高压变频器在煤气加压机中的应用

详细内容

1　前言

　　河北邯郸钢铁厂8万煤气柜外送煤气加压机其工艺要求上是给邯郸钢铁厂西部煤气管网配比转炉煤气，混合后煤气供给三炼钢、煤气发电、和高炉、中板等多处同时供应煤气，用户较多而需求量变化较大，同时受焦炉煤气供给量的限制，使得加压机调节量较频繁。

　　邯钢三炼钢转炉煤气回收8万煤气柜1#、2#加压机系统原设计采用传统做法，即风机以定速方式运行，通过风机挡板来调节风量和风压，其弊端主要表现为:

（1）调节挡板前后压差增加，工作安全特性变坏，压力损失严重，造成能耗增加;
（2）风机定速运行，挡板调整节流损失大，出口压力高，系统效率低，造成能源的浪费;
（3）风道压力过高，威胁系统设备密封性能;
（4）长期的40－70％开度，加速挡板自身磨损，导致挡板控制特性变差;
（5）设备使用寿命短，日常维护量大，维修成本高，造成各种资源的浪费;
（6）设备起动冲击电流大，需增加配电设备容量而增加投资;
（7）与dcs不能直接配合，难于实现自动化控制与操作。

为此邯郸热力厂经过多方调研、分析，于2005年11月20日采用2套由哈尔滨九洲电气股份有限公司生产的power smarttm——高压变频调速控制装置来控制三炼钢转炉煤气回收8万煤气柜煤气1#、2#加压机机组，通过改变电机转速来调整风机的风量和风压。

2　改造前调节方式及存在的问题

　　改造前是通过调节机后挡板来实现，当挡板调到50％以下时，由于气流不均，管道将会有喘振现象，管道震动加大，所以在机后挡板开到一定开度必须打开回流挡板，使一部分煤气再流回煤气柜，这将浪费一部分电能;同时用挡板调节流量时，是人为地增加了管网阻力，也将会多消耗一部分电能。

3　采用变频调速装置的特点

3.1　变频调速装置是通过改变电机电源的频率，使电机在不同的频率下运行，从而使电机的转速改变
（1） 调速范围宽，可以从零转速到工频转速的范围内进行平滑调节;
（2） 在大电机上能实现小电流的软启动，启动时间和启动的方式可以根椐现场工况进行调整;
（3） 频率的调整是根据电机在低频下的压频比系数进行电压和频率的输出，在低转速下，电机不仅是发热量低，而且输入电压低，将使电机绝缘老化速度降低。

3.2　技术新颖
　　串联多重化叠加技术的应用实现了真正意义的高-高电力变换，无需降压升压变换，降低了装置的损耗，提高了可靠性，解决了高压电力变换的困难。串联多重化叠加技术的应用还为实现纯正弦波、消除电网谐波污染开辟了崭新的途径。

3.3　性能指标高
（1）高功率因数，达0.95以上，无需另加功率因数补偿装置，避免了因无功带来的损耗;
（2）效率高，高达96%以上，远远高于晶闸管大功率调速装置;
（3）符合ieee519-1992标准的严格要求，不对电网产生谐波污染，无需任何滤波装置;
（4）对电机不产生谐波污染，有效降低了电机的发热量，噪声与采用工频供电时相近;
（5）转矩脉冲很低，不会导致电机等机械设备的共振，同时也减少了传动机构的磨损;
（6）输出波形完美，失真度小于1% ;
（7）电动机的电应力强度与采用工频供电时相近，无需配备特殊电动机;
（8）与电机的连接不受电缆长度的限制。

3.4　科技含量高
（1）采用大规模门阵列cpld电路，实现了pwm控制的高度实时性、快速性和准确性;
（2）两光纤实时传送技术，获得了国家发明专利，使得控制单元与功率单元之间的通讯更加迅速、可靠;
（3）特别设计的h桥逆变电路，已获得了国家专利，为系统运行的可靠性提供了保障;
（4）完善的功率单元旁通技术，已获得了国家专利，进一步提高了系统运行的可靠性;
（5）控制部分采用高性能的dsp和fpga芯片，使得控制系统的性能大大提高，实现恒定v/f和恒转矩控制，提升特性可任意设定，满足各种机械启动及运行的要求;
（6）优秀的dsp软件数学模型，使得系统运行的实时性和效率大大提高。

