IGBT高壓變頻器在高爐水沖渣系統(tǒng)的應(yīng)用

1 概述

高爐冶煉中產(chǎn)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(shí)輸送到水渣池回收，作為煉鐵的副產(chǎn)品.高爐生產(chǎn)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(shí)間共約30 min.在此時(shí)間內(nèi)要求水沖渣系統(tǒng)的水泵滿負(fù)荷工作，其余時(shí)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(guān)鋼鐵集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱韶鋼)煉鐵廠4#高爐使用ZGB一300型沖渣泵，有關(guān)數(shù)據(jù)如表1.

原系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，起動(dòng)前管道進(jìn)出水閥門(mén)關(guān)閉，起動(dòng)后閥門(mén)開(kāi)度約90%，機(jī)組全速運(yùn)行，電網(wǎng)電壓6300V，電機(jī)運(yùn)行電流33A，功率因素81.6

%，耗電功率294kW.原來(lái)曾試用在不需沖渣時(shí)，調(diào)節(jié)閥門(mén)至30%來(lái)調(diào)節(jié)水流量(此時(shí)電機(jī)電流25A)，但一方面節(jié)能效果不明顯，另一方面頻

繁操作閥門(mén)，致使其使用壽命大大降低，增加了停產(chǎn)更換閥門(mén)的時(shí)間，得不償失.最終只好讓機(jī)組長(zhǎng)期滿負(fù)荷高速運(yùn)行，造成極大的能源浪費(fèi)

.因此很有必要對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造.

2 方案選擇

從機(jī)泵工作特性曲線可得出其流量與轉(zhuǎn)速成正比、軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，即 .根據(jù)這一原理采用變頻調(diào)速技術(shù).對(duì)目前各種高壓

變頻器進(jìn)行分析后認(rèn)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(shè)廠房，施工周期長(zhǎng)，設(shè)備較龐大、投資

費(fèi)用較高，而且效率較低、諧波含量大，嚴(yán)重影響電機(jī)使用壽命.擬應(yīng)用直接高壓變頻器，但進(jìn)口設(shè)備費(fèi)用較高，而且設(shè)備體積也不小，不是

首選，故目光投向國(guó)產(chǎn).國(guó)產(chǎn)直接高壓變頻器比較見(jiàn)表2.

結(jié)合上表，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多家公司的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較和考察，從技術(shù)可靠、減少投資、體積最小、安裝簡(jiǎn)便、維護(hù)容易等方面考慮，選擇

了成都佳靈電氣有限公司生產(chǎn)的GY一6kV/400kW型IGBT串聯(lián)直接高壓變頻器.

3 技術(shù)原理與特點(diǎn)

3.1 主電路簡(jiǎn)介

如圖1所示，圖中系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器，經(jīng)過(guò)高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過(guò)逆變器進(jìn)

行逆變，加上正弦波濾波器，簡(jiǎn)單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動(dòng)機(jī)。

功率器件是采用變頻器已有的成熟技術(shù)，應(yīng)用獨(dú)特而簡(jiǎn)單的控制技術(shù)成功設(shè)計(jì)出的一種無(wú)輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、輸出效率

達(dá)98% 的高壓調(diào)速系統(tǒng)。

考慮到工藝對(duì)調(diào)速精度要求不是很高，本系統(tǒng)只采用開(kāi)環(huán)控制并在高爐值班室通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號(hào)操作.此信號(hào)接人變頻器數(shù)字控制信號(hào)輸入

端，需沖渣時(shí)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)一個(gè)“l”的信號(hào)，電機(jī)高速運(yùn)行，不需沖渣時(shí)將此信號(hào)取消，電機(jī)低速運(yùn)行.輸出頻率的控制與調(diào)節(jié)由變頻器本身自

備的調(diào)節(jié)面板根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要任意整定。

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3.2 變頻器的主要特點(diǎn)

(1)使用了IGBT串聯(lián)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(dòng)態(tài)均壓、鉗壓技術(shù)攻克了當(dāng)今世界IGBT串聯(lián)使用時(shí)開(kāi)關(guān)

微秒級(jí)同步的難題。

(2)正因?yàn)椴捎昧烁咝阅艿腍V—IGBT模塊，整個(gè)設(shè)備的體積非常小，跟國(guó)內(nèi)外其它同規(guī)格的變頻器比較其體積減少2/3～1/2。

(3)因設(shè)置了直流平波電抗器、功率因素提升電抗器、輸出濾波器，優(yōu)化了PWM 波形，具有諧波含量和直流波紋系數(shù)較低，功率因素較高

，輸出電壓波形近似正弦波等優(yōu)點(diǎn)。

(4)根據(jù)共模電壓產(chǎn)生的機(jī)理，采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內(nèi)部.有效地解決了共模電壓(也叫零序電壓)問(wèn)題，

降低了電動(dòng)機(jī)定子繞組的中心點(diǎn)和地之問(wèn)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(jī)。

(5)投資少，其費(fèi)用比同規(guī)格的進(jìn)口設(shè)備降低1/3以上。

4 實(shí)施過(guò)程及使用效果

4.1 安裝調(diào)試

變頻器的安裝、調(diào)試從2001年11月開(kāi)始，系統(tǒng)調(diào)試按如下步驟進(jìn)行：

各控制單元單獨(dú)上電(正常→整機(jī)控制系統(tǒng)上電(正常))→主電路上電(24h正常)→帶電機(jī)運(yùn)行(先25Hz運(yùn)行8h再50Hz運(yùn)行48h正常)

→帶水泵負(fù)荷運(yùn)行(針對(duì)帶載試機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn))。

在調(diào)試過(guò)程中對(duì)設(shè)備出現(xiàn)的如下問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)：

(1)輸出電抗器溫度過(guò)高.在帶載試機(jī)過(guò)程中用紅外線測(cè)溫儀測(cè)得在室溫25℃ 時(shí)電抗器繞組表面溫度達(dá)110℃.經(jīng)與廠家工程技術(shù)人員研

究分析，認(rèn)為其原因是原設(shè)計(jì)三相差模同心電抗器散熱效果不好.于是改用三相差模獨(dú)立分體電抗器，達(dá)到了室溫40℃時(shí)電抗器繞組表面最高

溫度≤90℃ 的目的。

(2)濾波電容器膨脹爆炸.原因是原選用成都某電器廠生產(chǎn)的電容器制造質(zhì)量有缺陷，后改用西安電氣廠同規(guī)格產(chǎn)品，未再出現(xiàn)故障。

(3)IGBT串聯(lián)模塊驅(qū)動(dòng)電源傳導(dǎo)線放電.原因是原選用耐壓30kV的傳導(dǎo)線耐壓等級(jí)不夠.改用耐壓40kV的傳導(dǎo)線后此問(wèn)題得以解決。

4.2 使用效果

變頻器于2002年4月投入運(yùn)行，運(yùn)行情況一直良好.機(jī)組可在管道閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下起動(dòng)，沖渣時(shí)運(yùn)行頻率49.5HZ、測(cè)試變頻器輸入端電流

28A、電壓6300V、功率因數(shù)0.80、耗電功率244kW;不沖渣時(shí)運(yùn)行頻率25HZ、測(cè)試變頻器輸入端電流l0A、電壓6300V、功率因數(shù)0.82、耗電功

率90kW.技術(shù)性能指標(biāo).使用變頻器前后電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)及耗電量分別見(jiàn)表3.

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析