一、前言
在現(xiàn)代大中型工礦企業(yè)中，高壓電機(jī)電能消耗占企業(yè)總電能用量的一半左右。雖然低壓變頻器在實(shí)際應(yīng)用中已十分普遍，但由于高壓變頻技術(shù)復(fù)雜和電子器件耐壓限制，一直制約著其實(shí)際應(yīng)用與推廣普及。近幾年來(lái)，隨著高壓變頻技術(shù)的日趨成熟和功率器件耐壓能力的突破，高壓變頻器的應(yīng)用趨勢(shì)日益加快，其變頻節(jié)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(tǒng)引風(fēng)機(jī)應(yīng)用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/100型高壓變頻器實(shí)施變頻改造為例，詳細(xì)闡述了國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的應(yīng)用情況。其成功應(yīng)用充分證明國(guó)產(chǎn)高壓變頻在關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。隨著國(guó)內(nèi)科技迅速發(fā)展和研究投資的不斷加大，高壓變頻器的研制已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，其產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量已趕上世界同行的水平，而且價(jià)格低、性能優(yōu)越、運(yùn)行穩(wěn)定，已贏得國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)的認(rèn)可和好評(píng)。
二、系統(tǒng)配置
我廠炭素一二期焙燒煙氣凈化系統(tǒng)原來(lái)設(shè)計(jì)為4臺(tái)三相低壓異步電動(dòng)機(jī)（Y355M-4型，315kW，562A，1476r/min）拖動(dòng)，在日常生產(chǎn)中通常投運(yùn)2-3臺(tái)（1臺(tái)備用）就能滿足焙燒煙氣凈化需要，因風(fēng)機(jī)之間通過(guò)煙道并聯(lián)，其凈化系統(tǒng)負(fù)壓是通過(guò)各風(fēng)機(jī)分煙道蝶閥開(kāi)閉調(diào)節(jié)，其各個(gè)分煙道蝶閥開(kāi)度只能憑操作人員實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判斷和控制。另外，由于停運(yùn)分機(jī)蝶閥泄露，導(dǎo)致凈化系統(tǒng)無(wú)效循環(huán)嚴(yán)重。針對(duì)這種問(wèn)題，2005年，我廠提出了應(yīng)用高壓風(fēng)機(jī)、變頻調(diào)速控制的實(shí)施改造方案（如圖1），為提高凈化系統(tǒng)安全、可靠性，設(shè)計(jì)為一用一備系統(tǒng)。
圖1:焙燒煙氣凈化系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)控制配置圖
1.拖動(dòng)設(shè)備
高壓異步電動(dòng)機(jī)：YP7560-6型；1000kW；Ve=6300V，Ie=108.95A；ne=994r/min；cosφ=0.876；絕緣等級(jí)F級(jí)、Y接法、50Hz；熱態(tài)時(shí)允許啟動(dòng)1次；冷態(tài)時(shí)允許啟動(dòng)2次；蘭州電機(jī)有限責(zé)任公司制造。
2.離心引風(fēng)機(jī)
型號(hào)：Y7-2X36-22F；338600m3/h（風(fēng)量）；7500Pa（風(fēng)壓）；ne=990r/min；配套電機(jī)1000kW。
3.變頻器結(jié)構(gòu)與原理
2006年5月，我廠焙燒煙氣凈化引風(fēng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的改造和優(yōu)化，其引風(fēng)機(jī)、拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)均進(jìn)行了更新。電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)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(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2：HARSVERT-A06/100型1000kW高壓變頻器結(jié)構(gòu)圖
HARSVERT-A系列高壓變頻器采用功率逆變單元串聯(lián)多電平技術(shù)，為高-高電壓源型，6kV輸入，經(jīng)變壓器降壓、移相得到中壓，再通過(guò)二極管整流、穩(wěn)壓、IGBT逆變、電源疊加，得到6.3kV高壓交流電源，實(shí)現(xiàn)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(lián)）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
三、HARSVERT-A系列高壓變頻器特點(diǎn)
1.采用功率模塊串聯(lián)多電平電壓疊加技術(shù)
HARSVERT-A系列變頻器采用低壓變頻器串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)高壓變頻控制，為多電壓源疊加型。其輸入側(cè)采用移相降壓型變壓器，實(shí)現(xiàn)多脈沖整流方式，其產(chǎn)生的諧波（高、低次）成分低于國(guó)際電網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)。在負(fù)載時(shí)，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)能達(dá)到0.95以上。在輸出側(cè)采用多級(jí)PWM技術(shù)，dv/dt小，諧波少，其功率電路采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，更換方便，互換性強(qiáng)，90%的器件均為國(guó)產(chǎn)，性能穩(wěn)定、價(jià)格低、易采購(gòu)，十分適合國(guó)內(nèi)企業(yè)高壓設(shè)備改造和新建項(xiàng)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(shù)目較多，但在控制技術(shù)、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(cè)為二極管三相全橋，通過(guò)對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到單相交流輸出。每個(gè)功率模塊結(jié)構(gòu)及電氣性能完全一致，可以互換，其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4：6kV高壓變頻器功率模塊原理結(jié)構(gòu)圖
