文/河南濟源職業技術學院 任豔豔  河南濟源鋼鐵（集團）有限公司 陳萬儉

摘要：本ben文wen分fen析xi了le高gao壓ya變bian頻pin器qi在zai濟ji鋼gang高gao爐lu除chu塵chen風feng機ji中zhong應ying用yong，通tong過guo計ji算suan分fen析xi以yi及ji實shi際ji運yun行xing的de效xiao果guo
，證zheng明ming了le高gao壓ya變bian頻pin器qi在zai電dian機ji係xi統tong節jie能neng中zhong的de重zhong要yao作zuo用yong。

關鍵詞：高壓變頻器 變頻調速 節能。     

    suizheguominjingjidexunsufazhan，tebieshishimaozuzhidejiaruheshichangjingzhengdejiaju，nengyuanwentiyijingxiandeyouweituchu，jienengjianpaidedalitouzichengweigegexingyetigaoshichangjingzhenglixindeliangdian。ergegexingyezhong，dianjideyingyongjiweiguangfan，tashigongkuangqiyezhongdezhuyaodongli，zaiyejin、石化

、電力
、礦業等各個行業中
，用於風機、軋機
、泵類等大型機械設備的拖動，尤其高壓電機的電能消耗非常巨大，占企業所有電機電能消耗的65－75%zhiduo。duiyudianjijieneng，gaoyadianjidejienengyouweituchu。muqiandianjixitongjienenggongchengbeidingweiguojiafagaiweiqidongdeshidazhongdianjienenggongchengzhiyi。duidianjixitongdejienenglaishuo，buguancongtiaosu、起動和製動性能上來說，采用可控矽變頻技術是最為理想的節能途徑
，尤其在某些特定工藝下，中、高電壓、大功率的電機采用高壓變頻器節能效果尤為明顯。

變頻器是運動控製係統中的功率變換器。目前，我國高壓變頻器呈現三大趨勢：

（1）功率單元串聯多電平技術依然是市場的主流。

（2）向大功率方向發展。

（3）隨著高壓變頻技術的成熟，將大幅拓展工藝控製對於變頻調速的需求。

gaoyabianpinqibuxiangdiyabianpinqinayangjuyouchengshudeyizhixingdezhudianlutuopujiegou，ershixianyugonglvqijiandedianyanailianghegaoyashiyongtiaojiandemaodun，guoneiwaigebianpinqishengchanchangshang
，caiyongbutongdegonglvqijianhebutongdezhudianlujiegou


，yishiyinggezhongtuodongshebeideyaoqiu，yinerzaigexiangxingnengzhibiaoheshiyongfanweishangyegeyouchayi。

高壓變頻器的分類一般可分為兩大類： 

（1）交—交變頻器（無直流環節）

（2）交—直—交變頻器（有直流環節）。

其中交—直—jiaobianpinqiyoukegenjuzhiliuhuanjiecaiyongdadianganyipingyidianliumaidongdebianpinqichengweidianliuyuanxingbianpinqi
，zhiliuhuanjiecaiyongdadianrongyiyizhidianyabodongdebianpinqizechengweidianyayuanxingbianpinqi。tu1為三種高壓變頻器框圖。

（a）交－交變頻器      （b）電流源型變頻器            （c） 電壓源型變頻器

 

 

無論何類變頻器，判斷其優劣，首先要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響；其次要看對電網的諧波汙染和輸入功率因數；再次要看其本身的能量損耗（即效率）如何。

由流體力學可知，P(功率)＝Q(流量)×H(壓力)

，流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比
，功率P與轉速N的立方成正比，如果水泵（或風機）的效率一定，當要求調節流量下降時
，轉速N可成比例的下降
，而此時軸輸出功率P成立方關係下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關係。當所要求的流量Q減少時
，可調節變頻器輸出頻率使電動機轉速n按比例降低。這時，電動機的功率P將按三次方關係大幅度地降低，比調節擋板
、閥門節能40%一50%，從而達到節電的目的，同時又可提高係統可靠性及穩定性。

現在已2006年河南濟鋼6#高爐出鐵場除塵風機采用的北京利德華福電氣技術有限公司生產的高壓變頻器為例，從工藝、變頻器結構、節能原理以及節能效果進行詳細的分析介紹。

