摘 要：本文介紹了安邦信電子有限公司多電平高壓變頻器在天山水泥廠風機節(jié)能改造中的應用，分析了變頻系統(tǒng)的工作原理和風量的閉環(huán)控制方法，結(jié)果表明變頻技術(shù)可以達到有效節(jié)能的目的。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器 送風機 節(jié)能

1 引言
隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動技術(shù)正經(jīng)歷著比較大的革新。工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域大量使用的高壓感應異步電動機，已經(jīng)由傳統(tǒng)的改變其它機械環(huán)節(jié)的控制方法，改造為直接改變供給的交流電源的頻率和幅值的變壓變頻控制方法，進行速度調(diào)節(jié)和位移控制，從而可以提高生產(chǎn)工藝，降低能源消耗。特別是在當今面臨能源危機的條件下，節(jié)能降耗不僅有近期的直接經(jīng)濟效益，更有長遠的社會效益。
采用新型高壓大功率電力電子器件構(gòu)造的直接“高-高”式變頻器，具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠的特點，有很好的調(diào)速和起動與制動性能。由于采用不控整流和全控器件進行開關(guān)調(diào)制，具有輸入側(cè)高功率因數(shù)、整裝置優(yōu)良的控制性能和高的運行效率。特別是通過改變送給電動機的電流的頻率，在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行高效率的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可以取得很好的節(jié)電效果，在風機和水泵的節(jié)能改造上已經(jīng)得到廣泛證實。

2 高壓變頻器的系統(tǒng)組成和原理
該高壓變頻器為直接高－高結(jié)構(gòu)，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該高壓變頻器具有運行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數(shù)高、效率高等特點，對電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)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。

圖1 單元串聯(lián)多電平變頻系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 功率單元
AMB-HVI系列高壓變頻器每相由六個的功率單元串聯(lián)而成。各功率單元具有完全相同的結(jié)構(gòu)，有互換性。每個功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，同時還包括驅(qū)動、保護、監(jiān)測、通訊等組件組成的控制電路，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。每個功率單元額定輸出電壓為580V，串聯(lián)后輸出相電壓3480V，線電壓達到6kV。

AMB-HVI系列高壓變頻器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但各載波之間互相錯開一定電角度，實現(xiàn)多電平PWM，使得輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓的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(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，但輸出波形的等效開關(guān)頻率可以達到單元開關(guān)頻率的6倍，且輸出電平數(shù)增加，輸出相電壓為13電平，線電壓為25電平，電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波。

2.2 IGBT驅(qū)動原理
在AMB-HVI變頻器的功率單元中，使用高性能、智能化的專用IGBT驅(qū)動模塊對主控系統(tǒng)輸出的PWM控制信號進行隔離、緩沖處理后，使弱電信號（TTL電平）能夠驅(qū)動高壓回路中的大功率IGBT器件，輸出我們需要的SPWM電壓。
驅(qū)動模塊輔助功能還包括：對IGBT進行短路、過流、欠壓監(jiān)測和保護。當負載或功率單元一旦出現(xiàn)短路、過流、欠壓等方面故障，驅(qū)動模塊將故障信號上傳到主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)的微處理器將根據(jù)故障類型進行辨別處理后，發(fā)出命令使驅(qū)動模塊停止工作，禁止該功率單元的輸出。與此同時主機中故障處理控制邏輯還會根據(jù)故障類型進行更進一步判斷，以決定系統(tǒng)是否發(fā)生真正的故障，以便系統(tǒng)采取報警停機或繼續(xù)運行，以保護變頻器與配電系統(tǒng)的安全，不至于造成更大的故障和更大的經(jīng)濟損失。

