1　前言 　　河北邯鄲鋼鐵廠8萬煤氣柜外送煤氣加壓機(jī)其工藝要求上是給邯鄲鋼鐵廠西部煤氣管網(wǎng)配比轉(zhuǎn)爐煤氣，混合后煤氣供給三煉鋼、煤氣發(fā)電、和高爐、中板等多處同時(shí)供應(yīng)煤氣，用戶較多而需求量變化較大，同時(shí)受焦?fàn)t煤氣供給量的限制，使得加壓機(jī)調(diào)節(jié)量較頻繁。 　　邯鋼三煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收8萬煤氣柜1#、2#加壓機(jī)系統(tǒng)原設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)做法，即風(fēng)機(jī)以定速方式運(yùn)行，通過風(fēng)機(jī)擋板來調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)壓，其弊端主要表現(xiàn)為: （1）調(diào)節(jié)擋板前后壓差增加，工作安全特性變壞，壓力損失嚴(yán)重，造成能耗增加; （2）風(fēng)機(jī)定速運(yùn)行，擋板調(diào)整節(jié)流損失大，出口壓力高，系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi); （3）風(fēng)道壓力過高，威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能; （4）長期的40－70％開度，加速擋板自身磨損，導(dǎo)致?lián)醢蹇刂铺匦宰儾? （5）設(shè)備使用壽命短，日常維護(hù)量大，維修成本高，造成各種資源的浪費(fèi); （6）設(shè)備起動(dòng)沖擊電流大，需增加配電設(shè)備容量而增加投資; （7）與dcs不能直接配合，難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制與操作。 為此邯鄲熱力廠經(jīng)過多方調(diào)研、分析，于2005年11月20日采用2套由哈爾濱九洲電氣股份有限公司生產(chǎn)的power smarttm——高壓變頻調(diào)速控制裝置來控制三煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收8萬煤氣柜煤氣1#、2#加壓機(jī)機(jī)組，通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓。 2　改造前調(diào)節(jié)方式及存在的問題 　　改造前是通過調(diào)節(jié)機(jī)后擋板來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)擋板調(diào)到50％以下時(shí)，由于氣流不均，管道將會(huì)有喘振現(xiàn)象，管道震動(dòng)加大，所以在機(jī)后擋板開到一定開度必須打開回流擋板，使一部分煤氣再流回煤氣柜，這將浪費(fèi)一部分電能;同時(shí)用擋板調(diào)節(jié)流量時(shí)，是人為地增加了管網(wǎng)阻力，也將會(huì)多消耗一部分電能。 3　采用變頻調(diào)速裝置的特點(diǎn) 3.1　變頻調(diào)速裝置是通過改變電機(jī)電源的頻率，使電機(jī)在不同的頻率下運(yùn)行，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變 （1） 調(diào)速范圍寬，可以從零轉(zhuǎn)速到工頻轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)節(jié); （2） 在大電機(jī)上能實(shí)現(xiàn)小電流的軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)的方式可以根椐現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行調(diào)整; （3） 頻率的調(diào)整是根據(jù)電機(jī)在低頻下的壓頻比系數(shù)進(jìn)行電壓和頻率的輸出，在低轉(zhuǎn)速下，電機(jī)不僅是發(fā)熱量低，而且輸入電壓低，將使電機(jī)絕緣老化速度降低。 3.2　技術(shù)新穎 　　串聯(lián)多重化疊加技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了真正意義的高-高電力變換，無需降壓升壓變換，降低了裝置的損耗，提高了可靠性，解決了高壓電力變換的困難。串聯(lián)多重化疊加技術(shù)的應(yīng)用還為實(shí)現(xiàn)純正弦波、消除電網(wǎng)諧波污染開辟了嶄新的途徑。 