4　power smarttm高压变频调速控制装置系统技术方案

4.1　系统组成
　　power smarttm系列高压变频调速系统主要由切分移相干式变压器柜、功率单元柜、控制单元柜、远控操作箱、旁路开关柜等部分组成。

4.1.1　切分移相干式变压器
切分移相干式变压器为变频器的输入设备，一般由铁心、输入绕组、屏蔽层、输出绕组及冷却风机、过热保护等部分构成。
为了兼顾安全、防尘、维护以及美观等要求，一般将其安装在柜内。
power smarttm系列高压变频器选用的变压器，其绝缘等级为h极，绝缘材料部分选用进口的美国杜邦公司优质产品，温升可达150℃;真空浸漆，免维护。
变压器的原边为星形连接，在最内侧。副边在外侧，为沿边三角形连接，根据不同的电压等级，一般有9、18或27个三相的副边绕组。在原副边绕组之间另设有一层接地屏蔽层。副边的三相绕组可分为三大组，分别供给功率单元柜中的三个相，每一大组中各个三相小绕组的输出电压幅值相同，之间的相位移有20°、10°或6.6°。
　　变压器柜另配有温度监测装置，在绕组温度超过警戒温度时能提供过热警告信号和过热故障信号。变压器柜顶部装有引风机以排出变压器在工作时产生的热量。柜门安装有防尘网。

4.1.2　控制单元柜
　　主控制器的外观如图1所示。

图1　主控制器的外观

控制单元基本原理框图如图2所示。

图2　控制单元基本原理框图

　　控制单元柜主要由主控制器、温控器、风机保护器、人机界面（数码管和彩色触摸屏可选）、plc、嵌入式微机、开关电源、emi模块、隔离变压器、空气开关、接触器、继电器、模拟量模块、开关量模块等组成。

　　主控制器由总线板、电源单元、cpu单元、接口单元、3个相控单元及开关量、模拟量的输入、输出子模块等组成。它是变频器的控制核心，由两片dsp及多片fpga、clpd等构成，通过优质光纤将pwm信号传送到功率单元中，从而实现了高可靠的控制。

　　温控器，可以接3个感温探头，来测试切分变压器的温度，并提供告警或保护节点。

　　风机保护器，有3台，用来监控风机的缺相、过流等。其中，接功率单元柜的为2台，切分变压器柜1台。

　　plc，内置pid调节模块和程序，可以实现闭环控制。它还含有模拟量、开关量模块，其路数可根据用户要求进行定制。

　　人机界面，设在控制单元柜前门上，用来提供设置、监视和切换等操作。它分别有数码管方式和彩色触摸屏方式两种，根据用户需求可进行选配，分别如图3和图4所示。

图3　数码管操作面板（以6kv为例）

图4　液晶触摸屏操作界面

4.1.3　功率单元柜
　　功率单元柜，一般由1～2台柜构成，主要由功率单元、电流互感器、输出电压检测单元、风道风压检测装置及高压电缆等组成。

　　10kv系统功率单元共计27个，平均分属3个相（自上而下分别为u,v,w），每相9个首尾相串，相间采用星形连接。电流互感器作为电流采集、处理、监视及电流闭环用，共2只，分别串入功率单元星点连接处的u相和w相上。输出电压检测单元，输入端分别接至星形连接的3个相端。用来检测输出电压等信息。风道风压检测装置用来实时检测冷却风道是否畅通，风压可以实时动态显示，它与风机电脑保护器、温控器一起共同组成变频系统冷却监视系统，进一步使变频器热量能够及时传导出去，确保变频器可靠运行。

　　不同功率和电压等级的变频器，所采用的功率单元的型号是不同的。

4.2　工作原理

　　变频器工作原理如图5所示。

图5　变频器系统工作原理图

图6　功率单元模块电路构成简图

　　如图6所示，功率单元模块由整流二极管、绝缘栅双极性晶闸管（igbt）构成的三相低压输入，单相输出低压的pwm电压型逆变器。由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器。

　　power smarttm系列高压变频器是采用单元串联多重化技术属于电压源型高-高式高压变频器，是利用低压单相变频器相互串联，来弥补功率器件igbt的耐压能力的不足。所谓多重化，就是每相由几个低压功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器来独立供电。

以10kv高压变频器为例，10kv系列有27个功率单元，每 9个功率单元相串联为一相（见图6）。每个单元的输入电压为三相650v，输出则为单相650v，单元相互串联叠加后可输出相电压5850v。当变频器输出频率为50hz时，相电压为19阶梯波，如图7所示。图7中ua1 … ua9分别为a相9个功率单元的输出电压，叠加后为变频器a相输出电压ua0。图7中显示出了生成pwm控制信号时所采用a相参考电压uar，可以看出ua0很好地逼近uar。uaf为a相输出电压中的基波成分。

图7　单元串联相电压波形的生成

　　由于变频器中点与电动机中性点不连接，变频器输出实际上为线电压，由a相和b相输出电压产生的uab输出线电压可达10000v以上，为37阶梯波。如图7所示，为输出的线电压和相电压的阶梯波形，uab不仅具有正弦波形而且台阶数也成倍增加，因而谐波成分及dv/dt均较小。

变频器输出的三相电压加到电动机上，产生电流使电机旋转，额定运行时电机的电压和电流（实测波形）如图8所示，可看出由于输出电压的谐波很小，电机电流接近于正弦波。

图8　额定运行时电机的电压和电流（实测波形）

　　采用多重化叠加的方式，使变频器输出电压的谐波含量很小，不会引起电动机的附加谐波发热。其输出电压的dv/dt也很小，不会给电机增加明显的应力，因此可以向普通标准型交流电动机供电，而且无需降容使用。由于输出电压的谐波和dv/dt都很小，不需要附加输出滤波器，输出电缆也无长度要求。由于谐波很小，附加的转矩脉动也很小，避免了由此引起的机械共振，传动系统及轴承的磨损也大为降低。

