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摘 要：本文介紹了高壓變頻調速技術的基本原理及單元串聯多電平型高壓變頻調速係統及其在連鑄噴霧冷卻供水係統中的應用。
關鍵詞：變頻調速 恒壓供水 旁路
1．引言
我公司煉鋼水處理站連鑄噴霧冷卻供水泵組向煉鋼廠不鏽鋼連鑄機供應工業水。原設計流量400 m3/h，壓力1.4MPa，而連鑄機生產需要最大流量為370m3/h，壓力為1.3MPa，該gai泵beng組zu在zai工gong頻pin運yun行xing下xia供gong水shui管guan網wang壓ya力li過guo高gao，對dui連lian鑄zhu生sheng產chan造zao成cheng不bu利li影ying響xiang。同tong時shi，為wei保bao證zheng供gong水shui連lian續xu性xing，在zai連lian鑄zhu機ji待dai機ji時shi該gai泵beng組zu仍reng在zai全quan負fu荷he供gong水shui，此ci時shi工gong業ye水shui從cong泄xie壓ya閥fa流liu回hui工gong業ye水shui池chi，造zao成cheng了le電dian能neng的de巨ju大da浪lang費fei。
隨著新型電力電子器件的不斷湧現和計算技術的飛速發展，高壓變頻調速係統得到了廣泛應用。它不僅解決了大功率風機、水泵的調速和軟啟動問題，而且節能顯著。為此，公司決定增加高壓變頻器對該泵組電機進行調速，經過技術、經濟多方麵分析後，選用北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-A型高壓變頻器，在滿足煉鋼廠用水條件的前提下降低管網壓力、流量，節約能源。
2．高壓變頻調速技術
2.1 高壓變頻調速原理
變頻調速是通過改變電源頻率來調節電動機轉速的。對於異步電動機而言，設f為定子電源頻率，s為轉差率，p為磁極對數，n為轉速，按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關係式：
由上式可見，電機的同步轉速n0(n0=60f/p)正比於電機的運行頻率f，由於轉差率s一般情況下比較小（0～0.05），電機的實際轉速n約等於電機的同步轉速n0，所以改變電機的電源頻率f，就能改變電機的實際轉速。
2.2 單元串聯多電平型高壓變頻調速係統
（1）係統結構
HARSVERT-A係列高壓變頻調速係統結構如圖1所示。係統主要由移相變壓器櫃、功率櫃和旁路櫃組成。10kV係統為單元串聯多電平拓撲結構，采用700V功率單元，每8個功率單元串聯構成一相，共有24gegonglvdanyuan，chuanlianfangshicaiyongxingxingjiefa，zhongxingdianfukong。meigegonglvdanyuanyoudianwangdianyajingyixiangbianyaqidecijiraozugongdian，suoyougonglvdanyuandoutongguoguangxianjieshoulaizitongyigezhongyangkongzhiqidezhiling，yitiaojieshuchudianya，gonglvdanyuanshuchudianyachuanlianhoudedaokebianpinlvdegaoyadiangonggeidiandongji。
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| HARSVERT-A係列高壓變頻調速係統電路拓撲圖 | （2）功率單元電壓疊加原理
圖2為變頻器的單元串聯基本原理圖。每個功率單元輸入700V三相交流電壓，輸出 690 V單相交流電壓，每相的8個功率單元串聯疊加後可輸出相電壓5520V，每兩相間相差120°電角度。
由於變頻器中性點與電動機中性點不連接，變頻器輸出實際上為線電壓[1]，由A相和B 相輸出電壓產生的輸出線電壓可達到10kV，線電壓不僅具有正弦波形而且疊加的階梯波數也成倍增加，因而諧波成分及dv/dt 均較小。
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| 圖2：單元串聯電平疊加基本原理圖 | 2.3 單元串聯多電平型高壓變頻調速係統主要特點
(1) 功率單元故障時繼續運行
dangmougegonglvdanyuanfashengguzhangshikezidongpangluyunxing，bianpinqibutingji，jizaimeigegonglvdanyuanshuchuduanzhijianbinglianpangludianlu，danggonglvdanyuanguzhangshi，fengbiduiyinggonglvdanyuanIGBT的觸發信號，然後讓旁路導通，保證電機電流能通過，仍形成通路。
