高壓大功率變頻器在焦爐除塵風機生產中的應用
摘要：本文分析了高壓變頻器在首鋼京唐鋼鐵焦爐除塵風機中應用，通過計算分析以及實際運行的效果，證明了高壓變頻器在電機系統節能和工藝要求中的重要作用。
關鍵詞：高壓變頻器 變頻調速 節能。
一、引言
隨著國民經濟的迅速發展和現代化建設過程的加快實施，現代社會的工業化程度也越來越高。伴隨而來的是大量的能源消耗和能源浪費，并且隨著社會的進步發展；這種消耗和浪費還在進一步的加劇發生。由于能源的越來越少很多專家都預言：誰現在掌握了能源，將來就會掌握世界。因此，能源問題已經成為了一個新的世界性的話題。
放眼全球，在沒有找到新的能源情況下，各個國家的政府都強制性的制定了很多節能減排的方針。因此，節能減排已經成為了很多企業節約成本、創造剩余價值；甚至是生存的首要任務。尤其是在高能耗的冶金、石化、電力、礦業行業中。而這些企業多數的能耗都是在高壓電機的電能消耗上；電能的消耗約占整個企業電能的65－75%。所以，節能減排對于高壓電機來說顯得異常重要。不論是從電機的啟動、調速、制動抑或是滿足工藝來說，采用變頻調速系統無疑是最有效、最理想的方式。尤其在特定工藝和環境中，高電壓、大功率的電機采用變頻調速系統節能效果更加明顯。
二、高壓變頻器的原理和分類
（1） 高壓變頻器的原理
按照電機學的基本原理，交流異步電動機的轉速滿足如下的表達式：
n=(1-s)60f/p=n0(1-s)
式中： s——電動機的滑差
f——電動機的運行頻率
P——電動機的極對數
n——電動機的實際轉速
n0——電動機的同步轉速
從式中看出，電動機的同步轉速n0正比于電機的運行頻率。由于電動機的滑差一般情況下比較小（0-0.05），電動機的實際轉速約等于電動機的同步轉速，所以調節了電動機的供電頻率，就能改變電動機的實際轉速。這就是高壓變頻器的動作原理。
（2）高壓變頻器的電路結構
高壓變頻器的技術多種多樣。但是，無論哪種產品在電路構成上來說，都是一致的。高壓變頻器的電路都分為主電路和控制電路兩部分。如下圖所示：
① 主電路
主電路的主要構成分為三部分：
a將工頻電源電壓轉變為直流的整流電路。
b吸收整流電路和逆變電路產生的電壓或是電流脈動的濾波電路。
c將直流功率變換為交流功率的逆變電路。
② 控制電路
控制電路的主要構成分為五部分：
a用于電壓、電流、轉矩等計算的運算電路。
b用于電壓、電流檢測的檢測電路。
c用于驅動功率器件的驅動電路。
d用于閉環檢測的速度檢測電路。
e用于各種保護的保護電路。
（3）高壓變頻器的分類
變頻器的分類分為很多種，但是大多數是從以下幾個技術方面來進行分類：
按照主回路區分
① 交-交型
交-交結構沒有直流回路，每相都由兩個相互反并聯的整流電路組成，正橋提供正向相電流，反橋提供負向相電流。裝置元件數量比較多、元件利用率比較低、調頻范圍窄，為電網頻率的1/3～1/2、電網功率因素利用率低。
② 交-直-交
交-直-交結構先將電源交流電用整流電路轉變成直流電，再用逆變電路將直流電轉換為頻率可變的交流電。裝置元件數量比較少、元件利用率比較高、調頻范圍寬、由于采用PWM（Pulse Width Modulation，即脈沖寬度調制）方式調壓，功率因素高、電網功率因素利用率高。 （4）按照儲能方式區分
① 電流源
電流源型輸入采用可控整流，控制電流的大小。中間采用大電感，對電流進行平滑。逆變橋將直流電流轉換為頻率可變的交流電流，供給交流電機。由于采用了電抗作為中間直流回路，所以，輸出動態阻抗大、對電壓波動的敏感性大、逆變器件容易損壞、要求晶閘管耐壓高，對關斷時間無嚴格要求。
② 電壓源
電壓源型大多采用二極管進行全波整流。中間采用大電容濾波，對電壓進行平滑。逆變橋既控制電壓輸出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波電壓的頻率。由于采用了電容作為中間直流回路，所以，輸出動態阻抗小、對電壓波動的敏感性小、逆變器件不易損壞、對晶閘管耐壓低，關斷時間要求短。
