高壓變頻調速技術在連鑄噴霧冷卻供水系統中的應用
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系統及其在連鑄噴霧冷卻供水系統中的應用。
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銹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，該泵組在工頻運行下供水管網壓力過高，對連鑄生產造成不利影響。同時，為保證供水連續性，在連鑄機待機時該泵組仍在全負荷供水，此時工業水從泄壓閥流回工業水池，造成了電能的巨大浪費。
隨著新型電力電子器件的不斷涌現和計算技術的飛速發展，高壓變頻調速系統得到了廣泛應用。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、經濟多方面分析后，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。對于異步電動機而言，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系式：
由上式可見，電機的同步轉速n0(n0=60f/p)正比于電機的運行頻率f，由于轉差率s一般情況下比較小（0～0.05），電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速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系統
（1）系統結構
HARSVERT-A系列高壓變頻調速系統結構如圖1所示。系統主要由移相變壓器柜、功率柜和旁路柜組成。10kV系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24個功率單元，串聯方式采用星型接法，中性點浮空。每個功率單元由電網電壓經移相變壓器的次級繞組供電，所有功率單元都通過光纖接收來自同一個中央控制器的指令，以調節輸出電壓，功率單元輸出電壓串聯后得到可變頻率的高壓電供給電動機。
（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后可輸出相電壓5520V，每兩相間相差120°電角度。
由于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。
2.3 單元串聯多電平型高壓變頻調速系統主要特點
(1) 功率單元故障時繼續運行
當某個功率單元發生故障時可自動旁路運行，變頻器不停機，即在每個功率單元輸出端之間并聯旁路電路，當功率單元故障時，封閉對應功率單元IGBT的觸發信號，然后讓旁路導通，保證電機電流能通過，仍形成通路。
為保證三相輸出電壓對稱，有的系統是在旁路故障功率單元的同時，另外兩相對應的兩個功率單元也同時旁路，這樣將使輸出電壓明顯下降，變頻器需降額使用。以10kV系統為例，當1個功率單元故障后，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系列高壓變頻調速系統采用零點漂移法，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后的線電壓為U2，此時相電壓為Ub′＝7U/8，根據余弦定理，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。
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
移相變壓器二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真小于1%，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，每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小。功率單元采用較低的開關頻率，以降低開關損耗，提高效率。輸入電機的電壓等效開關頻率大大提高，電平數和等效開關頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機發熱、噪音和轉矩脈動都大大降低，因此對電機沒有特殊要求，可直接用于普通異步電動機。
(3) 系統故障可旁路到工頻運行
由于系統配有旁路柜，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的指令實現泵組變頻運行和工頻運行之間的電源自動切換，尤其在變頻器故障狀態下可將當前變頻運行的電機迅速切換至工頻運行，從而避免了管網壓力和流量的突變，滿足了連鑄生產用水連續性、可靠性的要求。
3．連鑄噴霧冷卻供水系統工藝簡介
連鑄噴霧冷卻供水泵組采用兩臺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，系統工藝流程如圖5所示。
正常運行時，單臺泵工頻運行，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于煉鋼廠入口處的旁通閥流回工業水池。
4．控制系統設計
4.1 系統電氣設計
根據實際工況要求，由于連鑄機在生產時對供水的連續性要求非常高，如果突然中斷供水將會嚴重影響產品質量，從保證供水連續性角度考慮，結合供電系統的實際情況，決定采用恒壓供水控制方式，電氣主回路采用一拖二方案。
(1)電氣主回路原理
如圖6所示，QF1為1＃泵對應高壓柜內的真空斷路器，現用于向變頻器供電，QF2為2＃泵對應高壓柜內的真空斷路器，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安裝于旁路柜內，其中，真空接觸器用于電動機工頻和變頻運行的自動切換，高壓隔離開關一般情況下處于合閘狀態，僅在變頻器檢修時拉開，用于電動機工頻運行情況下對變頻器進行安全檢修。
(2) 改造后泵組運行方式
正常運行狀況下，單臺泵變頻運行，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，然后將備用泵變頻啟動至50Hz，此時，兩臺泵出口壓力相同，不會發生環流現象，最后將工頻運行的泵退出運行，變頻器根據設定壓力自動調節輸出頻率，以保持管網壓力恒定。