為(wei)保(bao)證(zheng)三(san)相(xiang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)對(dui)稱(cheng)，有(you)的(de)係(xi)統(tong)是(shi)在(zai)旁(pang)路(lu)故(gu)障(zhang)功(gong)率(lv)單(dan)元(yuan)的(de)同(tong)時(shi)，另(ling)外(wai)兩(liang)相(xiang)對(dui)應(ying)的(de)兩(liang)個(ge)功(gong)率(lv)單(dan)元(yuan)也(ye)同(tong)時(shi)旁(pang)路(lu)，這(zhe)樣(yang)將(jiang)使(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)明(ming)顯(xian)下(xia)降(jiang)，變(bian)頻(pin)器(qi)需(xu)降(jiang)額(e)使(shi)用(yong)。以(yi)10kV係統為例，當1個功率單元故障後，每相將剩下7個功率單元，輸出最高電壓為額定電壓的87.5％。
為了在功率單元旁路時盡量減少輸出電壓下降幅度，HARSVERT-A係列高壓變頻調速係統采用零點漂移法，以提高輸出電壓，同時保證三相平衡。如圖3所示。設功率單元旁路前的線電壓為U1，相電壓Ua=Ub=Uc=U，設B相一個功率單元旁路後的線電壓為U2，此時相電壓為Ub′＝7U/8，根據餘弦定理，對圖4中△AOB列方程有：Ua2＝U22＋Ub′2－2 U2×Ub′ ×cos30°，即64 U22－56 U× U2－15 U2＝0，又U1＝ U，則解得U2/ U1＝0.9567。
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| 圖3：功率單元旁路前電壓相量圖 |
圖4：單個功率單元旁路後的電壓相量圖 | 可見，零點漂移法在單個功率單元故障時可使最高輸出電壓為額定輸出電壓的 95.67％，與同時旁路另外兩個完好功率單元的方法相比，電壓輸出能力有了較大的提高。
(2) 電機側的諧波和dv/dt少，適用普通異步電動機
yixiangbianyaqierciraozucaiyongyanbiansanjiaoxingjiefa，shixianduozhonghua，yidadaojiangdishuruxiebodianliudemude，shurudianliuboxingjiejinzhengxianbo，zongdexiebodianliushizhenxiaoyu1%，輸入的功率因數可達0.95以上[2]。
輸出電壓非常接近正弦波，每個電平台階隻有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很(hen)小(xiao)。功(gong)率(lv)單(dan)元(yuan)采(cai)用(yong)較(jiao)低(di)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)，以(yi)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)，提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)。輸(shu)入(ru)電(dian)機(ji)的(de)電(dian)壓(ya)等(deng)效(xiao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)大(da)大(da)提(ti)高(gao)，電(dian)平(ping)數(shu)和(he)等(deng)效(xiao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)有(you)利(li)於(yu)改(gai)善(shan)輸(shu)出(chu)波(bo)形(xing)，降(jiang)低(di)輸(shu)出(chu)諧(xie)波(bo)，由(you)諧(xie)波(bo)引(yin)起(qi)的(de)電(dian)機(ji)發(fa)熱(re)、噪音和轉矩脈動都大大降低，因此對電機沒有特殊要求，可直接用於普通異步電動機。
(3) 係統故障可旁路到工頻運行
由於係統配有旁路櫃，內置真空接觸器和高壓隔離開關。真空接觸器可根據S7-200 PLC的de指zhi令ling實shi現xian泵beng組zu變bian頻pin運yun行xing和he工gong頻pin運yun行xing之zhi間jian的de電dian源yuan自zi動dong切qie換huan，尤you其qi在zai變bian頻pin器qi故gu障zhang狀zhuang態tai下xia可ke將jiang當dang前qian變bian頻pin運yun行xing的de電dian機ji迅xun速su切qie換huan至zhi工gong頻pin運yun行xing，從cong而er避bi免mian了le管guan網wang壓ya力li和he流liu量liang的de突tu變bian，滿man足zu了le連lian鑄zhu生sheng產chan用yong水shui連lian續xu性xing、可靠性的要求。