3.3　性能指標(biāo)高 （1）高功率因數(shù)，達(dá)0.95以上，無需另加功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，避免了因無功帶來的損耗; （2）效率高，高達(dá)96%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶閘管大功率調(diào)速裝置; （3）符合ieee519-1992標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求，不對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，無需任何濾波裝置; （4）對(duì)電機(jī)不產(chǎn)生諧波污染，有效降低了電機(jī)的發(fā)熱量，噪聲與采用工頻供電時(shí)相近; （5）轉(zhuǎn)矩脈沖很低，不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)等機(jī)械設(shè)備的共振，同時(shí)也減少了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損; （6）輸出波形完美，失真度小于1% ; （7）電動(dòng)機(jī)的電應(yīng)力強(qiáng)度與采用工頻供電時(shí)相近，無需配備特殊電動(dòng)機(jī); （8）與電機(jī)的連接不受電纜長度的限制。 3.4　科技含量高 （1）采用大規(guī)模門陣列cpld電路，實(shí)現(xiàn)了pwm控制的高度實(shí)時(shí)性、快速性和準(zhǔn)確性; （2）兩光纖實(shí)時(shí)傳送技術(shù)，獲得了國家發(fā)明專利，使得控制單元與功率單元之間的通訊更加迅速、可靠; （3）特別設(shè)計(jì)的h橋逆變電路，已獲得了國家專利，為系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性提供了保障; （4）完善的功率單元旁通技術(shù)，已獲得了國家專利，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性; （5）控制部分采用高性能的dsp和fpga芯片，使得控制系統(tǒng)的性能大大提高，實(shí)現(xiàn)恒定v/f和恒轉(zhuǎn)矩控制，提升特性可任意設(shè)定，滿足各種機(jī)械啟動(dòng)及運(yùn)行的要求; （6）優(yōu)秀的dsp軟件數(shù)學(xué)模型，使得系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和效率大大提高。 4　power smarttm高壓變頻調(diào)速控制裝置系統(tǒng)技術(shù)方案 4.1　系統(tǒng)組成 　　power smarttm系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由切分移相干式變壓器柜、功率單元柜、控制單元柜、遠(yuǎn)控操作箱、旁路開關(guān)柜等部分組成。 4.1.1　切分移相干式變壓器 切分移相干式變壓器為變頻器的輸入設(shè)備，一般由鐵心、輸入繞組、屏蔽層、輸出繞組及冷卻風(fēng)機(jī)、過熱保護(hù)等部分構(gòu)成。 為了兼顧安全、防塵、維護(hù)以及美觀等要求，一般將其安裝在柜內(nèi)。 power smarttm系列高壓變頻器選用的變壓器，其絕緣等級(jí)為h極，絕緣材料部分選用進(jìn)口的美國杜邦公司優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，溫升可達(dá)150℃;真空浸漆，免維護(hù)。 變壓器的原邊為星形連接，在最內(nèi)側(cè)。副邊在外側(cè)，為沿邊三角形連接，根據(jù)不同的電壓等級(jí)，一般有9、18或27個(gè)三相的副邊繞組。在原副邊繞組之間另設(shè)有一層接地屏蔽層。副邊的三相繞組可分為三大組，分別供給功率單元柜中的三個(gè)相，每一大組中各個(gè)三相小繞組的輸出電壓幅值相同，之間的相位移有20°、10°或6.6°。 　　變壓器柜另配有溫度監(jiān)測(cè)裝置，在繞組溫度超過警戒溫度時(shí)能提供過熱警告信號(hào)和過熱故障信號(hào)。變壓器柜頂部裝有引風(fēng)機(jī)以排出變壓器在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量。柜門安裝有防塵網(wǎng)。 4.1.2　控制單元柜 　　主控制器的外觀如圖1所示。 [align=center] 圖1　主控制器的外觀[/align] 控制單元基本原理框圖如圖2所示。 [align=center] 圖2　控制單元基本原理框圖[/align] 　　控制單元柜主要由主控制器、溫控器、風(fēng)機(jī)保護(hù)器、人機(jī)界面（數(shù)碼管和彩色觸摸屏可選）、plc、嵌入式微機(jī)、開關(guān)電源、emi模塊、隔離變壓器、空氣開關(guān)、接觸器、繼電器、模擬量模塊、開關(guān)量模塊等組成。 　　主控制器由總線板、電源單元、cpu單元、接口單元、3個(gè)相控單元及開關(guān)量、模擬量的輸入、輸出子模塊等組成。