通過對真空接觸器的電氣聯鎖，保證兩臺泵不能同時變頻運行或工頻運行，同一臺泵不能工頻和變頻同時運行。
4.2控制系統網絡設計
如圖7所示，原系統采用一體化控制系統來完成各系統的溫度、壓力、流量、液位等工藝參數的顯示、控制以及各類泵、閥等設備的監控操作和電氣室中電氣設備的監視。中央監控系統共設置兩臺服務器、三臺操作站，同時設有三個AS（自動化控制系統）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。兩臺服務器、三套PLC通過100Mbps冗余光纖環形網相連，三臺操作站通過以太網與兩臺服務器相連，轉發控制命令。配置一臺打印機，用于報表打印。
高壓變頻器控制系統由原PCS7系統中的上位機、主控PLC、高壓變頻器組成。應用原系統中的一套PLC作為主控制器，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系統是一個結構完整、性能完善的新一代自動化控制系統，它體現了當代過程控制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。其中人機界面的開發、系統組態應用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，把系統的各種工作編成功能塊，在主程序中調用，方便易用，便于用戶理解、修改。
（2）控制功能描述
對于變頻泵組的控制分為就地控制方式和遠程控制方式兩種。
在就地控制方式下，在變頻器控制柜的觸摸屏上手動啟動變頻器，并設定運行頻率，然后通過旁路柜的控制按鈕實現電機的變頻啟動；同時，也可以利用原有的就地控制箱實現工頻啟動。
在遠程控制方式下，分為遠程自動控制和遠程手動控制。在遠程自動控制方式下，可人工設定管網的控制壓力，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模塊運算后，給出變頻器運行頻率信號，從而調節電機轉速，保持管網壓力恒定。此外，在自動控制方式下的壓力設定值分為連鑄機生產時的定值和連鑄機待機時的定值，后者遠小于前者，二者的選擇根據連鑄機的起、停信號來控制，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
5.2 工頻狀態下的年耗電量計算
表3：變頻狀態下電機功耗
6．結束語
通過高壓變頻技術改造，完全實現了設計要求，降低了供水管網的運行壓力，改善了連鑄噴霧冷卻供水系統的運行工況，克服原有工頻運行下出口壓力高、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)
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銹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，該泵組在工頻運行下供水管網壓力過高，對連鑄生產造成不利影響。同時，為保證供水連續性，在連鑄機待機時該泵組仍在全負荷供水，此時工業水從泄壓閥流回工業水池，造成了電能的巨大浪費。
隨著新型電力電子器件的不斷涌現和計算技術的飛速發展，高壓變頻調速系統得到了廣泛應用。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、經濟多方面分析后，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。對于異步電動機而言，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系式：
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2.2 單元串聯多電平型高壓變頻調速系統
（1）系統結構
HARSVERT-A系列高壓變頻調速系統結構如圖1所示。系統主要由移相變壓器柜、功率柜和旁路柜組成。10kV系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24個功率單元，串聯方式采用星型接法，中性點浮空。每個功率單元由電網電壓經移相變壓器的次級繞組供電，所有功率單元都通過光纖接收來自同一個中央控制器的指令，以調節輸出電壓，功率單元輸出電壓串聯后得到可變頻率的高壓電供給電動機。
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| HARSVERT-A系列高壓變頻調速系統電路拓撲圖 |
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后可輸出相電壓5520V，每兩相間相差120°電角度。
由于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 |
(1) 功率單元故障時繼續運行
當某個功率單元發生故障時可自動旁路運行，變頻器不停機，即在每個功率單元輸出端之間并聯旁路電路，當功率單元故障時，封閉對應功率單元IGBT的觸發信號，然后讓旁路導通，保證電機電流能通過，仍形成通路。
為保證三相輸出電壓對稱，有的系統是在旁路故障功率單元的同時，另外兩相對應的兩個功率單元也同時旁路，這樣將使輸出電壓明顯下降，變頻器需降額使用。以10kV系統為例，當1個功率單元故障后，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系列高壓變頻調速系統采用零點漂移法，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后的線電壓為U2，此時相電壓為Ub′＝7U/8，根據余弦定理，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：單個功率單元旁路后的電壓相量圖 |
(2) 電機側的諧波和dv/dt少，適用普通異步電動機
