高压变频器在高炉冷却水泵组上的应用

高压变频器在高炉冷却水泵组上的应用

文章介绍高压变频技术在高炉冷却水系统上的节能应用及控制技术。

标签：高压变频器；自动控制；应用

1 高压变频器的原理和控制技术分析

1.1 多重化单元串联式技术在高压变频控制中的应用

高压变频控制实现的主电路方面，得到普遍关注并取得了较好实现效果的是多重化单元串联式技术的应用。就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，以高速微处理机和光导纤维实现控制和通信。该技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。它由多个低压功率单元串联而成，通过低压功率单元的输出叠加起来得到高压。

所有的功率单元都接收来自同一个中央控制器的指令，这些指令通过光纤电缆传输以保证绝缘等级达到6kv以上。为功率单元提供电源的变压器次级绕组在绕制时相互之间有一定的相位差，这样消除了大部分由独力功率单元引起的谐波电流，所以初次电流近似为正弦波，因而功率因数较高，满载时可达到95%，对电网谐波污染小，输入电流谐波畸变小于4%，电网输入电压波形畸变小于2%，无需谐波滤波器和功率补偿装置。

由于单元串联式多电平变频器的输入、输出波形好，对电网的谐波污染小，输出适用普通电动机，近几年发展迅速，逐渐成为高压变频调速的主流方案。同时，功率单元旁路方案大大提高了单元串联式多电平变频器的可靠性，从很大程度上弥补了元器件个数多且导致可靠性降低的问题。单元串联结构决定了这类变频器很容易实现模块化设计，适合大批量生产，形成产业化规模。

1.2 单元串联多重化变频器的优点是

1.2.1 由于采用功率单元串联，可采用技术成熟，价格低廉的低压IGBT组成逆变单元，通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求。

1.2.2 完美的输入输出波形，使其能适应任何场合及电机使用。

1.2.3 由于多功率单元具有相同的结构及参数，便于将功率单元做成模块化，实现冗余设计，即使在个别单元故障时也可通过单元旁路功能将该单元短路，系统仍能正常或降额运行。

2 高压变频器在高炉冷却水泵组上的应用

2.1 现场工艺及设备概况

某炼铁环水泵站3号泵组共计两台泵，一备一用，采用母管制供水。冷却泵从吸水池取水，将一定的压力和流量的冷却水供给高炉冷却壁和热风炉热风阀冷却用，以达到满足高炉冷却水生产要求的目的。

2.1.1 设备参数

系统采用了广州智光电机有限公司生产的ZINVERT-A6H1250/06Y型高压变频器。

2.1.2 高压变频器的主回路设计原理

通过变频调速调节水泵出力以满足工况需要。采用一拖二自动旁路方案。变频器安装于室内，采用风冷管路散热。

系统基本原理：如图是在一备一用两台泵双路电源情况下，一拖二自动旁路的典型方案，它是由四个高压隔离开关QS1～QS4和六个真空接触器组成。其中QS1和QS2，QS3和QS4，KM1～KM6做电气联锁。如果M1工作在变频状态，M2可以在工频状态备用；相反如果M2工作在变频状态，则M1可以在工频状态备用；如果检修变频器，两台水泵都可以工频运行。正常情况下，允许任一电机工作在变频状态。

变频运行中出现故障情况时：

（1）如果变频设备运行中出现故障，设备通过真空接触器自动从变频运行状态切换到工频运行状态（即自动旁路），实现电机工频运行。同时给控制室发出声光报警信号，以提示值班人员手动调节泵出口阀门开度，保证母管供水压力的稳定。系统从变频运行状态自动切换到工频状态的切换时间小于2秒，切換时能保证水泵不用停机、供水不间断。切换时不允许QF1（QF2）开关动作。

（2）功率单元是变频器核心部件，为此设计时对功率单元配置单元旁路功能，如果变频器模块内部出现故障时，变频器可将故障单元旁路掉继续运行，不能造成突然停机的情况发生。变频器采用5+1备份，旁路掉一个单元不会影响变频器的输出功率。

（3）如果仪表出现测量误差：为保证系统的稳定性，变频运行时可以在变频器监控界面中设定变频器最低运行频率值，这样就可以防止闭环控制系统因检测、传输过程中出现的可能信号失真造成水泵无法满足高炉供水的情况发生。

（4）控制电源出现故障：为变频器提供的交流控制电源掉电时，变频器可以通过内部配置UPS供电使控制系统继续运行达30分钟。

2.2 系统控制方案

由安装于母管上的两个压力变送器提供4～20mA输入控制量，变频器通过内部运算实现系统闭环运行。本地控制：利用系统控制器上的键盘、控制柜上的按钮、电位器旋钮等就地控制。远方控制：系统提供数字和模拟输入接口，由上位机实现监测和控制。

2.3 节电效果

针对炼铁高炉冷却泵各工况所需水流量的不同，用变频器调节电机转速来调节供水母管压力使之恒定，达到闭环控制目的，实现降低电机运行频率节能目的。改造前后，运行参数水压、流量相同的条件下每天节电2000KWH，水泵电机电流由95降至75A，年节约电量72万，节电率达13%左右。

间接效益评价：

（1）高压变频器在工频以下连续改变电源频率实现电机软启动，启动比较平滑，减小启动电流对电机、轴承、风机的冲击，延长设备寿命。

（2）由于高压变频器能根据冶炼工艺各个阶段控制风机引风量，减小电炉热量损失，间接节约能源。

（3）电机振动因转速降低而减小，降低风机运行噪声，改善设备运行环境。

（4）高压变频器为高-高电压源型单元串联多电平结构，功率因数可高达0.95，降低了电网侧的谐波污染。

3 结束语

结合钢铁行业生产工艺流程可看出，在各个生产流程中，高压电机应用变频改造同样能起到节能减排的显著效果。诸如焦化、烧结、炼铁高炉、炼钢电炉、精炼炉中的除尘风机、通风机、煤气鼓风机、供水泵等。同时也减少了对环境的污染，给生产经营带来了巨大综合效益。