它是變頻器的控制核心，由兩片dsp及多片fpga、clpd等構(gòu)成，通過優(yōu)質(zhì)光纖將pwm信號(hào)傳送到功率單元中，從而實(shí)現(xiàn)了高可靠的控制。 　　溫控器，可以接3個(gè)感溫探頭，來測(cè)試切分變壓器的溫度，并提供告警或保護(hù)節(jié)點(diǎn)。 　　風(fēng)機(jī)保護(hù)器，有3臺(tái)，用來監(jiān)控風(fēng)機(jī)的缺相、過流等。其中，接功率單元柜的為2臺(tái)，切分變壓器柜1臺(tái)。 　　plc，內(nèi)置pid調(diào)節(jié)模塊和程序，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。它還含有模擬量、開關(guān)量模塊，其路數(shù)可根據(jù)用戶要求進(jìn)行定制。 　　人機(jī)界面，設(shè)在控制單元柜前門上，用來提供設(shè)置、監(jiān)視和切換等操作。它分別有數(shù)碼管方式和彩色觸摸屏方式兩種，根據(jù)用戶需求可進(jìn)行選配，分別如圖3和圖4所示。 [align=center] 圖3　數(shù)碼管操作面板（以6kv為例） 圖4　液晶觸摸屏操作界面[/align] 4.1.3　功率單元柜 　　功率單元柜，一般由1～2臺(tái)柜構(gòu)成，主要由功率單元、電流互感器、輸出電壓檢測(cè)單元、風(fēng)道風(fēng)壓檢測(cè)裝置及高壓電纜等組成。 　　10kv系統(tǒng)功率單元共計(jì)27個(gè)，平均分屬3個(gè)相（自上而下分別為u,v,w），每相9個(gè)首尾相串，相間采用星形連接。電流互感器作為電流采集、處理、監(jiān)視及電流閉環(huán)用，共2只，分別串入功率單元星點(diǎn)連接處的u相和w相上。輸出電壓檢測(cè)單元，輸入端分別接至星形連接的3個(gè)相端。用來檢測(cè)輸出電壓等信息。風(fēng)道風(fēng)壓檢測(cè)裝置用來實(shí)時(shí)檢測(cè)冷卻風(fēng)道是否暢通，風(fēng)壓可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，它與風(fēng)機(jī)電腦保護(hù)器、溫控器一起共同組成變頻系統(tǒng)冷卻監(jiān)視系統(tǒng)，進(jìn)一步使變頻器熱量能夠及時(shí)傳導(dǎo)出去，確保變頻器可靠運(yùn)行。 　　不同功率和電壓等級(jí)的變頻器，所采用的功率單元的型號(hào)是不同的。 4.2　工作原理 　　變頻器工作原理如圖5所示。 [align=center] 圖5　變頻器系統(tǒng)工作原理圖 圖6　功率單元模塊電路構(gòu)成簡圖[/align] 　　如圖6所示，功率單元模塊由整流二極管、絕緣柵雙極性晶閘管（igbt）構(gòu)成的三相低壓輸入，單相輸出低壓的pwm電壓型逆變器。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，類似常規(guī)低壓變頻器。 　　power smarttm系列高壓變頻器是采用單元串聯(lián)多重化技術(shù)屬于電壓源型高-高式高壓變頻器，是利用低壓單相變頻器相互串聯(lián)，來彌補(bǔ)功率器件igbt的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個(gè)低壓功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的移相隔離變壓器來獨(dú)立供電。 以10kv高壓變頻器為例，10kv系列有27個(gè)功率單元，每 9個(gè)功率單元相串聯(lián)為一相（見圖6）。每個(gè)單元的輸入電壓為三相650v，輸出則為單相650v，單元相互串聯(lián)疊加后可輸出相電壓5850v。當(dāng)變頻器輸出頻率為50hz時(shí)，相電壓為19階梯波，如圖7所示。圖7中ua1 … ua9分別為a相9個(gè)功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器a相輸出電壓ua0。圖7中顯示出了生成pwm控制信號(hào)時(shí)所采用a相參考電壓uar，可以看出ua0很好地逼近uar。uaf為a相輸出電壓中的基波成分。 [align=center] 圖7　單元串聯(lián)相電壓波形的生成[/align] 　　由于變頻器中點(diǎn)與電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)不連接，變頻器輸出實(shí)際上為線電壓，由a相和b相輸出電壓產(chǎn)生的uab輸出線電壓可達(dá)10000v以上，為37階梯波。如圖7所示，為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形，uab不僅具有正弦波形而且臺(tái)階數(shù)也成倍增加，因而諧波成分及dv/dt均較小。 