IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器在煉鐵廠沖渣泵上的應(yīng)用
沖渣泵上的應(yīng)用，分析了節(jié)能原理及節(jié)能效益，以及IGBT直接高壓變頻器的先進(jìn)性。
關(guān)鍵詞：高壓大功率變頻器 IGBT直接串聯(lián) 沖渣泵 節(jié)能
1 引言
廣東省韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱韶鋼）位于韶關(guān)市南郊，占地面積8.32平方千米。韶
鋼是中國(guó)500家最大工業(yè)企業(yè)和國(guó)家512家重點(diǎn)企業(yè)之一，世界100家大型鋼鐵企業(yè)排行第95位，
具有年產(chǎn)鋼160萬(wàn)噸以上能力。煉鐵廠是韶鋼的一個(gè)主體生產(chǎn)廠，負(fù)責(zé)公司所需鐵水和鐵塊冶煉。煉鐵廠現(xiàn)有6座高爐，總爐容2405m3，年產(chǎn)生鐵230萬(wàn)噸。
高爐冶煉鐵水過(guò)程中產(chǎn)生大量的熔渣，通常是用大流量的中壓水將其降溫并沖散，同時(shí)輸送到
水渣池回收，作為煉鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品。高爐生產(chǎn)是不間斷的，一般情況下每天出鐵15次，在高爐出
鐵前、后各放一次渣，兩次出渣時(shí)間約30分鐘，在此時(shí)間內(nèi)要求水沖渣系統(tǒng)的水泵滿負(fù)荷工作，其
余時(shí)間水泵只需保持約30%水流量防止管道堵塞即可。我廠4#-高爐使用ZGB-300型沖渣泵，機(jī)組有關(guān)數(shù)據(jù)如下：
壓6300V，電機(jī)運(yùn)行電流33A，功率因數(shù)81.6%，耗電功率294kW。不需沖渣水時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)閥門在30%來(lái)調(diào)節(jié)水流量（此時(shí)電機(jī)電流25A），耗電功率214kW，一方面導(dǎo)致大量的節(jié)能損失，另一方面頻繁操作閥門，致使其使用壽命大大降低，增加了停產(chǎn)更換閥門的時(shí)間，為此我廠決定對(duì)4#高爐沖渣泵進(jìn)行改造。
2 系統(tǒng)方案選擇
在選擇調(diào)速方案時(shí)，我們?cè)鴱墓?jié)省投資出發(fā)考慮過(guò)使用調(diào)速型液力偶合器，但由于需將原機(jī)組
的混凝土基礎(chǔ)全部打掉重新?lián)v制，工作量大、施工周期長(zhǎng)，將影響正常生產(chǎn)，為此決定采用高壓變
頻調(diào)速器。
面對(duì)當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的眾多高壓變頻產(chǎn)品，2001年初，我們組織專業(yè)人員對(duì)國(guó)內(nèi)外高電壓、大功率
的變頻器這一新技術(shù)進(jìn)行了全面慎重的考察論證，最后決定采用國(guó)產(chǎn)高電壓、大功率變頻調(diào)速裝置，原因如下：
1、目前國(guó)產(chǎn)高壓大功率變頻器已具備和國(guó)外產(chǎn)品相抗衡的技術(shù)水平；
2、更符合中國(guó)國(guó)情，如：變頻器性能更適合國(guó)內(nèi)電網(wǎng)狀況、全中文操作界面等；
3、產(chǎn)品備件采購(gòu)方便；
4、售后服務(wù)及時(shí)、周到 ；
6、性價(jià)比高于國(guó)外同類產(chǎn)品。
通過(guò)招標(biāo)形式，我公司選用了國(guó)內(nèi)實(shí)力雄厚的成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的JCS—
6kV/400kW IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器。
3 佳靈IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器原理及特點(diǎn)
目前，低壓變頻調(diào)速技術(shù)已比較成熟，但在高壓變頻調(diào)速技術(shù)方面，由于變頻器的核心功率器
件耐壓有限，所以高壓變頻器并不象低壓變頻器一樣具有簡(jiǎn)單統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了當(dāng)今各
種各樣的結(jié)構(gòu)。
佳靈高壓變頻器由于解決了IGBT直接串聯(lián)這一世界性難題，使其具有和低壓變頻器一樣簡(jiǎn)單
的結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品成功融入IGBT直接串聯(lián)技術(shù)、正弦波技術(shù)、抗共模電壓技術(shù)和直接速度控制（DSC）技術(shù)，使得產(chǎn)品具有與其它形式（單元串聯(lián)多重化、中心點(diǎn)箝位三電平等）產(chǎn)品無(wú)法比擬的優(yōu)越性，該產(chǎn)品已被列為“國(guó)家重點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目”。
圖1 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器原理圖
