系統原來設計為4臺三相低壓異步電動機（Y355M-4型，315kW，562A，1476r/min）拖動，在日常生產中通常投運2-3臺（1臺備用）就能滿足焙燒煙氣凈化需要，因風機之間通過煙道并聯，其凈化系統負壓是通過各風機分煙道蝶閥開閉調節，其各個分煙道蝶閥開度只能憑操作人員實際經驗判斷和控制。另外，由于停運分機蝶閥泄露，導致凈化系統無效循環嚴重。針對這種問題，2005年，我廠提出了應用高壓風機、變頻調速控制的實施改造方案（如圖1），為提高凈化系統安全、可靠性，設計為一用一備系統。

圖1:焙燒煙氣凈化系統引風機控制配置圖

　　1.拖動設備

　　高壓異步電動機：YP7560-6型;1000kW;Ve=6300V，Ie=108.95A;ne=994r/min;cosφ=0.876;絕緣等級F級、Y接法、50Hz;熱態時允許啟動1次;冷態時允許啟動2次;蘭州電機有限責任公司制造。

　　2.離心引風機

　　型號：Y7-2X36-22F;338600m3/h（風量）;7500Pa（風壓）;ne=990r/min;配套電機1000kW。

　　3.變頻器結構與原理

　　2006年5月，我廠焙燒煙氣凈化引風機拖動系統進行了系統的改造和優化，其引風機、拖動電動機均進行了更新。電機拖動系統選用北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-A06/100型1000kW高壓變頻器控制，其變頻器主要由移相變壓器、功率逆變單元和控制器等三部分，其結構如圖2所示。

圖2：HARSVERT-A06/100型1000kW高壓變頻器結構圖

　　HARSVERT-A系列高壓變頻器采用功率逆變單元串聯多電平技術，為高-高電壓源型，6kV輸入，經變壓器降壓、移相得到中壓，再通過二極管整流、穩壓、IGBT逆變、電源疊加，得到6.3kV高壓交流電源，實現變頻控制目的，其原理如圖3所示。

圖3：6kV高壓變頻器（7組功率模塊串聯）系統結構圖

　　三、HARSVERT-A系列高壓變頻器特點

　　1.采用功率模塊串聯多電平電壓疊加技術

　　HARSVERT-A系列變頻器采用低壓變頻器串聯的方式實現高壓變頻控制，為多電壓源疊加型。其輸入側采用移相降壓型變壓器，實現多脈沖整流方式，其產生的諧波（高、低次）成分低于國際電網供電標準。在負載時，電網側功率因數能達到0.95以上。在輸出側采用多級PWM技術，dv/dt小，諧波少，其功率電路采用標準模塊化設計，更換方便，互換性強，90%的器件均為國產，性能穩定、價格低、易采購，十分適合國內企業高壓設備改造和新建項目選用。

　　2.功率單元選用低壓IGBT模塊為逆變器件

　　這種變頻器的功率單元采用低壓IGBT模塊作為逆變器件，與采用高壓IGBT的三電平變頻器比較，雖然功率器件數目較多，但在控制技術、制造工藝等方面十分成熟。其功率模塊為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得到單相交流輸出。每個功率模塊結構及電氣性能完全一致，可以互換，其原理結構如圖4所示。

圖4：6kV高壓變頻器功率模塊原理結構圖

　　3.采用高效降壓、移相變壓器

　　輸入側由降壓、移相變壓器給每組功率模塊供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，根據電壓等級和模塊串聯級數，通常由24、30、42、48脈沖系列等構成多級相疊加的整流方式，使電網側的電流波形得到顯著改善，不需要進行功率因數補償或加裝諧波抑制裝置。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，其控制技術類似于普通低壓變頻器。

　　4.輸出側結構獨特

　　輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過各個獨立功率逆變單元的PWM波形重組、疊加，以獲得階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，對輸出電纜、電機絕緣無損壞，可直接驅動普通高壓異步電機;另外，由于輸出側諧波成分小，不需要加裝濾波器，輸出電纜可大幅延長。因電機諧波損耗顯著減少，能較好地消除負載機械軸承和葉片振動現象。在運行中，若當某組逆變功率模塊工作異常或故障時，通過調整觸發控制脈沖信號，使該組模塊輸出短路，將故障單元旁路退出系統。這種情況下，只要使變頻器降額運行即可。因此，可大幅減少設備的異常停機和系統頻繁停、啟現象。

　　5.應用高速CPU控制器

　　變頻控制器由高速單片機處理器、人機操作界面和PLC等電路構成，其人機操作方式為標準操作面板界面。單片機實現PWM控制，人機操作界面能很方便地實現高壓變頻調速裝置與實際操作人員信息交流、監控信號傳輸等工作，其友好的全中文、模擬畫面能實時再現整個系統各項運行狀態參數，并具有使用方便、快捷、遠程監控和網絡化控制功能。PLC的應用很好地實現了系統開關信號的邏輯處理、多級保護措施的實施，大幅提升設備的保護、互鎖等安全等級。