變頻器輸出的三相電壓加到電動(dòng)機(jī)上，產(chǎn)生電流使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的電壓和電流（實(shí)測(cè)波形）如圖8所示，可看出由于輸出電壓的諧波很小，電機(jī)電流接近于正弦波。 [align=center] 圖8　額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的電壓和電流（實(shí)測(cè)波形）[/align] 　　采用多重化疊加的方式，使變頻器輸出電壓的諧波含量很小，不會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的附加諧波發(fā)熱。其輸出電壓的dv/dt也很小，不會(huì)給電機(jī)增加明顯的應(yīng)力，因此可以向普通標(biāo)準(zhǔn)型交流電動(dòng)機(jī)供電，而且無需降容使用。由于輸出電壓的諧波和dv/dt都很小，不需要附加輸出濾波器，輸出電纜也無長度要求。由于諧波很小，附加的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也很小，避免了由此引起的機(jī)械共振，傳動(dòng)系統(tǒng)及軸承的磨損也大為降低。 5　技術(shù)方案 　　三煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收8萬煤氣柜煤氣1#、2#加壓機(jī)風(fēng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用中主電路如圖9所示。 [align=center] 圖9　主回路方案圖[/align] 　　當(dāng)變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)需要手動(dòng)轉(zhuǎn)入工頻電網(wǎng)中，電機(jī)全功率運(yùn)行，（也可以自選擇采用手動(dòng)或者自動(dòng)相切換的方案）。本方案中 qs1和qs2、qs3分別為電機(jī)工頻、變頻運(yùn)行選擇隔離開關(guān)。各隔離刀閘之間要求用程序?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)格可靠的機(jī)械互鎖和電氣閉鎖，以防止誤操作，同一狀態(tài)只允許qs1閉合工作或qs2和qs3閉合工作。 6　實(shí)際應(yīng)用設(shè)備參數(shù) 　　三煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收8萬煤氣柜煤氣1#、2#加壓機(jī)風(fēng)機(jī)實(shí)際參數(shù): （1）風(fēng)機(jī)型號(hào)為01100-11，其性能如表1所示。 [align=center]表1　風(fēng)機(jī)參數(shù) [/align] （2）異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為yaksp500-2，其性能如表2所示。 [align=center]表2　異步電動(dòng)機(jī)參數(shù) [/align] （3）變頻器參數(shù) 名稱:高壓大功率變頻調(diào)速裝置 型號(hào):jzhicon-ia-10/075; 額定輸入電壓:10000v; 額定輸出電壓:10000v; 額定輸出頻率:50hz; 額定功率:1250kva; 額定輸出電流:75a; 輸出頻率調(diào)節(jié)范圍:0～50 hz; 生產(chǎn)廠家:哈爾濱九洲電氣股份有限公司。 7　節(jié)能情況分析 7.1　電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行工況對(duì)比，對(duì)比參數(shù)如表3所示 [align=center] 表3　工、變頻運(yùn)行時(shí)參數(shù)對(duì)比[/align] 　　在現(xiàn)有負(fù)荷下，工頻運(yùn)行，實(shí)測(cè)電動(dòng)機(jī)電流:35-40a，運(yùn)行頻率:50hz，出口擋板開度:50% 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)的工況: 　　變頻器一次電壓10kv，平均電流10-32a 　　電動(dòng)機(jī)電流:運(yùn)行頻率:30hz-40hz，　變頻器輸出電壓:6000-8000ｖ 　　輸出電流14-35a　　 　　出口擋板開度:100% 7.2　電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)的耗電量 　　每小時(shí)耗電量:（35a÷59.4a）×850 kw×1h = 500 kw.h 　　每天耗電量:500 kw.h×24h = 12000 kw.h 　　每年耗電量:12000 kw.h×365天 = 4380000 kw.h 7.3　