文/中国铝业青海分公司 韩敏 王彦青
摘 要：本文主要阐述了HARSVERT-A系列高压变频器在培烧烟气净化引风机控制中的实际应用，简要说明了其功能和应用效果。
关键词：高压变频技术、引风机、节能、谐波
一、前言
在现代大中型工矿企业中，高压电机电能消耗占企业总电能用量的一半左右。虽然低压变频器在实际应用中已十分普遍，但由于高压变频技术复杂和电子器件耐压限制，一直制约着其实际应用与推广普及。近几年来，随着高压变频技术的日趋成熟和功率器件耐压能力的突破，高压变频器的应用趋势日益加快，其变频节能效果也更加显著。
本文以中铝青海分公司炭素一二期焙烧烟气净化系统引风机应用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A06/100型高压变频器实施变频改造为例，详细阐述了国产高压变频器的应用情况。其成功应用充分证明国产高压变频在关键技术上已经取得实质性进展。随着国内科技迅速发展和研究投资的不断加大，高压变频器的研制已取得了长足的进步和发展，其产品的技术含量和质量已赶上世界同行的水平，而且价格低、性能优越、运行稳定，已赢得国内众多企业的认可和好评。
二、系统配置
我厂炭素一二期焙烧烟气净化系统原来设计为4台三相低压异步电动机（Y355M-4型，315kW，562A，1476r/min）拖动，在日常生产中通常投运2-3台（1台备用）就能满足焙烧烟气净化需要，因风机之间通过烟道并联，其净化系统负压是通过各风机分烟道蝶阀开闭调节，其各个分烟道蝶阀开度只能凭操作人员实际经验判断和控制。另外，由于停运分机蝶阀泄露，导致净化系统无效循环严重。针对这种问题，2005年，我厂提出了应用高压风机、变频调速控制的实施改造方案（如图1），为提高净化系统安全、可靠性，设计为一用一备系统。
1.拖动设备
高压异步电动机：YP7560-6型；1000kW；Ve=6300V，Ie=108.95A；ne=994r/min；cosφ=0.876；绝缘等级F级、Y接法、50Hz；热态时允许启动1次；冷态时允许启动2次；兰州电机有限责任公司制造。
2.离心引风机
型号：Y7-2X36-22F；338600m3/h（风量）；7500Pa（风压）；ne=990r/min；配套电机1000kW。
3.变频器结构与原理
2006年5月，我厂焙烧烟气净化引风机拖动系统进行了系统的改造和优化，其引风机、拖动电动机均进行了更新。电机拖动系统选用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A06/100型1000kW高压变频器控制，其变频器主要由移相变压器、功率逆变单元和控制器等三部分，其结构如图2所示。
图2：HARSVERT-A06/100型1000kW高压变频器结构图
HARSVERT-A系列高压变频器采用功率逆变单元串联多电平技术，为高-高电压源型，6kV输入，经变压器降压、移相得到中压，再通过二极管整流、稳压、IGBT逆变、电源叠加，得到6.3kV高压交流电源，实现变频控制目的，其原理如图3所示。
图3：6kV高压变频器（7组功率模块串联）系统结构图
三、HARSVERT-A系列高压变频器特点
1.采用功率模块串联多电平电压叠加技术
HARSVERT-A系列变频器采用低压变频器串联的方式实现高压变频控制，为多电压源叠加型。其输入侧采用移相降压型变压器，实现多脉冲整流方式，其产生的谐波（高、低次）成分低于国际电网供电标准。在负载时，电网侧功率因数能达到0.95以上。在输出侧采用多级PWM技术，dv/dt小，谐波少，其功率电路采用标准模块化设计，更换方便，互换性强，90%的器件均为国产，性能稳定、价格低、易采购，十分适合国内企业高压设备改造和新建项目选用。
2.功率单元选用低压IGBT模块为逆变器件