高(gao)爐(lu)在(zai)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)中(zhong)，出(chu)鐵(tie)場(chang)產(chan)生(sheng)大(da)量(liang)的(de)煙(yan)囪(cong)，汙(wu)染(ran)環(huan)境(jing)，根(gen)據(ju)國(guo)家(jia)法(fa)規(gui)
，需(xu)要(yao)除(chu)塵(chen)處(chu)理(li)。除(chu)塵(chen)風(feng)機(ji)是(shi)一(yi)個(ge)間(jian)隙(xi)性(xing)的(de)工(gong)作(zuo)製(zhi)度(du)，即(ji)高(gao)爐(lu)出(chu)鐵(tie)時(shi)使(shi)用(yong)，不(bu)出(chu)鐵(tie)時(shi)不(bu)用(yong)，使(shi)用(yong)率(lv)大(da)約(yue)在(zai)60％左右。圖2為高爐煉鐵出鐵場工藝周期。

圖2中：

A到B、E到F為高爐冶煉時間，

B到C、F到G為升速時間，可以調節

，

C到D
、G到H為高爐出鐵時間，

D到E
、H到I為減速時間，可以調節。

每次高爐出鐵時間約50分鍾，為高速段，定為45Hz,可以調節；高爐冶煉時間約30分鍾
，為低速段
，

定為5Hz,可以調節。

genjuyishanggongyiyaoqiu
，youyinweichuchenfengjisuopeidianjiweigaoyadianji，buyunxupinfanqiting。ruguofengjichangqicaiyonggongpinyunxing，tongguotiaojiefengmendechukoudangbantiaojiefenglianglaimanzushengchangongyiyaoqiu
，daliangdiannengbaibailangfeizaifamenshang。ruguocaiyongyeliouheqitiaosu，zeyouyiwangjingyankezhi，yeliouheqicunzaiyixiazhuyaoquedian：

（1）調速範圍有限，為50～95%，轉速不穩定，高速段減小了設備的出力能力
，低速段影響節能效益的發揮；

（2）調速越低時效率越低

，低速時發熱厲害；

（3）調速精度低
，線性度差，響應慢，不大適應自動控製要求
；

（4）電機雖然可以不帶載啟動，但仍然有5倍左右的衝擊電流，影響電網穩定
；

（5）必須串入電機和機械的連接軸中，不適合於設備改造；液力耦合器故障時，沒有工頻旁路係統

，負載機械將無法運轉，必須停機檢修

；

（6）漏油嚴重，對環境汙染大；可靠性差，維修難度大

，嚴重浪費人力及影響生產。

經jing過guo以yi上shang的de分fen析xi
，既ji要yao滿man足zu工gong藝yi要yao求qiu，又you要yao達da到dao調tiao速su節jie能neng的de目mu的de，采cai用yong高gao壓ya變bian頻pin器qi對dui電dian機ji進jin行xing拖tuo動dong控kong製zhi最zui為wei理li想xiang。方fang案an定ding為wei一yi拖tuo一yi方fang案an，如ru圖tu3所示。變頻器選用專業製造高壓變頻的北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-A係列高壓變頻器。

圖3：高壓變頻器一拖一方案 
 

HARSVERT-A係列高壓變頻器為交—直—交電壓源型變頻器，采用直接“高-高”bianhuanxingshi
，weidanyuanchuanlianduodianpingtuopujiegou，zhutijiegouyouduozugonglvmokuaichuanlianercheng
，congeryougezudiyadiejiaerchanshengxuyaodegaoyashuchu，taduidianwangxiebowuranxiao，shurudianliuxiebojibianxiaoyu4%，電網輸入電壓諧波畸變小於2%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑製標準，輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置；輸出波形質量好
，輸出電流諧波畸變小於2%，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音
、輸出dv/dt、共模電壓等問題
，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，變頻器每個係統共有21個功率單元，每7個功率單元串連構成一相，其係統結構如圖4所示。其中(1)為高壓開關；(2)為幹式移相隔離變壓器
；(3)為電動機
；(4)為功率單元
；(5)為主控箱；(6)為人機接口；(7)為可編程控製器
；(8)為電流霍爾；(9)為電壓檢測。