（5）按照電平數區分
① 兩電平
采用6只可關斷功率器件與箝位二極管構成帶中性點的逆變電路。輸出和網側的諧波大；存在均壓問題。
② 三電平
采用12只可關斷功率器件與箝位二極管構成帶中性點的逆變電路。輸出和網側的諧波較小；可以保證均衡利用功率和變轉矩負載條件的運行。
③ 多電平
有若干個低壓PWM變頻功率單元，以輸出電壓串聯方式實現直接高壓輸出的方法。輸出和網側的諧波很小；輸出波形接近正弦波。
三、HARSVERT-A高壓變頻器的優勢
無論何種變頻器從其結構和實際的運行來看，都能起到一定的節能效果。但同時，從以上對變頻器的分析和特點看。采用交-直-交、電壓源型、多電平串聯拓撲結構的變頻器無疑是最理想的選擇。利德華福公司的HARSVERT-A正是基于交-直-交、電壓源型、多電平串聯拓撲結構的優點而生產的一種優質高壓變頻器。
HARSVERT-A具有以下優點：
①直接高壓輸入，高壓輸出、的特性。
②由于采用PWM技術實現變頻器的功率器件觸發，減少了主電路的損耗、提高了工作效率，很好的消除了輸出諧波。
③dv/dt和多電平消除了共模電壓，使得電機的振動和發熱得到了很好的控制。
④利用整流變壓器副邊繞組的相移來消除6 m ±1次以下網側諧波，使輸入諧波在4%以下。
⑤方便快捷、人性化的全中文操作界面。
⑥完善的變頻器保護措施。
⑦良好、快捷和優質的服務團隊。
四、案例剖析
2008年7.63米1#焦爐干熄焦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、運行、節能原理以及節能效果進行詳細的分析介紹。
（1）工藝介紹
現在的焦爐煉焦過程，把焦炭從幾百度的高溫冷卻到常溫的過程。越來越多的應用的是干熄焦工藝。干熄焦相比于常規的用水冷卻，不僅焦炭的品質優良。而且也更加的環保。干熄焦的過程時，從焦爐里出來的焦炭通過提升機，提升到一定的高度；焦罐開口，把焦炭傾倒到干熄焦的焦罐內，封口后；然后用高壓的氮氣使焦炭冷卻。當焦罐內的焦炭冷卻完成后，倒出。完成整個冷卻過程。
每次干熄焦冷卻完成出爐時間約4分鐘，為高速段，定為45Hz,可以調節；干熄焦在爐內冷卻時間約6分鐘，為低速段，定為37Hz,可以調節。
（2）變頻調節與其他調節的比較
在滿足工藝需求的情況下，調節風量的方法有很多種。常用的是：擋板調節、變頻調節、液力耦合調節等幾種方式。
① 液力耦合器調節
在實際的應用中，液力耦合器由于存在以下的局限性。所以，很難被用戶接受：
a液力耦合器需經常更換軸承，造成轉爐停產，不能滿足連續生產的需要。
b電動機的效率低，損耗大，尤其低速運行時，效率極低。
c 調節精度低、線性度差，響應慢。
d 啟動電流仍比較大，影響電網穩定。
e 液力耦合器故障時，無法切換至工頻旁路運行，必須停機檢修。
f 漏油嚴重，對環境污染大，地面被油污蝕嚴重。
g 調速范圍窄，轉速不穩定。
② 擋板調節
擋板調節雖然能夠滿足工藝需求。但是還是存在很多的弊端：
a調節精度低、響應慢。
b電能的損耗相當巨大。
c維護量大，機械故障高。
③ 變頻調節
在實際的應用中變頻調節，不僅能夠滿足工藝的需求，而且對工藝的提升、節能量以及維護成本還有重要的意義：
a 變頻器運行穩定、可靠。
b 在運行中出現故障，可自動切換工頻。
c 調速范圍大、效率高。
d 調速響應快、精度高。
e 減少了對電網的沖擊，延長電機的壽命。
f 節能效果明顯。
下圖是各種調節方式在實際的應用中節能對比：
（3） 理論節能分析
根據一般風機的負載工作特性，可以得出下面的負載曲線圖：
由此，我們可以做一個假設：即在風道的管網特性保證不變的情況下。由流體力學原理可以得出以下結論：
輸出流量Q與轉速n成正比：Q1/Q2=n1/n2 ……（1）
輸出壓力H與轉速n2成正比:H1/H2=(n1/n2)2 ……（2）
輸出軸功率P與轉速n3成正比:P1/P2=(n1/n2)3 ……（3）