3．連鑄噴霧冷卻供水係統工藝簡介
連鑄噴霧冷卻供水泵組采用兩台MTC－A－50/04型多級泵，配套MGF－400C型異步電動機，運行時開一備一，係統工藝流程如圖5所示。
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| 圖5：連鑄噴霧冷卻供水係統工藝流程圖 | 正常運行時，單台泵工頻運行，全天24小時不間斷向煉鋼廠供水，在連鑄機不澆鑄時工業水通過位於煉鋼廠入口處的旁通閥流回工業水池。
4．控製係統設計
4.1 係統電氣設計
genjushijigongkuangyaoqiu，youyulianzhujizaishengchanshiduigongshuidelianxuxingyaoqiufeichanggao，ruguoturanzhongduangongshuijianghuiyanzhongyingxiangchanpinzhiliang，congbaozhenggongshuilianxuxingjiaodukaolv，jiehegongdianxitongdeshijiqingkuang，juedingcaiyonghengyagongshuikongzhifangshi，dianqizhuhuilucaiyongyituoerfangan。
(1)電氣主回路原理
如圖6所示，QF1為1＃泵對應高壓櫃內的真空斷路器，現用於向變頻器供電，QF2為2＃泵對應高壓櫃內的真空斷路器，現用作工頻電源。真空接觸器KM1、KM2、KM3、KM4以及高壓隔離開關QS1、QS2、QS3、QS4安an裝zhuang於yu旁pang路lu櫃gui內nei，其qi中zhong，真zhen空kong接jie觸chu器qi用yong於yu電dian動dong機ji工gong頻pin和he變bian頻pin運yun行xing的de自zi動dong切qie換huan，高gao壓ya隔ge離li開kai關guan一yi般ban情qing況kuang下xia處chu於yu合he閘zha狀zhuang態tai，僅jin在zai變bian頻pin器qi檢jian修xiu時shi拉la開kai，用yong於yu電dian動dong機ji工gong頻pin運yun行xing情qing況kuang下xia對dui變bian頻pin器qi進jin行xing安an全quan檢jian修xiu。
(2) 改造後泵組運行方式
正常運行狀況下，單台泵變頻運行，一用一備，當變頻器出現故障時，當前變頻運行的泵自動切換至工頻運行；當運行電機出現故障時，自動工頻啟動備用泵。
倒泵操作時，首先將變頻運行的泵切換至工頻運行，然後將備用泵變頻啟動至50Hz，此(ci)時(shi)，兩(liang)台(tai)泵(beng)出(chu)口(kou)壓(ya)力(li)相(xiang)同(tong)，不(bu)會(hui)發(fa)生(sheng)環(huan)流(liu)現(xian)象(xiang)，最(zui)後(hou)將(jiang)工(gong)頻(pin)運(yun)行(xing)的(de)泵(beng)退(tui)出(chu)運(yun)行(xing)，變(bian)頻(pin)器(qi)根(gen)據(ju)設(she)定(ding)壓(ya)力(li)自(zi)動(dong)調(tiao)節(jie)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)，以(yi)保(bao)持(chi)管(guan)網(wang)壓(ya)力(li)恒(heng)定(ding)。
通過對真空接觸器的電氣聯鎖，保證兩台泵不能同時變頻運行或工頻運行，同一台泵不能工頻和變頻同時運行。
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| 圖6：電氣主回路原理圖 | 4.2控製係統網絡設計
如圖7所示，原係統采用一體化控製係統來完成各係統的溫度、壓力、流量、液位等工藝參數的顯示、控製以及各類泵、閥等設備的監控操作和電氣室中電氣設備的監視。中央監控係統共設置兩台服務器、三台操作站，同時設有三個AS（自動化控製係統）站，采用三套西門子S7-400 PLC對煉鋼水處理站內所有工藝設備及電氣儀表設備實行集中監控，通訊網絡在底層采用Profibus DP總線。兩台服務器、三套PLC通過100Mbps冗餘光纖環形網相連，三台操作站通過以太網與兩台服務器相連，轉發控製命令。配置一台打印機，用於報表打印。