（1）變頻調速的方法

交流異步電動機的輸出轉速由下式確定：

 n=60f(1—S)/p……

式中：n-電動機的輸出轉速

；f-輸入的電源頻率；S-電動機的轉差率；p-電機的極對數。

由公式可知，變頻調速就是通過改變輸入到交流電機的電源頻率
，從而達到調節交流電動機的輸出轉速的目的。

變頻調速係統是從電網直接接收工頻50Hz的交流電，經過交-直-交變頻方式，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調節的交流電直接輸出到交流電動機，實現交流電動機的變速運行。

（2）變頻調速的節能原理

除塵風機作為一種基本的風機類負載的工作特性如圖5所示。

曲線①為負載按轉速N₁工作時的特性曲線，曲線②為負載按轉速N₂工作時的特性曲線
，③④為管網的阻力曲線。在第一種負載工況下，負載工作在A點，流量為Q₁，壓力為H₁。如果負載仍然按N₁速度定速運行
，用擋板將流量調節為Q₂時，壓力將上升到H₃，負載工作點移到B點。由於擋板的截流作用
，管網阻力曲線由③變為④。

在A、B兩點，負載功率分別為P_A＝H₁×Q₁
，P_B＝H₃×Q₂，雖然Q₂＜Q₁，但H₃＞H₁，實際減小的功率有限。

如果不采用擋板調節
，這時管網阻力特性保持曲線③不變，改用調節負載速度來減小流量，負載改按速度N₂運行，工作特性為曲線②，負載工作在C點，流量仍然為Q₂，但壓力為H₂。

相比B

、C兩點，負載減少的軸功率為：ΔP＝P_B- P_C＝（H₃–H₂）×Q₂

在風道阻力特性不變的情況下
，離心式風機的風量Q
、壓力H
、軸功率P和轉速N之間滿足如下關係（相似定理）：Q∝N
，H∝N²,P∝N³

所以有：

就是說，通過調速方式改變風機風量，風量下降一半時
，在不考慮到效率的情況下，風機軸功率將下降87.5%。這也是為什麼變頻調速在風機應用上節能十分顯著的原因。

另外
，工頻50Hz電網直接啟動，對電網和機械衝擊較大
，聲響很大，估算其啟動一次的損耗:Ws=0.5Jwo²(1+r1/r2)T_m/T_m-T_L，風機類負載的平方轉矩特性與異步電動機起動時的機械特性曲線部分相似，可以T_m/T_m-T_L=1計。而變頻軟起動損耗很小，隻有上述Ws十分之一，則每年的起動節能也是很可觀的。

當采用變頻調速時，50Hz滿載時功率因數為接近l，工作電流比電機額定電流值要低許多


，這是由於變頻裝置的內濾波電容產生的改善功率因數的作用
，可以為電網節約容量20%左右。

6＃高爐出鐵場除塵風機電機參數：額定功率710kW
，額定電壓6000V，額定電流89 A，功率因數0.816，額定轉速740r/min。

目前帶變頻器時運行實際輸入值為：電機高速時（45Hz）電流為50—55A左右，電機低速時（5Hz）電流為1.36A。根據公式：變頻器出入電壓U₁×變頻器輸入電流I₁×變頻器本身功率因數＝變頻器輸出電壓U₂×工頻電流I₂×電機功率因數，以上實際運行工頻電流為：電機高速時59－65A，電機低速時為18A。

電機高速時，輸入電流55A
，輸入電壓6450V，轉速740r/min，電機低速時，輸入電流1.3A
，輸入電壓540V，轉速76r/min。

實際不用變頻器時工頻電流為65A，這可能與變頻器讀數顯示不準有關，現僅以變頻器顯示數據為依據進行節能核算。煉鐵出鐵時間與不出鐵時間按60%對40%考慮。每年按8000小時考慮。

電機工頻狀態下，每年耗電量為

×Ue×I×cosΦ=1.732×6.450×65×0.816＝592.5kW·h

每度電按0.5元算
，592.5×8000×0.5＝2370124元。

電機帶變頻時：轉速與頻率成正比
，功率與轉速關係為P/P_e＝（n/ne）³，

所以電機高速時：P＝P_e×（n/n_e）³/0.96=739.5kW·h，

電費為：739.5×（8000×60%）×0.5＝1774800元，

電機低速時：P＝P_e×（n/n_e）³/0.96＝0.74 kW·h
，

電費為：0.74×（8000×40%）×0.5＝1184元。

一年省去電費為：2370124－1774800－1184＝594140元，節省比例為：594140/2370124=0.25
，耗電節省為25％，1年半能收回成本。