電動(dòng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速裝置后的節(jié)電量 　　每年節(jié)電量:4380000kw.h - 928560 kw.h = 3451440kw.h 7.4　平均節(jié)電率 　　3451440 kw.h÷5014141.4 kw.h = 70% 7.5　年節(jié)約電費(fèi)（每臺(tái)） 　　邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司綜合電價(jià)0.45元/ kw.h 　　年節(jié)約電費(fèi)（每臺(tái)）＝3451440 kw.h×0.45元/ kw.h＝1553148元＝155萬元 8　應(yīng)用效果 　　其主要應(yīng)用效果還有: （1）變頻起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)沒有任何沖擊。由于有變頻調(diào)節(jié)，對(duì)于風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)變頻軟起動(dòng)，風(fēng)機(jī)在低頻下啟動(dòng)，啟動(dòng)電流很小，啟動(dòng)時(shí)間延長，避免了原來在較大慣性負(fù)荷情況下，數(shù)倍的額定起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備的沖擊，有效延長了電機(jī)壽命。而且變頻還可以隨時(shí)起動(dòng)或停止; （2）按需調(diào)節(jié)風(fēng)量，避免浪費(fèi)。由于變頻器通過變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量而不再需要由風(fēng)門來調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)范圍可以從0%～100%;因而可以根據(jù)生產(chǎn)工藝要求隨意調(diào)節(jié)風(fēng)量，減少了不必要的浪費(fèi); （3）變頻節(jié)能運(yùn)行，節(jié)約了大量能源。采用變頻使用后，不再使風(fēng)機(jī)一直處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，另外風(fēng)機(jī)閥門處于全開狀態(tài)，其節(jié)能效率顯著; （4）降低風(fēng)機(jī)工作強(qiáng)度，延長使用壽命。采用變頻后，風(fēng)機(jī)的大部分工作時(shí)間都在較低的速度下運(yùn)行，因而大大降低了風(fēng)機(jī)工作的機(jī)械強(qiáng)度和電氣沖擊，將會(huì)大大延長風(fēng)機(jī)的使用壽命，降低維修強(qiáng)度; （5）使用變頻后，由于啟動(dòng)和停止時(shí)間都可以設(shè)定，減少了對(duì)煙道、風(fēng)道和風(fēng)門擋板的沖擊腐蝕，相應(yīng)的延長了很多零部件的使用壽命，有效的提高了相應(yīng)設(shè)備的檢修周期，節(jié)約了大量維護(hù)費(fèi)用; （6）可使電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)直接相連接，減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)的費(fèi)用; （7）電機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度下降，潤滑條件改善，傳動(dòng)裝置的故障下降; （8）系統(tǒng)壓力降低，對(duì)管道的壓力和密封等條件緩解，延長使用壽命; （9）與dcs系統(tǒng)的可靠銜接，其完善的監(jiān)控性能和高可靠性提高了工作效率，減少了檢修和維護(hù)的工作量。 9　結(jié)束語 　　power smarttm高壓變頻系統(tǒng)由于其節(jié)能效果明顯，并且實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟啟動(dòng)，延長了電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命，由于風(fēng)門全開，極大的延長了風(fēng)門的使用和檢修周期，也減少了風(fēng)管的振動(dòng)和摩擦。于2005年11月24日正式投入生產(chǎn)運(yùn)行，該變頻系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性能可靠，即滿足了生產(chǎn)工藝的要求，又具有顯著的節(jié)能效果，在對(duì)三煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收8萬煤氣柜1#、2#煤氣加壓機(jī)系統(tǒng)上的應(yīng)用，有著不可磨滅的效能。