高压变频器在除尘风机上的应用及节能效果

高压变频器在除尘风机上的应用及节能效果

张江为1郑新华2

（宁波钢铁有限公司浙江宁波315800）

摘要：在除尘风机上利用高压变频器可大幅度节约能源，降低成本，本文详细讲解了广州智光高压变频器的原理及其在除尘风机上的应用与节能效果。

关键词：高压变频器；除尘风机；应用；节能；

1、引言

宁波钢铁有限公司热轧1780mm热连轧带钢生产线在精轧轧制过程中产生的氧化铁粉尘颗粒捕集治理所采用的设备主要为塑烧板除尘器，该除尘器设计除尘风机风量为270000m3/h，选用10KV630KW高压电机驱动，电机采用直接启动且直接驱动风机转子的运行方式；精轧除尘风机主要用于收集及排除精轧轧制期间产生的粉尘及水蒸气，在非轧制阶段无废气及粉尘，但是此设备平时是一直处于全负荷工作状态，仅在年修和个别定修时，才停止运行。因热轧工艺特点是间隙工作制，全年轧机轧制时间为6775小时，期间需要风机进行除尘，其它时间无需运行；年修及个别定修期间此风机是处于停止运行，时间约为480小时；一年有8760小时，此风机至少有1505小时处于能耗浪费；为降低热轧厂精轧除尘风机的用电量消耗，对风机电机进行变频调速节能改造是非常必要，且节能效果显著。

2、变频器的基本原理

（1）系统原理

本次改造所选用的是广州智光ZINVERT系列智能高压变频器，其调速系统采用多个功率单元串联的形式，电压叠加原理类同于“电池组叠加”技术。对于10kV系统，每相九单元串联，每个功率单元输出交流有效值Vo为642V，相电压为5774V，线电压为10000V。

图1[电压叠加形成高压输出原理结构]

采用的高压变频器输入电压为10kV，经过多组副边绕组移变压器进行降压后给模块化的功率单元供电；在功率单元中通过整流电路将三相电源变成脉动直流电源，经过大容量的电容稳压、滤波得到稳定的直流电源，通过IGBT组成的逆变桥进行正弦调制的PWM控制，得到等效单相正弦阶梯正弦PWM波形的交流电源；再将同一相的多个功率单元串联在一起进行电压叠加），形成一个星型连接的三相可调制的正弦PWM高压电源，驱动相应电压等级高压电机来实现的变频控制，其10kV系列含有27个功率单元，每9个构成一相。

（2）功率单元结构

功率单元主要由三相桥式整流桥、滤波电容器、IGBT逆变桥构成，同时还包括由功率器件驱动保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。每个功率单元在结构及电气性能上完全一致，可以互换。

图2[功率单元电路结构]图3[单元输出PWM波形]

每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用移相接法，实现多重化，以达到降低输入电流谐波的目的，同时，变频器输入的综合功率因数可达到0.96以上。

（3）技术特点

ZINVERT高压变频器将多个功率单元的输出电压串联叠加直接形成高压输出（如图1所示），此方法类似于干电池叠加，通过若干个功率单元的叠加可产生所需要的相电压数值。每个功率单元输出1/n的额定电压、1/3n的额定功率，单元的功率模块只承受1/n的额定相电压，因此可选择低压功率模块，单元电势差由变压器线圈来承受。

3、高压变频器调速原理

高压变频器的变速原理主要是通过改变进入电动机的电源频率来调节电机的转速，所以根据力学的基本定理可得出大型风机设备属于平方转矩负载，其具有如下的关系：

（1）从流体力学的原理得知，使用感应电动机驱动的风机、水泵负载，轴功率P与流量Q，扬程H的关系为：

（2）当电动机的转速由n1变化到n2时，Q、H、P与转速的关系如下：

（1）

（2）

（3）

在式中，n表示变频器的转速；Q表示流量；H表示风机运行压力；P则表示轴功率，在公式中的Q1、H1、P1主要表示是在n1转速下的流量、压力和轴功率，相应的Q2、H2、P2则是在n2状态下的流量、压力和轴功率；可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80％的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80％，即调节频率到40Hz即可，这时所需功率将仅为原来的51.2％。

（3）如下图所示，从风机、水泵的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。

风机、水泵的运行曲线图

当所需风量、流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用调速控制方式，风机、水泵转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但风机、水泵的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Delt（P）与（H2-HB）×（C-B）的面积成正比。

考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗，通过实践的统计，风机通过调速控制可节能20％～50％。

4、高压变频器的主接线方案

本次除尘风机变频改造选用的是一套10kV、800kVA的变频控制设备用于除尘风机的变频控制。变频控制系统包括一组变频柜，一组旁路柜。其中旁路切换柜为变频控制系统故障时备用，旁路切换拟采用自动动操作方式。电气主结线示意图如下：

此方式具备变频方式与工频方式互相平稳（无冲击）自动切换的功能，亦即一旦变频装置出现严重故障时，能马上断开进、出线开关，将变频装置隔离，并自动平稳地将电动机切换至工频方式维持其正常

运行；反之，变频装置故障处理好或检修完毕后，亦能通过控制指令将电动机从工频运行状态瞬间平稳地自动切换至变频运行状态。

5、变频改造后的节能分析及其他效益

（1）节能分析

依据热轧厂2013年及2014年生产常量统计及除尘风机电量统计，2013年全年产量4413197吨，耗电3700350千瓦时，吨钢耗电3700350/4413197=0.8385千瓦时/吨；改造后2014年全年产量4379956吨，耗电2276990千瓦时，吨钢耗电2276990/4379956=0.5199千瓦时/吨，平均降低0.3186千瓦时/吨。

改造效益：

年产量440万吨*0.3186千瓦时/吨*0.50元/千瓦时=70.092万元

其中电费按0.50元/千瓦时统计

由节能数据看出，ZINVERT系列高压变频调速系统应用于除尘风机的节能及经济效益是比较显著的。

（2）其他效益

采用变频调速控制后，其他方面的效益也是明显的，如：

（1）网侧功率因数提高，原电机直接由工频驱动时，其实际运行功率因数很低，采用高压变频调节系统后，电源侧的功率因数可提高到0.96以上，无需无功补偿装置就能大大的减少无功功率，满足电网要求。

（2）设备运行与维护费用下降，采用变频调节后，由于通过调节电机转速实现节能，在负荷率较低时，电机、风机转速也降低，主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻，维护周期可加长，设备运行寿命延长。

（3）用高压变频调速装置后，可对电机实现软启动，启动时电流不超过电机运行额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命增长。

6结语

在采用广州智光公司的智能高压变频调速系统对除尘风机进行变频技术改造实施后，很好地改善电动机及风机的运行工况，减少了维修费用，延长了电动机及风机的使用寿命，经过几年来的稳定运行，其节能效果显著，给企业带来了显著的经济效益。

参考文献：

[1]广州智光高压变频器应用手册

[2]刘海鹏.高压变频器在除尘风机中的应用[J].变频器世界，2014（01）.

[3]凤军.高压变频器在除尘风机上的应用[J].科技创新与应用，2015（27）．

[4]王建华，电气工程师手册第3版，机械工业出版社，2018（01）.