5　技术方案
　　三炼钢转炉煤气回收8万煤气柜煤气1#、2#加压机风机实际应用中主电路如图9所示。

图9　主回路方案图

　　当变频器出现严重故障时，系统能够根据需要手动转入工频电网中，电机全功率运行，（也可以自选择采用手动或者自动相切换的方案）。本方案中 qs1和qs2、qs3分别为电机工频、变频运行选择隔离开关。各隔离刀闸之间要求用程序实现严格可靠的机械互锁和电气闭锁，以防止误操作，同一状态只允许qs1闭合工作或qs2和qs3闭合工作。

6　实际应用设备参数
　　三炼钢转炉煤气回收8万煤气柜煤气1#、2#加压机风机实际参数:
（1）风机型号为01100-11，其性能如表1所示。

表1　风机参数

（2）异步电动机型号为yaksp500-2，其性能如表2所示。

表2　异步电动机参数

（3）变频器参数
名称:高压大功率变频调速装置
型号:jzhicon-ia-10/075;
额定输入电压:10000v;
额定输出电压:10000v;
额定输出频率:50hz;
额定功率:1250kva;
额定输出电流:75a;
输出频率调节范围:0～50 hz;
生产厂家:哈尔滨九洲电气股份有限公司。

7　节能情况分析

7.1　电动机工频运行与变频运行工况对比，对比参数如表3所示

表3　工、变频运行时参数对比

　　在现有负荷下，工频运行，实测电动机电流:35-40a，运行频率:50hz，出口挡板开度:50%
电动机变频调速运行时的工况:
　　变频器一次电压10kv，平均电流10-32a
　　电动机电流:运行频率:30hz-40hz，　变频器输出电压:6000-8000ｖ
　　输出电流14-35a　　
　　出口挡板开度:100%
7.2　电动机工频运行时的耗电量
　　每小时耗电量:（35a÷59.4a）×850 kw×1h = 500 kw.h
　　每天耗电量:500 kw.h×24h = 12000 kw.h
　　每年耗电量:12000 kw.h×365天 = 4380000 kw.h
7.3　电动机采用高压变频调速装置后的节电量
　　每年节电量:4380000kw.h - 928560 kw.h = 3451440kw.h
7.4　平均节电率
　　3451440 kw.h÷5014141.4 kw.h = 70%
7.5　年节约电费（每台）
　　邯郸钢铁集团有限责任公司综合电价0.45元/ kw.h
　　年节约电费（每台）＝3451440 kw.h×0.45元/ kw.h＝1553148元＝155万元

8　应用效果
　　其主要应用效果还有:
（1）变频起动对电网没有任何冲击。由于有变频调节，对于风机可以实现变频软起动，风机在低频下启动，启动电流很小，启动时间延长，避免了原来在较大惯性负荷情况下，数倍的额定起动电流对电网和机械设备的冲击，有效延长了电机寿命。而且变频还可以随时起动或停止;
（2）按需调节风量，避免浪费。由于变频器通过变频调节风机的转速来控制风机的送风量而不再需要由风门来调节，其调节范围可以从0%～100%;因而可以根据生产工艺要求随意调节风量，减少了不必要的浪费;
（3）变频节能运行，节约了大量能源。采用变频使用后，不再使风机一直处于满负荷工作状态，另外风机阀门处于全开状态，其节能效率显著;
（4）降低风机工作强度，延长使用寿命。采用变频后，风机的大部分工作时间都在较低的速度下运行，因而大大降低了风机工作的机械强度和电气冲击，将会大大延长风机的使用寿命，降低维修强度;
（5）使用变频后，由于启动和停止时间都可以设定，减少了对烟道、风道和风门挡板的冲击腐蚀，相应的延长了很多零部件的使用寿命，有效的提高了相应设备的检修周期，节约了大量维护费用;
（6）可使电动机与风机直接相连接，减少传动环节的费用;
（7）电机和风机运转速度下降，润滑条件改善，传动装置的故障下降;
（8）系统压力降低，对管道的压力和密封等条件缓解，延长使用寿命;
（9）与dcs系统的可靠衔接，其完善的监控性能和高可靠性提高了工作效率，减少了检修和维护的工作量。

9　结束语
　　power smarttm高压变频系统由于其节能效果明显，并且实现了电机软启动，延长了电机和风机的使用寿命，由于风门全开，极大的延长了风门的使用和检修周期，也减少了风管的振动和摩擦。于2005年11月24日正式投入生产运行，该变频系统工作稳定、性能可靠，即满足了生产工艺的要求，又具有显著的节能效果，在对三炼钢转炉煤气回收8万煤气柜1#、2#煤气加压机系统上的应用，有着不可磨灭的效能。