（1）維護量減少

采cai用yong變bian頻pin調tiao速su後hou，無wu論lun哪na種zhong工gong藝yi條tiao件jian，隨sui時shi可ke以yi通tong過guo調tiao整zheng轉zhuan速su使shi係xi統tong在zai接jie近jin額e定ding狀zhuang態tai下xia工gong作zuo，通tong常chang情qing況kuang下xia
，變bian頻pin調tiao速su係xi統tong的de應ying用yong主zhu要yao是shi為wei了le降jiang低di電dian機ji的de轉zhuan速su。由you於yu啟qi動dong緩huan慢man及ji轉zhuan速su的de降jiang低di
，相xiang應ying地di延yan長chang了le許xu多duo零ling部bu件jian的de壽shou命ming；同時極大的減輕了對管道的衝擊，有效延長了管道的檢修周期

，減少了檢修維護開支，節約大量維護費用。

（2）工作強度降低

由(you)於(yu)調(tiao)速(su)係(xi)統(tong)在(zai)運(yun)轉(zhuan)設(she)備(bei)與(yu)備(bei)用(yong)設(she)備(bei)之(zhi)間(jian)實(shi)現(xian)計(ji)算(suan)機(ji)聯(lian)鎖(suo)控(kong)製(zhi)，機(ji)組(zu)實(shi)現(xian)自(zi)動(dong)運(yun)行(xing)和(he)相(xiang)應(ying)的(de)保(bao)護(hu)及(ji)故(gu)障(zhang)報(bao)警(jing)，操(cao)作(zuo)工(gong)作(zuo)由(you)手(shou)動(dong)轉(zhuan)變(bian)為(wei)監(jian)控(kong)，完(wan)全(quan)實(shi)現(xian)生(sheng)產(chan)的(de)無(wu)人(ren)操(cao)作(zuo)，大(da)大(da)降(jiang)低(di)了(le)勞(lao)動(dong)強(qiang)度(du)，提(ti)高(gao)了(le)生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)，為(wei)優(you)化(hua)運(yun)營(ying)提(ti)供(gong)了(le)可(ke)靠(kao)保(bao)證(zheng)。

（3）減少了對電網的衝擊

采cai用yong變bian頻pin調tiao節jie後hou，係xi統tong實shi現xian軟ruan啟qi動dong，電dian機ji啟qi動dong電dian流liu遠yuan遠yuan小xiao於yu額e定ding電dian流liu，啟qi動dong時shi間jian相xiang應ying延yan長chang，對dui電dian網wang無wu大da的de衝chong擊ji
，減jian輕qing了le起qi動dong機ji械xie轉zhuan矩ju對dui電dian機ji機ji械xie損sun傷shang
，有you效xiao的de延yan長chang了le電dian機ji的de使shi用yong壽shou命ming。

高壓變頻調速係統是直接串聯於高壓電源與高壓電機之間的變頻調速設備，以其安全、良liang好hao的de運yun行xing性xing能neng正zheng快kuai速su的de替ti代dai其qi它ta調tiao速su產chan品pin，全quan麵mian的de進jin入ru到dao各ge個ge行xing業ye的de節jie能neng項xiang目mu中zhong。利li用yong高gao壓ya變bian頻pin調tiao速su技ji術shu的de目mu的de是shi改gai變bian設she備bei的de運yun行xing速su度du
，以yi實shi現xian調tiao節jie現xian場chang工gong況kuang，大da大da提ti高gao了le係xi統tong的de自zi動dong化hua程cheng度du

，既ji滿man足zu了le生sheng產chan要yao求qiu
，又you達da到dao了le節jie約yue電dian能neng
，同tong時shi使shi維wei護hu量liang大da大da降jiang低di，為wei企qi業ye帶dai來lai可ke觀guan的de效xiao益yi。在zai電dian機ji係xi統tong的de節jie能neng中zhong，高gao壓ya變bian頻pin器qi以yi其qi節jie能neng的de力li度du
，起qi著zhe重zhong要yao的de作zuo用yong。

 

作者簡介：任豔豔（1975-），女（漢族），河南濟源人
，濟源職業技術學院機電係講師，工程碩士，研究方向：單片機
、PLC及自動控製係統的研究。