即當輸出軸的轉速下降時，輸出軸的功率會以速度的立方量下降。就是說，通過調速方式改變風機風量。譬如：當輸出軸的轉速下降20%時，輸出軸的功率下降49%。這也是為什么變頻調速在風機應用上節能十分顯著的原因。
使用變頻技術不僅在實際的運行中起到節能作用。同時，對于電機的啟動也有相當重要的意義。首先，如果直接使用工頻啟動電機，啟動電機的瞬時電流會是電機額定電流的2-7倍，對電機的機械沖擊非常的大，大大降低電機的使用壽命。而且工業中除塵風機由于對風量的需求高，一般都是采用高壓電機，這樣對電機的損耗就明顯了。與此同時，啟動的瞬間由于電流的陡增，對電網的沖擊也很大。甚至可能把用戶的電網頂掉，造成用戶網側失電給用戶造成無法估計的損失。通過實際計算，僅是在每次啟動時變頻啟動就可以比工頻直接啟動節約十分之一的電能損耗。
（4） 運行情況及實際節能分析
首鋼京唐鋼鐵7.63米1#焦爐干熄焦除塵風機電機參數：額定功率630kW，額定電壓6000V，額定電流76.4A，功率因數0.85，額定轉速995r/min。電機在工頻運行時的電流是52Ａ左右，低速時的輸入電流在21Ａ，轉速為740r/min，電壓為4.4kＶ；高速時的輸入電流為35Ａ，轉速為895r/min，電壓為５.４kＶ。我們每年按8500小時計算
負載在工頻狀態下，耗電量：
１．７３２×Ｕｅ×Ｉ×ＣＯＳΦ
由公式我們可以得出工頻時每小時的耗電量是：459.326kW·h。年耗電量為：3904271 kW
使用變頻后在低速段的每小時耗電量為：197.127kW·h。年耗電量為：1005348kW
使用變頻后在高速段的每小時耗電量為：347.844kW·h。年耗電量為：1182670kW
節電比例為:（3904271-1182670-1005348）/3904271=44%
五、結論
通過對首鋼京唐鋼鐵焦爐干熄焦除塵風機的實際應用和技術分析，可以看出應用高壓變頻調速技術不僅可以有效改善現場生產狀況，減少電機的損耗和不必要的大量維護工作。更重要的是能節約大量的電能，給企業帶來額外的經濟效益，給企業一個良性健康的生產循環。達到國家對冶金行業良性循環的要求。
摘要：本文分析了高壓變頻器在首鋼京唐鋼鐵焦爐除塵風機中應用，通過計算分析以及實際運行的效果，證明了高壓變頻器在電機系統節能和工藝要求中的重要作用。
關鍵詞：高壓變頻器 變頻調速 節能。
一、引言
隨著國民經濟的迅速發展和現代化建設過程的加快實施，現代社會的工業化程度也越來越高。伴隨而來的是大量的能源消耗和能源浪費，并且隨著社會的進步發展；這種消耗和浪費還在進一步的加劇發生。由于能源的越來越少很多專家都預言：誰現在掌握了能源，將來就會掌握世界。因此，能源問題已經成為了一個新的世界性的話題。
放眼全球，在沒有找到新的能源情況下，各個國家的政府都強制性的制定了很多節能減排的方針。因此，節能減排已經成為了很多企業節約成本、創造剩余價值；甚至是生存的首要任務。尤其是在高能耗的冶金、石化、電力、礦業行業中。而這些企業多數的能耗都是在高壓電機的電能消耗上；電能的消耗約占整個企業電能的65－75%。所以，節能減排對于高壓電機來說顯得異常重要。不論是從電機的啟動、調速、制動抑或是滿足工藝來說，采用變頻調速系統無疑是最有效、最理想的方式。尤其在特定工藝和環境中，高電壓、大功率的電機采用變頻調速系統節能效果更加明顯。
二、高壓變頻器的原理和分類
（1） 高壓變頻器的原理
按照電機學的基本原理，交流異步電動機的轉速滿足如下的表達式：
n=(1-s)60f/p=n0(1-s)
式中： s——電動機的滑差
f——電動機的運行頻率
P——電動機的極對數
n——電動機的實際轉速
n0——電動機的同步轉速
從式中看出，電動機的同步轉速n0正比于電機的運行頻率。由于電動機的滑差一般情況下比較小（0-0.05），電動機的實際轉速約等于電動機的同步轉速，所以調節了電動機的供電頻率，就能改變電動機的實際轉速。這就是高壓變頻器的動作原理。
（2）高壓變頻器的電路結構
高壓變頻器的技術多種多樣。但是，無論哪種產品在電路構成上來說，都是一致的。高壓變頻器的電路都分為主電路和控制電路兩部分。如下圖所示：