圖1可以看出：該系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器，經(jīng)過(guò)高壓二極管全橋整流、
直流平波電抗器和電容濾波，再經(jīng)逆變器逆變，加上正弦波濾波器，簡(jiǎn)單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動(dòng)機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)在于：
1、 整個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有輸入輸出變壓器，體積小重量輕，僅為其他品牌體積的1/2，減少了基建投資，解
2、 決了我廠基建空間不足的實(shí)際情況。
3、 由于該變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)變壓器，所以故障點(diǎn)大大減少，整個(gè)系統(tǒng)效率高，額定負(fù)載效率98%以上。
3、采用正弦波技術(shù)，大大提高輸出波形質(zhì)量，輸出電壓諧波含量小于3%，特有的共模技術(shù)使整個(gè)
系統(tǒng)的共模電壓及輸出du/dt值完全符合MGI的標(biāo)準(zhǔn)，消除了電機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象，減小了軸承和葉片的
機(jī)械應(yīng)力，不需更換我廠原有的舊電機(jī)，無(wú)需降容使用。
4、 采用用直接速度控制技術(shù)（DSC），響應(yīng)速度高于其它同類產(chǎn)品，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，低速仍能保持平
5、 滑靜音運(yùn)行。
6、 可實(shí)現(xiàn)工頻旁路，檢修方便，而且具有完善的系統(tǒng)保護(hù)功能。
4 改造方案
由電機(jī)轉(zhuǎn)速公式可知 ： n=60f ×(1-s) /p
其中：s－ 轉(zhuǎn)差率
n－ 轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）
f －電流頻率
p－電機(jī)的極對(duì)數(shù)
可見(jiàn)，只要改變電機(jī)的頻率f，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，高電壓大功率變頻器通過(guò)控制IGBT
（絕緣柵雙極型電力場(chǎng)效應(yīng)管）的導(dǎo)通和關(guān)斷，使輸出頻率連續(xù)可調(diào)。而且是隨著頻率的變化，輸
出電流、電壓、功率都將發(fā)生變化，即負(fù)荷大時(shí)轉(zhuǎn)速大，輸出功率大，負(fù)荷小時(shí)轉(zhuǎn)速小，輸出功率
也小。
由流體力學(xué)可知：
Q′=Q(n′/n)
H′=H(n′/n)2
P′=P(n′/n)3
當(dāng)泵機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)節(jié)電為
E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)
式中：n－額定轉(zhuǎn)速
n′－ 實(shí)際轉(zhuǎn)速
P－ 額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率
T－工作時(shí)間
可見(jiàn)，通過(guò)變頻改造，沖渣泵流量Q、壓力H及軸功率P都將發(fā)生較大的改變，不但節(jié)能而且
大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。
以上公式為我廠提供了充分理論依據(jù)，我廠根據(jù)沖渣泵的實(shí)際特性對(duì)其進(jìn)行了具體改造，沖渣
泵在沖渣時(shí)工作在49.5Hz，在不沖渣時(shí)工作在25Hz，考慮到工藝對(duì)調(diào)速精度要求不是很高，本系統(tǒng)只采用開(kāi)環(huán)控制并在高爐值班室操作，需沖渣時(shí)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)一個(gè)“1”的信號(hào)，電機(jī)高速運(yùn)行，不需沖渣時(shí)將此信號(hào)取消，電機(jī)低速運(yùn)行，取得了很好的節(jié)能效果。
5 改造后的系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況
變頻器到廠后，我廠技術(shù)人員同成都佳靈電氣制造有限公司派出的技術(shù)人員一道，經(jīng)過(guò)幾天的
安裝，一次性調(diào)試成功。于2001年11月28日開(kāi)始正式運(yùn)行，現(xiàn)已累計(jì)運(yùn)行18個(gè)月，經(jīng)過(guò)反復(fù)多
種測(cè)試各運(yùn)行參數(shù)一直正常，變頻器質(zhì)量性能良好，安全可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求：
1、諧波抑制效果良好。電壓諧波含量小于3%，符合IEEE519-1992和GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)。
2、各種保護(hù)功能完善。過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、故障保護(hù)等功能可靠，并且考慮了外部電網(wǎng)的防雷擊等