3.采用高效降壓、移相變壓器
輸入側(cè)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(jù)電壓等級(jí)和模塊串聯(lián)級(jí)數(shù)，通常由24、30、42、48脈沖系列等構(gòu)成多級(jí)相疊加的整流方式，使電網(wǎng)側(cè)的電流波形得到顯著改善，不需要進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償或加裝諧波抑制裝置。由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，其控制技術(shù)類似于普通低壓變頻器。
4.輸出側(cè)結(jié)構(gòu)獨(dú)特
輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)各個(gè)獨(dú)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(duì)輸出電纜、電機(jī)絕緣無(wú)損壞，可直接驅(qū)動(dòng)普通高壓異步電機(jī)；另外，由于輸出側(cè)諧波成分小，不需要加裝濾波器，輸出電纜可大幅延長(zhǎng)。因電機(jī)諧波損耗顯著減少，能較好地消除負(fù)載機(jī)械軸承和葉片振動(dòng)現(xiàn)象。在運(yùn)行中，若當(dāng)某組逆變功率模塊工作異常或故障時(shí)，通過(guò)調(diào)整觸發(fā)控制脈沖信號(hào)，使該組模塊輸出短路，將故障單元旁路退出系統(tǒng)。這種情況下，只要使變頻器降額運(yùn)行即可。因此，可大幅減少設(shè)備的異常停機(jī)和系統(tǒng)頻繁停、啟現(xiàn)象。
5.應(yīng)用高速CPU控制器
變頻控制器由高速單片機(jī)處理器、人機(jī)操作界面和PLC等電路構(gòu)成，其人機(jī)操作方式為標(biāo)準(zhǔn)操作面板界面。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM控制，人機(jī)操作界面能很方便地實(shí)現(xiàn)高壓變頻調(diào)速裝置與實(shí)際操作人員信息交流、監(jiān)控信號(hào)傳輸?shù)裙ぷ鳎溆押玫娜形摹⒛M畫(huà)面能實(shí)時(shí)再現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并具有使用方便、快捷、遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制功能。PLC的應(yīng)用很好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理、多級(jí)保護(hù)措施的實(shí)施，大幅提升設(shè)備的保護(hù)、互鎖等安全等級(jí)。
通過(guò)光纖通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制器與功率單元之間的信號(hào)交換，可靠、安全地使低壓部分和高壓部分得到隔離，故系統(tǒng)具有相當(dāng)高的安全性和抗電磁干擾性能。
6.控制方式先進(jìn)
HARSVERT-A高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)通常采用異地遠(yuǎn)程控制，其變頻器的頻率設(shè)定可通過(guò)外部監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)給定（也可通過(guò)柜體操作面板），如主界面的加減速鍵或“頻率設(shè)定”設(shè)置運(yùn)行頻率（如圖5所示）；也可用外部模擬信號(hào)直接給定，我廠一期凈化2臺(tái)風(fēng)機(jī)就采用這種方式控制。由于變頻器控制系統(tǒng)設(shè)有PID調(diào)節(jié)功能，可很好地實(shí)現(xiàn)給定頻率升、降調(diào)速變化的平滑性和均勻性。變頻器啟動(dòng)后運(yùn)行于設(shè)定頻率（可選擇開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制）。其實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、啟動(dòng)、停車、急停、復(fù)位、運(yùn)行頻率設(shè)定、參數(shù)刷新、故障記錄查看等控制操作，均通過(guò)上位機(jī)完成。一臺(tái)微機(jī)可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻器操作、監(jiān)控任務(wù)。
圖5：我廠二期凈化高壓變頻器頻率設(shè)定、參數(shù)監(jiān)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(guān)各項(xiàng)參數(shù)采用中文提示、整體備份和恢復(fù)；系統(tǒng)設(shè)有兩段頻率躲避區(qū)，可回避風(fēng)機(jī)在某一頻率段（或點(diǎn)）工作時(shí)出現(xiàn)的共振、喘振等現(xiàn)象，根據(jù)不同負(fù)載啟動(dòng)需要，系統(tǒng)設(shè)有不同的轉(zhuǎn)矩提升控制。終端監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有故障定位和查詢功能，異常或輕微故障時(shí)會(huì)在主界面實(shí)時(shí)提供報(bào)警信息。較大故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出故障界面，直接顯示故障位置和名稱。維修人員可通過(guò)故障界面查詢故障歷史信息，系統(tǒng)設(shè)有波形顯示功能，查看運(yùn)行中的波形質(zhì)量，可及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)功率因數(shù)。設(shè)有運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄功能，變頻器運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)參數(shù)包括給定頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入電流、輸出電流、輸入電壓、輸出電壓、系統(tǒng)狀態(tài)操作等信息自動(dòng)記錄、存貯（如圖6所示）；系統(tǒng)自診斷功能，其內(nèi)核能自動(dòng)檢測(cè)核心主控制器、可編程序邏輯PLC及上位機(jī)等當(dāng)前的狀態(tài)，輔助分析各控制器間的通訊情況。
圖6：運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄顯示