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| 圖7：監控係統網絡結構圖 | 高壓變頻器控製係統由原PCS7係統中的上位機、主控PLC、高壓變頻器組成。應用原係統中的一套PLC作為主控製器，其與高壓變頻器內置的S7-200 PLC通過硬接線進行信號傳輸。
4.3 軟件設計
（1） 應用軟件簡介
PCS7係統是一個結構完整、性能完善的新一代自動化控製係統，它體現了當代過程控製領域最新技術的發展潮流。
在軟件開發中，采用了集成的全局數據管理和統一的組態工具即SIMATIC程序管理器。其中人機界麵的開發、係統組態應用WinCC，通過它實現了各種工藝流程的實時監控；編程軟件應用Step 7，采用單元化編程方式，把係統的各種工作編成功能塊，在主程序中調用，方便易用，便於用戶理解、修改。
（2）控製功能描述
對於變頻泵組的控製分為就地控製方式和遠程控製方式兩種。
在就地控製方式下，在變頻器控製櫃的觸摸屏上手動啟動變頻器，並設定運行頻率，然後通過旁路櫃的控製按鈕實現電機的變頻啟動；同時，也可以利用原有的就地控製箱實現工頻啟動。
在遠程控製方式下，分為遠程自動控製和遠程手動控製。在遠程自動控製方式下，可人工設定管網的控製壓力，該設定值進入S7－400 PLC，同時PLC根據現場壓力變送器傳輸過來的壓力反饋信號與設定壓力值進行比較，經過PID模mo塊kuai運yun算suan後hou，給gei出chu變bian頻pin器qi運yun行xing頻pin率lv信xin號hao，從cong而er調tiao節jie電dian機ji轉zhuan速su，保bao持chi管guan網wang壓ya力li恒heng定ding。此ci外wai，在zai自zi動dong控kong製zhi方fang式shi下xia的de壓ya力li設she定ding值zhi分fen為wei連lian鑄zhu機ji生sheng產chan時shi的de定ding值zhi和he連lian鑄zhu機ji待dai機ji時shi的de定ding值zhi，後hou者zhe遠yuan小xiao於yu前qian者zhe，二er者zhe的de選xuan擇ze根gen據ju連lian鑄zhu機ji的de起qi、停信號來控製，這樣既保證了生產又最大限度地節約了電能，提高了節能效果；在遠程手動模式下，可手動設定變頻器運行頻率，變頻器將根據設定的頻率調節輸出，使電機恒速運行。
5．節能效果計算
5.1 在連鑄機生產和待機不同負荷下泵組運行參數統計
在連鑄機生產和待機不同負荷下泵組運行參數統計如表1所示。
表1：連鑄機生產和待機工況下泵組運行參數統計表
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變頻改造前 |
變頻改造後 |
| 連鑄機工作狀態 |
生產 |
待機 |
生產 |
待機 |
| 平均運行時間(%) |
85 |
15 |
85 |
15 |
| 閥門開度（%） |
100 |
100 |
| 總管流量（m3/h） |
310~320 |
270~280 |
150~270 |
12～50 |
| 總管壓力（MPa） |
1.60~1.65 |
1.66~1.69 |
1.35 |
1.35 |
| 電機平均電流（A） |
13.1 |
12.1 |
8.1 |
4.0 | 5.2 工頻狀態下的年耗電量計算
| 連鑄機工作狀態 |
生產 |
待機 |
| 平均運行時間(%) |
85 |
15 |
| 電機電流平均值(A) |
13.1 |
12.1 |
| 工頻功耗平均值(kW) |
198.75 |
179.61 |
表3：變頻狀態下電機功耗
| 連鑄機工作狀態 |
生產 |
待機 |
| 平均運行時間(%) |
85 |
15 |
| 電機電流平均值(A) |
8.1 |
4.0 |
| 工頻功耗平均值(kW) |
137.49 |
67.90 |
6．結束語
tongguogaoyabianpinjishugaizao，wanquanshixianleshejiyaoqiu，jiangdilegongshuiguanwangdeyunxingyali，gaishanlelianzhupenwulengquegongshuixitongdeyunxinggongkuang，kefuyuanyougongpinyunxingxiachukouyaligao、管損嚴重的現象，滿足了連鑄生產對冷卻水壓力的要求，提高了工作效率，節約了大量電能。初步計算，該泵組每年節約電費愈20萬元。此外，變頻改造保護了水泵、電機，減少了泵體和電機維護費用，延長了設備的使用壽命，降低了公司的生產成本。
參考文獻
[1] 徐孟. 單元串聯高壓變頻器的設計及其應用. 哈爾濱:哈爾濱理工大學出版社,2004
[2] 孫青海,胡強國,辛曉潔等. 高壓交流變頻調速技術分析及應用. 淮南職業技術學院學報, 2005,5(16)
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