变频与传动——高压变频器原理及应用

5.应用实例：IGBT直接串联高压变频器在 炼铁厂冲渣泵上的应用

5.1 应用概况

永峰钢厂是莱钢集团公司的一个主要生产厂，负责公司所需铁水和铁块冶炼。高炉冶炼铁水过程中产生大量的熔渣，通常是用大流量的中压水将其降温并 冲散，同时输送到水渣池回收，作为炼铁生产的副产品。高炉生产是不间断的，一般情况下每天出铁15次，在高炉出铁前、后各放一次渣，两次出渣时间约 30min，在此时间内要求水冲渣系统的水泵满负荷工作，其余时间水泵只需保持约30%水流量防止管道堵塞即可。4#-高炉使用ZGB-300型冲渣泵，原系统运行时，起动前管道进出水阀门关闭，起动后阀门开度约90%，机组全速运行，电网电压6300V，电机运行电流33A，功率因数81.6%，耗电功率294kW。不需冲渣水时通过调节阀门在30%来调节水流量(此时电机电流25A)，耗电功率214kW，一方面导致大量的节能损失，另一方面频繁操作阀门，致使其使用寿命大大降低，增加了停产更换阀门的时间，为此公司决定对4#高炉冲渣泵进行改造。

5.2 改造方案

由电机转速公式n=60f×(1-s)/p可知:只要改变电机的频率f，就可以实现电机的转速调节，高电压大功率变频器通过控制IGBT(绝缘栅双极型电力场效应管)的导通和关断，使输出频率连续可调。而且是随着频率的变化，输出电流、电压、功率都将发生变化，即负荷大时转速大， 输出功率大，负荷小时转速小，输出功率也小。

由流体力学：：Q′=Q(n′/n) 、H′=H(n′/n)2 、P′=P(n′/n)3 可知: 当泵机低于额定转速时节电为：E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)

可见，通过变频改造，冲渣泵流量Q、压力H及轴功率P都将发生较大的改 变，不但节能而且大大提高了设备运行性能。根据冲渣泵的实际特性对其进行了具体改造，冲渣泵在冲渣时工作在49.5Hz，在不冲渣时工作在25Hz，考虑 到工艺对调速精度要求不是很高，本系统只采用开环控制并在高炉值班室操作，需冲渣时给调节系统一个“1”的信号，电机高速运行，不需冲渣时将此信号取消，电机低速运行，取得了很好的节能效果。

5.3 改造后的系统实际运行状况

根据18个月的运行，经过反复多种测试各运行参数一直正常，变频器质量性能良好，安全可靠，各项指标均达到了设计要求.

(1)谐波抑制效果良好。电压谐波含量小于3%，符合IEEE519-1992和GB/T14549-93标准。

(2)各种保护功能完善。过流、过压、欠压、故障保 护等功能可靠，并且考虑了外部电网的防雷击等多环节保护功能。

(3)各种指示功能完备。具有输入、输出电流和电压、运行频率、故障显示、运行状态指示等功能。

(4)操作简便。同普通的低压变频器的功能操作方式相似，功能设置和调整简单方便。

5.4改造效益

机组49.5Hz运行和无变频器运行相比可节省功率ΔP1=P50-P49.5=80kW；

机组25Hz运行和无变频器运行相比可节省功率ΔP2=214kW-P25=132kW；

年节电量:ΔW= (H1ΔP1+H2ΔP2)=365(7.5×80+16.5×132)=1013970kWh；

(注:每年按365天 计H1:冲渣时间=15×30/60=7.5小时;H2:不冲渣时间=24-7.5=16.5小时)；

经济效益:ΔW电价=1013970×0.56=567823元(注:莱钢厂工业电价0.56元/kWh)；

实现电机软起动功能，延长了电机寿命，大大减少了冲渣泵故障发生率；

提高了自动化水平，节约了大量工业用水；

由上述可知，综合经济效益每年可达60多万元，一年即可全部收回成本。

5.5 结论

通过对冲渣泵系统的变频调速的技术改造，经过较长时间的运行检验，证明该产品性能可靠、功能齐全、技术先进，说明国内自主开发的高压变频器在技术上已经处于世界先进水平。由于IGBT直接串联高压变频器无输入输出变压器、体积小、性价比高、综合性能好等方面均超过了国内外其它产品，是新一代高性能高 压变频产品的代表，为高压变频调速技术在厂内其它工序的技术改造提供了一条可行的途径，在高压变频改造领域具有极大的推广价值。