IGBT直接高壓變頻器在高爐水沖渣系統的應用

1 概述
　　高爐冶煉中產生大量的熔渣，通常是用大流量的中壓水將其降溫并沖散，同時輸送到水渣池回收，作為煉鐵的副產品．高爐生產是不間斷的，一般情況下每天出鐵15次，出鐵前、后各放一次渣，兩次出渣時間共約30 min．在此時間內要求水沖渣系統的水泵滿負荷工作，其余時間水泵只需保持約30％ 水流量防止管道堵塞即可。
　　廣東省韶關鋼鐵集團有限公司（以下簡稱韶鋼）煉鐵廠4#高爐使用ZGB一300型沖渣泵，有關數據如表1．

　　原系統運行時，起動前管道進出水閥門關閉，起動后閥門開度約90％，機組全速運行，電網電壓6300V，電機運行電流33A，功率因素81．6％，耗電功率294kW．原來曾試用在不需沖渣時，調節閥門至30％來調節水流量（此時電機電流25A），但一方面節能效果不明顯，另一方面頻繁操作閥門，致使其使用壽命大大降低，增加了停產更換閥門的時間，得不償失．最終只好讓機組長期滿負荷高速運行，造成極大的能源浪費．因此很有必要對此系統進行節能改造．
2 方案選擇
　　從機泵工作特性曲線可得出其流量與轉速成正比、軸功率與轉速的3次方成正比，即 ．根據這一原理采用變頻調速技術．對目前各種高壓變頻器進行分析后認為：高一低一高的變頻器雖然可靠性較高，但需配置輸入、輸出變壓器，必須增設廠房，施工周期長，設備較龐大、投資費用較高，而且效率較低、諧波含量大，嚴重影響電機使用壽命．擬應用直接高壓變頻器，但進口設備費用較高，而且設備體積也不小，不是首選，故目光投向國產．國產直接高壓變頻器比較見表2．

　　結合上表，通過對國內多家公司的技術經濟指標比較和考察，從技術可靠、減少投資、體積最小、安裝簡便、維護容易等方面考慮，選擇了成都佳靈電氣有限公司生產的GY一6kV／400kW型IGBT串聯直接高壓變頻器．
3 技術原理與特點
3．1 主電路簡介
　　如圖1所示，圖中系統由電網高壓直接經高壓斷路器進入變頻器，經過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過逆變器進行逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。

　　功率器件是采用變頻器已有的成熟技術，應用獨特而簡單的控制技術成功設計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯逆變、輸出效率達98％ 的高壓調速系統。
　　考慮到工藝對調速精度要求不是很高，本系統只采用開環控制并在高爐值班室通過開關量信號操作．此信號接人變頻器數字控制信號輸入端，需沖渣時給調節系統一個“l”的信號，電機高速運行，不需沖渣時將此信號取消，電機低速運行．輸出頻率的控制與調節由變頻器本身自備的調節面板根據現場實際需要任意整定。
3．2 變頻器的主要特點
　?。?）使用了IGBT串聯直接高壓二電平方式，利用該公司自行研制的1／3象限壓拉動態均壓、鉗壓技術攻克了當今世界IGBT串聯使用時開關微秒級同步的難題。
　?。?）正因為采用了高性能的HV—IGBT模塊，整個設備的體積非常小，跟國內外其它同規格的變頻器比較其體積減少2／3～1／2。
　　（3）因設置了直流平波電抗器、功率因素提升電抗器、輸出濾波器，優化了PWM 波形，具有諧波含量和直流波紋系數較低，功率因素較高，輸出電壓波形近似正弦波等優點。
　　（4）根據共模電壓產生的機理，采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內部．有效地解決了共模電壓（也叫零序電壓）問題，降低了電動機定子繞組的中心點和地之問的電壓，從而不需任何絕緣措施可直接使用原有的普通鼠籠式電機。
　?。?）投資少，其費用比同規格的進口設備降低1／3以上。
4 實施過程及使用效果
4．1 安裝調試
　　變頻器的安裝、調試從2001年11月開始，系統調試按如下步驟進行：
　　各控制單元單獨上電（正?！麢C控制系統上電（正常））→主電路上電（24h正常）→帶電機運行（先25Hz運行8h再50Hz運行48h正常）→帶水泵負荷運行（針對帶載試機過程中出現的問題進行改進）。
　　在調試過程中對設備出現的如下問題進行了改進：
　　（1）輸出電抗器溫度過高．在帶載試機過程中用紅外線測溫儀測得在室溫25℃ 時電抗器繞組表面溫度達110℃．經與廠家工程技術人員研究分析，認為其原因是原設計三相差模同心電抗器散熱效果不好．于是改用三相差模獨立分體電抗器，達到了室溫40℃時電抗器繞組表面最高溫度≤90℃ 的目的。
　?。?）濾波電容器膨脹爆炸．原因是原選用成都某電器廠生產的電容器制造質量有缺陷，后改用西安電氣廠同規格產品，未再出現故障。
　　（3）IGBT串聯模塊驅動電源傳導線放電．原因是原選用耐壓30kV的傳導線耐壓等級不夠．改用耐壓40kV的傳導線后此問題得以解決。
4．2 使用效果
　　變頻器于2002年4月投入運行，運行情況一直良好．機組可在管道閥門全開狀態下起動，沖渣時運行頻率49．5HZ、測試變頻器輸入端電流28A、電壓6300V、功率因數0．80、耗電功率244kW；不沖渣時運行頻率25HZ、測試變頻器輸入端電流l0A、電壓6300V、功率因數0．82、耗電功率90kW．技術性能指標．使用變頻器前后電動機運行參數及耗電量分別見表3．

4．3 經濟效益分析
　　（1）機組確變頻調速與無變頻調速時耗電差

　?。?）機組有變頻調速時高、低速耗電差

　?。?）年節電量

（注：每年按365天工作日、H1一沖渣時間=15×30／60=7．5 h；H2一不沖渣時間=24—7．5=16．5
h）
（4）年節電效益Y

　　（5）節約維修費用：因沖渣水含有大量的爐渣，原系統管道和閥門在含渣水的高速沖刷下，很短時間內管壁就會變薄、閥門密封損壞須重新更換．一般情況下每年需維修費用約l5萬元．經變頻調速改造后，有一半時間內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每年可降低維修費用約30％ ，即5萬元。
　　（6）每年可節省電費和維修費共646030元，本項目設備投資共60萬元，安裝費用1萬元，由煉鐵廠2001年固定資產大修費用開支．1a可全部收回成本。
5 項目實施的經驗及存在問題
　?。?）對于經技術論證可行的項目要大膽實施，敢于應用新技術，不必貪大求洋。
　　（2）現有的變頻器用于元件冷卻的風機太小，數量過多，宜采用大風機以減少數量，有利于提高設備運行可靠性。
　　（3）變頻器開關柜的操作目前是手動開關，宜改為直流全閘機構控制分、合閘，以提高安全系數．
（4）功率因數偏低，有待變頻器設計時改進。
6 結語
　　實踐證明國內首例IGBT串聯直接高壓變頻器在韶鋼的應用是成功的，開創了直接高壓變頻器工業應用的先河，在高壓電子技術方面具有先進性，在運行方面具有高可靠性，在使用維護方面具有簡易性，在費用投資方面具有較高的可比性，能有效地為節能降耗、提高企業的經濟效益和自動化控制水平發揮作用。