这种变频器的功率单元采用低压IGBT模块作为逆变器件，与采用高压IGBT的三电平变频器比较，虽然功率器件数目较多，但在控制技术、制造工艺等方面十分成熟。其功率模块为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到单相交流输出。每个功率模块结构及电气性能完全一致，可以互换，其原理结构如图4所示。
图4：6kV高压变频器功率模块原理结构图
3.采用高效降压、移相变压器
输入侧由降压、移相变压器给每组功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为三组，根据电压等级和模块串联级数，通常由24、30、42、48脉冲系列等构成多级相叠加的整流方式，使电网侧的电流波形得到显著改善，不需要进行功率因数补偿或加装谐波抑制装置。由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，其控制技术类似于普通低压变频器。
4.输出侧结构独特
输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过各个独立功率逆变单元的PWM波形重组、叠加，以获得阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对输出电缆、电机绝缘无损坏，可直接驱动普通高压异步电机；另外，由于输出侧谐波成分小，不需要加装滤波器，输出电缆可大幅延长。因电机谐波损耗显著减少，能较好地消除负载机械轴承和叶片振动现象。在运行中，若当某组逆变功率模块工作异常或故障时，通过调整触发控制脉冲信号，使该组模块输出短路，将故障单元旁路退出系统。这种情况下，只要使变频器降额运行即可。因此，可大幅减少设备的异常停机和系统频繁停、启现象。
5.应用高速CPU控制器
变频控制器由高速单片机处理器、人机操作界面和PLC等电路构成，其人机操作方式为标准操作面板界面。单片机实现PWM控制，人机操作界面能很方便地实现高压变频调速装置与实际操作人员信息交流、监控信号传输等工作，其友好的全中文、模拟画面能实时再现整个系统各项运行状态参数，并具有使用方便、快捷、远程监控和网络化控制功能。PLC的应用很好地实现了系统开关信号的逻辑处理、多级保护措施的实施，大幅提升设备的保护、互锁等安全等级。
通过光纤通讯技术实现控制器与功率单元之间的信号交换，可靠、安全地使低压部分和高压部分得到隔离，故系统具有相当高的安全性和抗电磁干扰性能。
6.控制方式先进
HARSVERT-A高压变频调速系统通常采用异地远程控制，其变频器的频率设定可通过外部监控上位计算机给定（也可通过柜体操作面板），如主界面的加减速键或“频率设定”设置运行频率（如图5所示）；也可用外部模拟信号直接给定，我厂一期净化2台风机就采用这种方式控制。由于变频器控制系统设有PID调节功能，可很好地实现给定频率升、降调速变化的平滑性和均匀性。变频器启动后运行于设定频率（可选择开环或闭环控制）。其实时状态监控、启动、停车、急停、复位、运行频率设定、参数刷新、故障记录查看等控制操作，均通过上位机完成。一台微机可实现多台变频器操作、监控任务。
图5：我厂二期净化高压变频器频率设定、参数监控界面
7.控制功能齐全
HARSVERT-A系列变频器具有许多功能：其有关各项参数采用中文提示、整体备份和恢复；系统设有两段频率躲避区，可回避风机在某一频率段（或点）工作时出现的共振、喘振等现象，根据不同负载启动需要，系统设有不同的转矩提升控制。终端监控系统设有故障定位和查询功能，异常或轻微故障时会在主界面实时提供报警信息。较大故障发生时，系统会自动弹出故障界面，直接显示故障位置和名称。维修人员可通过故障界面查询故障历史信息，系统设有波形显示功能，查看运行中的波形质量，可及时调整系统功率因数。设有运行数据自动记录功能，变频器运行时各项参数包括给定频率、电机转速、输入电流、输出电流、输入电压、输出电压、系统状态操作等信息自动记录、存贮（如图6所示）；系统自诊断功能，其内核能自动检测核心主控制器、可编程序逻辑PLC及上位机等当前的状态，辅助分析各控制器间的通讯情况。