① 主電路
主電路的主要構成分為三部分：
a將工頻電源電壓轉變為直流的整流電路。
b吸收整流電路和逆變電路產生的電壓或是電流脈動的濾波電路。
c將直流功率變換為交流功率的逆變電路。
② 控制電路
控制電路的主要構成分為五部分：
a用于電壓、電流、轉矩等計算的運算電路。
b用于電壓、電流檢測的檢測電路。
c用于驅動功率器件的驅動電路。
d用于閉環檢測的速度檢測電路。
e用于各種保護的保護電路。
（3）高壓變頻器的分類
變頻器的分類分為很多種，但是大多數是從以下幾個技術方面來進行分類：
按照主回路區分
① 交-交型
交-交結構沒有直流回路，每相都由兩個相互反并聯的整流電路組成，正橋提供正向相電流，反橋提供負向相電流。裝置元件數量比較多、元件利用率比較低、調頻范圍窄，為電網頻率的1/3～1/2、電網功率因素利用率低。
② 交-直-交
交-直-交結構先將電源交流電用整流電路轉變成直流電，再用逆變電路將直流電轉換為頻率可變的交流電。裝置元件數量比較少、元件利用率比較高、調頻范圍寬、由于采用PWM（Pulse Width Modulation，即脈沖寬度調制）方式調壓，功率因素高、電網功率因素利用率高。 （4）按照儲能方式區分
① 電流源
電流源型輸入采用可控整流，控制電流的大小。中間采用大電感，對電流進行平滑。逆變橋將直流電流轉換為頻率可變的交流電流，供給交流電機。由于采用了電抗作為中間直流回路，所以，輸出動態阻抗大、對電壓波動的敏感性大、逆變器件容易損壞、要求晶閘管耐壓高，對關斷時間無嚴格要求。
② 電壓源
電壓源型大多采用二極管進行全波整流。中間采用大電容濾波，對電壓進行平滑。逆變橋既控制電壓輸出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波電壓的頻率。由于采用了電容作為中間直流回路，所以，輸出動態阻抗小、對電壓波動的敏感性小、逆變器件不易損壞、對晶閘管耐壓低，關斷時間要求短。
（5）按照電平數區分
① 兩電平
采用6只可關斷功率器件與箝位二極管構成帶中性點的逆變電路。輸出和網側的諧波大；存在均壓問題。
② 三電平
采用12只可關斷功率器件與箝位二極管構成帶中性點的逆變電路。輸出和網側的諧波較小；可以保證均衡利用功率和變轉矩負載條件的運行。
③ 多電平
有若干個低壓PWM變頻功率單元，以輸出電壓串聯方式實現直接高壓輸出的方法。輸出和網側的諧波很小；輸出波形接近正弦波。
三、HARSVERT-A高壓變頻器的優勢
無論何種變頻器從其結構和實際的運行來看，都能起到一定的節能效果。但同時，從以上對變頻器的分析和特點看。采用交-直-交、電壓源型、多電平串聯拓撲結構的變頻器無疑是最理想的選擇。利德華福公司的HARSVERT-A正是基于交-直-交、電壓源型、多電平串聯拓撲結構的優點而生產的一種優質高壓變頻器。
HARSVERT-A具有以下優點：
①直接高壓輸入，高壓輸出、的特性。
②由于采用PWM技術實現變頻器的功率器件觸發，減少了主電路的損耗、提高了工作效率，很好的消除了輸出諧波。
③dv/dt和多電平消除了共模電壓，使得電機的振動和發熱得到了很好的控制。
④利用整流變壓器副邊繞組的相移來消除6 m ±1次以下網側諧波，使輸入諧波在4%以下。
⑤方便快捷、人性化的全中文操作界面。
⑥完善的變頻器保護措施。
⑦良好、快捷和優質的服務團隊。
四、案例剖析
2008年7.63米1#焦爐干熄焦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、運行、節能原理以及節能效果進行詳細的分析介紹。
（1）工藝介紹
現在的焦爐煉焦過程，把焦炭從幾百度的高溫冷卻到常溫的過程。越來越多的應用的是干熄焦工藝。干熄焦相比于常規的用水冷卻，不僅焦炭的品質優良。而且也更加的環保。干熄焦的過程時，從焦爐里出來的焦炭通過提升機，提升到一定的高度；焦罐開口，把焦炭傾倒到干熄焦的焦罐內，封口后；然后用高壓的氮氣使焦炭冷卻。當焦罐內的焦炭冷卻完成后，倒出。完成整個冷卻過程。