2.3 輸入變壓器
AMB-HVI系列高壓變頻器的輸入側(cè)變壓器采用移相式變壓器，其電氣原理圖如圖4所示。變壓器原邊繞組為6kV，副邊共十八個繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分別有5o 、15o 、25o移相角度，每個繞組接一個功率單元，這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。因此，采用移相變壓器進行隔離降壓，使得輸入側(cè)功率因數(shù)在0.96以上，不會對電網(wǎng)造成超過國家標準的諧波干擾。

3 改造方案
考慮到變頻器退出運行后，為了不影響生產(chǎn)，確保系統(tǒng)正常工作，配置工頻旁路，當變頻器出現(xiàn)故障時，將電機投切到工頻下運行。整個系統(tǒng)由1臺高壓變頻柜、1臺控制柜、1臺變壓器柜、一臺旁路柜、一臺電機及一臺送風機組成。

圖5中共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，QS2與QS3采用機械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)電氣連鎖，避免系統(tǒng)誤操作。當QS1、QS2閉合，QS3斷開時，電機運行在變頻狀態(tài)；當QS1、QS2斷開，QS3閉合時，電機工頻運行，此時高壓變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。
在變頻改造以前，風機均采用調(diào)節(jié)風板開度的方式控制鍋爐進風量，由于其電機裕量較大，因而電能的浪費特別嚴重，同時由于頻繁的對風板進行操作，導致風板的可靠性下降，影響機組的穩(wěn)定運行。且電機工頻起動特別困難，起動電流大，對電網(wǎng)沖擊較大，并造成電機籠條松動、有開焊斷條的危險。一般起動后不允許停機。
進行變頻改造后，風機的風板開度保持全開，基本不需要改變，根據(jù)實際所需的風壓，由DCS系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)計算，輸出4~20mA模擬電流信號發(fā)給變頻器，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變電機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)送風量的目的，滿足運行工況的要求。
同時，進行變頻改造后電機在啟動和調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，電流沒有任何沖擊，解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養(yǎng)費用。

4 天山水泥廠節(jié)能效果分析
天山水泥廠五臺風機經(jīng)過變頻改造后提高了運行的自動化程度，降低了大量電能損耗，較大程度地降低了運行成本，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益，具體節(jié)能分析如表1所示。
循環(huán)風機（變頻器型號AMB-HVI-3550KVA/10）
高溫風機（變頻器型號AMB-HVI-2500KVA/10）
收塵風機（變頻器型號AMB-HVI-800KVA/10）
磨煤風機（變頻器型號AMB-HVI-630KVA/10）
窯頭風機（變頻器型號AMB-HVI-500KVA/10）
循環(huán)風機 高溫風機 收塵風機 磨煤風機 窯頭排風機 備注
工頻時風門開度 74% 90% 80% 52% 85%
變頻時風門開度 100%
變頻輸入電流(A) 165 120 29 20 24 COSΦ=0.96
變頻輸入功率(Kw) 2743 1995 482 333 399
工頻運行電流(A) 210 150 59 32 33 COSΦ=0.85
工頻運行功率(Kw) 3091 2208 869 471 486
節(jié)約功率(Kw) 348 213 387 138 87
節(jié)約電能/天（Kw.h） 8352 5112 9288 3312 2088 24小時
空調(diào)、照明耗電/天(Kw.h) 100 100 100 100 100
總節(jié)能/年(Kw.h) 2475600 1503600 2756400 963600 596400 按300天運行
節(jié)約資金/年(萬元人民幣) 144.82 87.96 161.25 56.37 34.89 按0.585元/度

5 結(jié)論
上述各廠風機經(jīng)過變頻改造后，節(jié)約了大量的電能，改善了工藝過程，電機實現(xiàn)了軟啟動，延長設(shè)備的使用壽命，減少維修量；電機的振動情況得到了改善，取得了預期的效果。
中高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是實施有效節(jié)能的重要裝備，是國家當前社會經(jīng)濟發(fā)展的急需，在加快建設(shè)節(jié)約型社會的歷史進程中，我們必將迎來一個高壓變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展和推廣應用的時代<