移相變壓器二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真小于1%，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，每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小。功率單元采用較低的開關頻率，以降低開關損耗，提高效率。輸入電機的電壓等效開關頻率大大提高，電平數和等效開關頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機發熱、噪音和轉矩脈動都大大降低，因此對電機沒有特殊要求，可直接用于普通異步電動機。
(3) 系統故障可旁路到工頻運行
由于系統配有旁路柜，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的指令實現泵組變頻運行和工頻運行之間的電源自動切換，尤其在變頻器故障狀態下可將當前變頻運行的電機迅速切換至工頻運行，從而避免了管網壓力和流量的突變，滿足了連鑄生產用水連續性、可靠性的要求。
3．連鑄噴霧冷卻供水系統工藝簡介
連鑄噴霧冷卻供水泵組采用兩臺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，系統工藝流程如圖5所示。
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| 圖5：連鑄噴霧冷卻供水系統工藝流程圖 |
4．控制系統設計
4.1 系統電氣設計
根據實際工況要求，由于連鑄機在生產時對供水的連續性要求非常高，如果突然中斷供水將會嚴重影響產品質量，從保證供水連續性角度考慮，結合供電系統的實際情況，決定采用恒壓供水控制方式，電氣主回路采用一拖二方案。
(1)電氣主回路原理
如圖6所示，QF1為1＃泵對應高壓柜內的真空斷路器，現用于向變頻器供電，QF2為2＃泵對應高壓柜內的真空斷路器，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安裝于旁路柜內，其中，真空接觸器用于電動機工頻和變頻運行的自動切換，高壓隔離開關一般情況下處于合閘狀態，僅在變頻器檢修時拉開，用于電動機工頻運行情況下對變頻器進行安全檢修。
(2) 改造后泵組運行方式
正常運行狀況下，單臺泵變頻運行，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，然后將備用泵變頻啟動至50Hz，此時，兩臺泵出口壓力相同，不會發生環流現象，最后將工頻運行的泵退出運行，變頻器根據設定壓力自動調節輸出頻率，以保持管網壓力恒定。
通過對真空接觸器的電氣聯鎖，保證兩臺泵不能同時變頻運行或工頻運行，同一臺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 |
如圖7所示，原系統采用一體化控制系統來完成各系統的溫度、壓力、流量、液位等工藝參數的顯示、控制以及各類泵、閥等設備的監控操作和電氣室中電氣設備的監視。中央監控系統共設置兩臺服務器、三臺操作站，同時設有三個AS（自動化控制系統）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。兩臺服務器、三套PLC通過100Mbps冗余光纖環形網相連，三臺操作站通過以太網與兩臺服務器相連，轉發控制命令。配置一臺打印機，用于報表打印。
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| 圖7：監控系統網絡結構圖 |
4.3 軟件設計
（1） 應用軟件簡介
PCS7系統是一個結構完整、性能完善的新一代自動化控制系統，它體現了當代過程控制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。其中人機界面的開發、系統組態應用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，把系統的各種工作編成功能塊，在主程序中調用，方便易用，便于用戶理解、修改。
（2）控制功能描述
對于變頻泵組的控制分為就地控制方式和遠程控制方式兩種。
在就地控制方式下，在變頻器控制柜的觸摸屏上手動啟動變頻器，并設定運行頻率，然后通過旁路柜的控制按鈕實現電機的變頻啟動；同時，也可以利用原有的就地控制箱實現工頻啟動。
在遠程控制方式下，分為遠程自動控制和遠程手動控制。在遠程自動控制方式下，可人工設定管網的控制壓力，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模塊運算后，給出變頻器運行頻率信號，從而調節電機轉速，保持管網壓力恒定。此外，在自動控制方式下的壓力設定值分為連鑄機生產時的定值和連鑄機待機時的定值，后者遠小于前者，二者的選擇根據連鑄機的起、停信號來控制，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
| 變頻改造前 | 變頻改造后 | |||
| 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 |
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| 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 |
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| 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 |
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通過高壓變頻技術改造，完全實現了設計要求，降低了供水管網的運行壓力，改善了連鑄噴霧冷卻供水系統的運行工況，克服原有工頻運行下出口壓力高、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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