每次干熄焦冷卻完成出爐時間約4分鐘，為高速段，定為45Hz,可以調節；干熄焦在爐內冷卻時間約6分鐘，為低速段，定為37Hz,可以調節。
（2）變頻調節與其他調節的比較
在滿足工藝需求的情況下，調節風量的方法有很多種。常用的是：擋板調節、變頻調節、液力耦合調節等幾種方式。
① 液力耦合器調節
在實際的應用中，液力耦合器由于存在以下的局限性。所以，很難被用戶接受：
a液力耦合器需經常更換軸承，造成轉爐停產，不能滿足連續生產的需要。
b電動機的效率低，損耗大，尤其低速運行時，效率極低。
c 調節精度低、線性度差，響應慢。
d 啟動電流仍比較大，影響電網穩定。
e 液力耦合器故障時，無法切換至工頻旁路運行，必須停機檢修。
f 漏油嚴重，對環境污染大，地面被油污蝕嚴重。
g 調速范圍窄，轉速不穩定。
② 擋板調節
擋板調節雖然能夠滿足工藝需求。但是還是存在很多的弊端：
a調節精度低、響應慢。
b電能的損耗相當巨大。
c維護量大，機械故障高。
③ 變頻調節
在實際的應用中變頻調節，不僅能夠滿足工藝的需求，而且對工藝的提升、節能量以及維護成本還有重要的意義：
a 變頻器運行穩定、可靠。
b 在運行中出現故障，可自動切換工頻。
c 調速范圍大、效率高。
d 調速響應快、精度高。
e 減少了對電網的沖擊，延長電機的壽命。
f 節能效果明顯。
下圖是各種調節方式在實際的應用中節能對比：
（3） 理論節能分析
根據一般風機的負載工作特性，可以得出下面的負載曲線圖：
由此，我們可以做一個假設：即在風道的管網特性保證不變的情況下。由流體力學原理可以得出以下結論：
輸出流量Q與轉速n成正比：Q1/Q2=n1/n2 ……（1）
輸出壓力H與轉速n2成正比:H1/H2=(n1/n2)2 ……（2）
輸出軸功率P與轉速n3成正比:P1/P2=(n1/n2)3 ……（3）
即當輸出軸的轉速下降時，輸出軸的功率會以速度的立方量下降。就是說，通過調速方式改變風機風量。譬如：當輸出軸的轉速下降20%時，輸出軸的功率下降49%。這也是為什么變頻調速在風機應用上節能十分顯著的原因。
使用變頻技術不僅在實際的運行中起到節能作用。同時，對于電機的啟動也有相當重要的意義。首先，如果直接使用工頻啟動電機，啟動電機的瞬時電流會是電機額定電流的2-7倍，對電機的機械沖擊非常的大，大大降低電機的使用壽命。而且工業中除塵風機由于對風量的需求高，一般都是采用高壓電機，這樣對電機的損耗就明顯了。與此同時，啟動的瞬間由于電流的陡增，對電網的沖擊也很大。甚至可能把用戶的電網頂掉，造成用戶網側失電給用戶造成無法估計的損失。通過實際計算，僅是在每次啟動時變頻啟動就可以比工頻直接啟動節約十分之一的電能損耗。
（4） 運行情況及實際節能分析
首鋼京唐鋼鐵7.63米1#焦爐干熄焦除塵風機電機參數：額定功率630kW，額定電壓6000V，額定電流76.4A，功率因數0.85，額定轉速995r/min。電機在工頻運行時的電流是52Ａ左右，低速時的輸入電流在21Ａ，轉速為740r/min，電壓為4.4kＶ；高速時的輸入電流為35Ａ，轉速為895r/min，電壓為５.４kＶ。我們每年按8500小時計算
負載在工頻狀態下，耗電量：
１．７３２×Ｕｅ×Ｉ×ＣＯＳΦ
由公式我們可以得出工頻時每小時的耗電量是：459.326kW·h。年耗電量為：3904271 kW
使用變頻后在低速段的每小時耗電量為：197.127kW·h。年耗電量為：1005348kW
使用變頻后在高速段的每小時耗電量為：347.844kW·h。年耗電量為：1182670kW
節電比例為:（3904271-1182670-1005348）/3904271=44%
五、結論
通過對首鋼京唐鋼鐵焦爐干熄焦除塵風機的實際應用和技術分析，可以看出應用高壓變頻調速技術不僅可以有效改善現場生產狀況，減少電機的損耗和不必要的大量維護工作。更重要的是能節約大量的電能，給企業帶來額外的經濟效益，給企業一個良性健康的生產循環。達到國家對冶金行業良性循環的要求。