多環(huán)節(jié)保護(hù)功能。
3、各種指示功能完備。具有輸入、輸出電流和電壓、運(yùn)行頻率、故障顯示、運(yùn)行狀態(tài)指示等功能。
4、操作簡(jiǎn)便。同普通的低壓變頻器的功能操作方式相似，功能設(shè)置和調(diào)整簡(jiǎn)單方便。
6 節(jié)能量的驗(yàn)證及測(cè)試方法
1、測(cè)量無(wú)變頻調(diào)速時(shí)另一臺(tái)機(jī)組在工頻電壓下運(yùn)行的電壓、電流、功率因數(shù)。
2、測(cè)量有變頻調(diào)速時(shí)機(jī)組在49.5Hz頻率電壓下運(yùn)行變頻器輸入端的電壓、電流、功率因數(shù)。
3、測(cè)量有變頻調(diào)速時(shí)機(jī)組在25Hz頻率電壓下運(yùn)行變頻器輸入端的電壓、電流、功率因數(shù)。
4、測(cè)量?jī)x表型號(hào)為：電壓互感器：JDZJ—6；電壓表：16L1-V；電流互感器：LZZB—10 50/5；電流表：16L1-A；功率因數(shù)鉗型表：HIOI—3266。
5、 通過(guò)上述測(cè)量參數(shù)，根據(jù)：P=1.732U×Icosф
計(jì)算得出：P50=294kW、P49.5=214kW、P25=82kW。
7 改造效益
1、節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益
機(jī)組49.5Hz運(yùn)行和無(wú)變頻器運(yùn)行相比可節(jié)省功率ΔP1=P50—P49.5=80kW
機(jī)組25Hz運(yùn)行和無(wú)變頻器運(yùn)行相比可節(jié)省功率ΔP2=214kW—P25=132kW
年節(jié)電量：ΔW=（H1ΔP1+H2ΔP2）=365（7.5×80+132×16.5）=1013970kW.h
（注：每年按365天計(jì),H1：沖渣時(shí)間=15×30/60=7.5小時(shí)；H2：不沖渣時(shí)間=24—7.5=16.5小時(shí)）
經(jīng)濟(jì)效益：ΔW電價(jià)=1013970×0.56=567823(元)（注：韶鋼廠工業(yè)電價(jià)0.56元/kW.h）
2、節(jié)約維修費(fèi)用：
因沖渣水含有大量的爐渣，原系統(tǒng)管道和閥門在含渣水的高速?zèng)_刷下，很短時(shí)間內(nèi)管壁就會(huì)變
薄、閥門密封損壞須重新更換，一般情況下每年需維修費(fèi)用約15萬(wàn)元。經(jīng)變頻調(diào)速改造后，有一半
時(shí)間內(nèi)管道的水流速度降低，磨擦減少，管道和閥門的使用壽命大大延長(zhǎng)，每年可降低維修費(fèi)用約
1/3，即5萬(wàn)元。
3、實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)功能，延長(zhǎng)了電機(jī)壽命，大大減少了沖渣泵故障發(fā)生率。
4、提高了自動(dòng)化水平，節(jié)約了大量工業(yè)用水。
由上述可知，綜合經(jīng)濟(jì)效益每年可達(dá)60多萬(wàn)元，一年即可全部收回成本。
8 結(jié)論
通過(guò)對(duì)沖渣泵系統(tǒng)的變頻調(diào)速的技術(shù)改造，我廠使用了成都佳靈電氣制造有限公司制造的IGBT
直接串聯(lián)高壓變頻器，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行檢驗(yàn)，證明該產(chǎn)品性能可靠、功能齊全、技術(shù)先進(jìn)，說(shuō)
明國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的高壓變頻器在技術(shù)上已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平。由于IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器無(wú)
輸入輸出變壓器、體積小、性價(jià)比高、綜合性能好等方面均超過(guò)了國(guó)內(nèi)外其它產(chǎn)品，是新一代高性
能高壓變頻產(chǎn)品的代表，為高壓變頻調(diào)速技術(shù)在我廠內(nèi)其它工序的技術(shù)改造提供了一條可行的途徑，在高壓變頻改造領(lǐng)域具有極大的推廣價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
1 吳加林. IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器 北京: 電工技術(shù)雜志, 2003（2）
2 吳忠智，吳加林. 變頻器應(yīng)用手冊(cè)第2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002
作者簡(jiǎn)介
戴躍年 男 1958年生 1989年畢業(yè)于韶關(guān)鋼鐵廠職工大學(xué)電氣自動(dòng)化專業(yè)，電氣工
程師，現(xiàn)從事經(jīng)濟(jì)管理工作。
孫勇 男 1963年生 電氣助理工程師，現(xiàn)從事電氣現(xiàn)場(chǎng)管理工作。
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