图6：运行数据记录显示
8.系统散热设计合理
HARSVERT-A系列变频器的热量损耗主要包括变压器柜和功率柜两部分。变压器采用H级干式变压器标准设计，绝缘材料能够耐受180℃的高温，其冷却系统采用增加柜顶风机提高变压器柜的冷却风量来达到降低设备自身温度，在45℃环境温度下，变压器工作允许温度可达110℃。如我厂夏季最高气温为31℃，在自然通风的室内，环境温度为19℃左右，当风机负荷达到96%时，较长时间（4-8小时）运行后，其变压器线圈温度只有42℃，这远远低于设计要求。因而在高海拔地区，高压变频器不需要考虑降容使用问题。
功率柜也是变频器运行中发热体之一。功率器件IGBT的最大允许运行温度（外壳温度）不允许超过85℃，过高的温升会导致管压降加大、热损耗增加，形成恶性循环引起器件内热量累积，导致因温度过高而烧毁。故功率器件的散热关系到系统的安全可靠性问题。HARSVERT-A系列变频器选用先进的功耗最小的功率器件，利用器件并联的方式将热量分散、增大有效散热面积，解决了多器件内热量积累问题。其次选用热传导特性好、导热率高的新型冷板钎焊散热器，进一步提高了散热效果。此外柜体设计为栅格滤网罩，采用透气性好、韧度高的新型过滤合成丝绵，以降低进风风阻，采用冷却风机冗余设计。
四、运行效果
自2005年8月，我厂一期2台焙烧净化引风机高压变频改造投运以来，经过3年多的长期、连续运行结果，其运行状况良好，工作稳定，节电显著，完全达到了改造预期目标，完全满足焙烧烟气净化工艺控制需求，大幅提高了净化效果，因连续多年排污不超标，得到了分公司和地方环保部门的奖励。根据我厂每月电耗统计，焙烧烟气净化月电耗降低19%左右。我厂一期焙烧烟气净化风机变频改造后的系统运行实际参数如下表所示。
附表：变频调速控制风机后的净化系统工作参数（一期系统）
|
序号 |
焙烧炉数 |
烟道负压要求（Pa) |
工作频率（Hz） |
电 流（A） |
净化效果 |
备注 |
|
1 |
1个系统 |
960—1020 |
19 |
26 |
达标 |
1.连续工作制；2.焙烧系统共104个炉室。 |
|
2 |
2个系统 |
1000—1100 |
24 |
34 |
达标 |
|
3 |
3个系统 |
1050—1150 |
27 |
41 |
达标 |
|
4 |
4个系统 |
1100—1200 |
31 |
47 |
达标 |
|
5 |
5个系统 |
1160—1250 |
35 |
52 |
达标 |
|
6 |
6个系统 |
1200—1130 |
38 |
58 |
达标 |
五、结束语
应用HARSVERT-A型1000kW高压变频器实施焙烧烟气净化系统风机拖动系统改造，优化了烟气净化系统的工作性能，提高了烟气净化系统工艺效果，大幅降低了系统电能消耗；据统计，由于净化系统风压、流量的方便可调，其焙烧天然气的消耗较改造前降低19m3/t；净化系统总耗电减少13.7余万kW·h/月。实践证明，国产高压变频器控制技术和设计制造能力已十分成熟，可与进口同类产品抗衡，其价格只有同类进口产品的1/3，且具有备件易采购、维修及时、售后服务便利等优点，完全避免了进口变频器维修困难的问题。
参考文献：
[1] HARSVERT-A系列高压变频器操作使用说明手册 北京利德华福电气技术有限公司编写，2005.1
[2] Power Smart TM 系列高压大功率变频调速装置使用手册，2006.8
作者简介：
韩敏（1967.10-），男，高级工程师，在铝电解、炭素从事多年设备维修和技术改造工作，现从事设备状态检测工作。