　　通過光纖通訊技術實現控制器與功率單元之間的信號交換，可靠、安全地使低壓部分和高壓部分得到隔離，故系統具有相當高的安全性和抗電磁干擾性能。

　　6.控制方式先進

　　HARSVERT-A高壓變頻調速系統通常采用異地遠程控制，其變頻器的頻率設定可通過外部監控上位計算機給定（也可通過柜體操作面板），如主界面的加減速鍵或“頻率設定”設置運行頻率（如圖5所示）;也可用外部模擬信號直接給定，我廠一期凈化2臺風機就采用這種方式控制。由于變頻器控制系統設有PID調節功能，可很好地實現給定頻率升、降調速變化的平滑性和均勻性。變頻器啟動后運行于設定頻率（可選擇開環或閉環控制）。其實時狀態監控、啟動、停車、急停、復位、運行頻率設定、參數刷新、故障記錄查看等控制操作，均通過上位機完成。一臺微機可實現多臺變頻器操作、監控任務。

圖5：我廠二期凈化高壓變頻器頻率設定、參數監控界面

　　7.控制功能齊全

　　HARSVERT-A系列變頻器具有許多功能：其有關各項參數采用中文提示、整體備份和恢復;系統設有兩段頻率躲避區，可回避風機在某一頻率段（或點）工作時出現的共振、喘振等現象，根據不同負載啟動需要，系統設有不同的轉矩提升控制。終端監控系統設有故障定位和查詢功能，異常或輕微故障時會在主界面實時提供報警信息。較大故障發生時，系統會自動彈出故障界面，直接顯示故障位置和名稱。維修人員可通過故障界面查詢故障歷史信息，系統設有波形顯示功能，查看運行中的波形質量，可及時調整系統功率因數。設有運行數據自動記錄功能，變頻器運行時各項參數包括給定頻率、電機轉速、輸入電流、輸出電流、輸入電壓、輸出電壓、系統狀態操作等信息自動記錄、存貯（如圖6所示）;系統自診斷功能，其內核能自動檢測核心主控制器、可編程序邏輯PLC及上位機等當前的狀態，輔助分析各控制器間的通訊情況。

圖6：運行數據記錄顯示

　　8.系統散熱設計合理

　　HARSVERT-A系列變頻器的熱量損耗主要包括變壓器柜和功率柜兩部分。變壓器采用H級干式變壓器標準設計，絕緣材料能夠耐受180℃的高溫，其冷卻系統采用增加柜頂風機提高變壓器柜的冷卻風量來達到降低設備自身溫度，在45℃環境溫度下，變壓器工作允許溫度可達110℃。如我廠夏季最高氣溫為31℃，在自然通風的室內，環境溫度為19℃左右，當風機負荷達到96%時，較長時間（4-8小時）運行后，其變壓器線圈溫度只有42℃，這遠遠低于設計要求。因而在高海拔地區，高壓變頻器不需要考慮降容使用問題。

　　功率柜也是變頻器運行中發熱體之一。功率器件IGBT的最大允許運行溫度（外殼溫度）不允許超過85℃，過高的溫升會導致管壓降加大、熱損耗增加，形成惡性循環引起器件內熱量累積，導致因溫度過高而燒毀。故功率器件的散熱關系到系統的安全可靠性問題。HARSVERT-A系列變頻器選用先進的功耗最小的功率器件，利用器件并聯的方式將熱量分散、增大有效散熱面積，解決了多器件內熱量積累問題。其次選用熱傳導特性好、導熱率高的新型冷板釬焊散熱器，進一步提高了散熱效果。此外柜體設計為柵格濾網罩，采用透氣性好、韌度高的新型過濾合成絲綿，以降低進風風阻，采用冷卻風機冗余設計。

　　四、運行效果

　　自2005年8月，我廠一期2臺焙燒凈化引風機高壓變頻改造投運以來，經過3年多的長期、連續運行結果，其運行狀況良好，工作穩定，節電顯著，完全達到了改造預期目標，完全滿足焙燒煙氣凈化工藝控制需求，大幅提高了凈化效果，因連續多年排污不超標，得到了分公司和地方環保部門的獎勵。根據我廠每月電耗統計，焙燒煙氣凈化月電耗降低19%左右。我廠一期焙燒煙氣凈化風機變頻改造后的系統運行實際參數如下表所示。

　　附表：變頻調速控制風機后的凈化系統工作參數（一期系統）

　　五、結束語

　　應用HARSVERT-A型1000kW高壓變頻器實施焙燒煙氣凈化系統風機拖動系統改造，優化了煙氣凈化系統的工作性能，提高了煙氣凈化系統工藝效果，大幅降低了系統電能消耗;據統計，由于凈化系統風壓、流量的方便可調，其焙燒天然氣的消耗較改造前降低19m3/t;凈化系統總耗電減少13.7余萬kW·h/月。實踐證明，國產高壓變頻器控制技術和設計制造能力已十分成熟，可與進口同類產品抗衡，其價格只有同類進口產品的1/3，且具有備件易采購、維修及時、售后服務便利等優點，完全避免了進口變頻器維修困難的問題。

　　參考文獻：

　　[1] HARSVERT-A系列高壓變頻器操作使用說明手冊 北京利德華福電氣技術有限公司編寫，2005.1

　　[2] Power Smart TM 系列高壓大功率變頻調速裝置使用手冊，2006.8