风机、水泵作为工业、农业、生活的通用类机械,具有应用量大,应用面广的特点。GVF-F2系列高压变频器就是针对我国风机、水泵应用中的缺陷而研发的节能产品。由变频器加外部的控制、保护、显示等单元及柜体组成,采用最新微电脑及自动化控制技术,将传统的控制方式变成智能化自动控制,显著提高了电机的工作效率,改善电机拖动系统的整体性能，可有效地降低风机、水泵所消耗的功率，延长电机的使用寿命、节电率可高达20%以上,是现代风机、水泵的理想节能控制设备。

本文以某钢铁厂为例,阐述了该钢铁厂对ACC高位水箱水泵利用变频调速技术,对原有工频运行的工况进行改造,同时分析了整个变频调速系统监控软件的设计。使该系统在实际生产中,具有良好的节能效果和可靠稳定的控制方式,本文的应用研究对今后类似系统的改造具有借鉴作用。

1   变频调速监控系统总体设计

1.1   需求分析

宽厚板轧机精轧轧制完成后,要根据钢种不同,进行快速冷却,即ACC冷却系统,而冷却用水要求压力高、流量大,而且用水量要根据钢种要求来调节。生产特殊钢种时,用水量比较大,这就要求水泵的启停控制必须根据高位水箱的水位来进行调节。由于电机频繁启动与停机，这对10kV高压电机的使用寿命及运行可靠性大幅度降低，若保持机组不停机运行，就浪费了大量的电能和水资源，因此对高位水箱控制系统实行节能改造势在必行。

由此,该钢铁厂决定对2号和3号高位水箱水泵控制系统从工频运行方式改造为变频调速运行方式。由于轧钢每天轧制钢种不同,有时生产特殊钢种较多,用水量较大,而有时生产普通钢种,用水量较小,如果采用工频控制,就会造成电机一直满负载运行,不但浪费水,而且还浪费电能,由于该冷却水采用的是循环水,改造前,为防止高压电机因频繁启动而损坏,每天只能让一台水泵连续运行,而ACC系统又不能完全使用完,只能让水从高位水箱溢流出来后再进入浊环水站处理,对水和电都是一种很大的浪费。这就要求在生产特殊钢种时,变频器能将频率变为50Hz,以保证水泵满负载工作。在生产普通钢种时,变频器将频率调整为25Hz左右,以维持所需的水流量。于是对2号和3号高位水箱水泵控制系统进行改造,利用一台变频器,采用一拖二的方式,两台不同时采用变频控制,即任意一台采用变频控制,而另外一台采用工频控制,原理如图1所示。

图1  控制原理图

由于直接操作变频器过于专业化,且存在操作不方便,直观性差,无法满足对所需要的参数进行实时监控,所以整个变频调速系统要求采用人机界面友好的上位软件,对变频调速系统进行监视操作,能监视到当前运行电压、电流、频率和功率;并且能实现基本启停操作以及对当前运行频率进行调整。同时整个高压变频调速系统必须满足以下几点要求:

(1)满足高位水箱水泵电机的额定电压,具有高可靠性;

(2)调速范围宽效率高;

(3)具有逻辑控制能力,可以根据水位信号自动升、降速;

(4)具有远程上位机监控功能;

(5)具有旁路功能,一旦出现故障,可在较短时间内切换到工频运行。

由于GVF高压变频器完全可以满足以上要求,所以选择其用于高位水箱水泵变频调速系统,上位机采用由VB6.0编写的高位水箱水泵变频调速监控软件进行监控。

1.2   GVF高压变频器

GVF-F2系列高压变频器综合运用现代电力电子技术、计算机控制技术、计算机网络技术的先进成果,集多种高新技术为一体,如模块化设计技术、低感母排技术、采用DSP的多电平控制技术、光信号传输与隔离技术等,是株洲变流技术国家工程研究中心多年来在变流技术研究和应用方面的技术积累和最新成果的体现,技术起点高,应用组合灵活,适用范围广。GVF-F2高压变频器操作简单,维护方便,运行稳定可靠,对外部电网的干扰小,效率高,节电效果明显,是当之无愧的 “绿色变频器”。它满足用户对于风机、水泵类机械调速节能,是改善生产工艺的迫切需要。

2   系统原理

GVF高压变频器,是建立在变频器主流结构电压式两电平SPWM调制技术,基于IGBT等新型功率开关器件的低压变频器成熟技术在高压领域的拓展和延伸。它是通过一个特殊结构的多绕组变压器组成多组彼此独立的无电气联系(有电磁联系)的独立的直流电源,这些独立的直流电源按照一定的规律进行调制,再将经过调制成单相交流后的变频电源进行串联叠加。对每一个单元而言载波频率并不高,但是经过叠加后的交流电的载波频率就是N个相互叠加N个单元载波频率之合,从而使波形更近于正弦形,谐波含量更少。

为减少变频电源对电网的谐波污染,适配变压器进行了多重化处理,一个N重化的适配变压器,每相有N个功率单元,每个功率单元均为三相交流,600～650V,50Hz输入,但每个三相电源所构成的三相绕组其相位却是不同的,比如构成变频电源的某相变压器交流次级绕组,其相位必须满足其相位角依次相差60°/N的要求,因此根据约定,一个每相有N个功率单元的高压变频器,每台设备具有3N个功率单元,那么适配变压器即有3N个次级绕组,由于每个次级绕组都为六相全波整流,对于N个六相整流来说事实上就形成了6N次整流,由整流电路的傅里叶变换得知6N相整流时的最低次谐波为(6N-1)次,当N等于4时6N-1=23次、当N等于6时6N-1=35次、当N等于9时6N-1=53次,由此可见多重化堆波变频技术被称之为“完美无谐波”,原因即在此。

2.1   系统结构

图2中10kV高压变频调速系统拓扑有27功率模块单元级联和24功率模块单元级联两种,27个功率模块单元,每9个功率模块单元串联构成一相;24个功率模块单元,每8个功率模块单元串联构成一相;该系统是采用27功率模块单元级联。

图2  高压变频器调速系统结构

2.2   功率模块单元结构

每个功率模块在单元结构上完全一致,可以互换,其电路结构见图3。为基本的交/直/交单相三点式逆变电路,整流侧为二极管三相全桥电路,通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制,可以得到如图4所示的波形。

图3  功率单元电路结构图

图4  一个单元输出的PWM电压波形

2.3   输入侧结构

输入侧由移相变压器给每个单元供电,对10kV的GVF-1000/10-F,构成54脉波整流方式;这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形,使其负载下的网侧功率因数接近1。
变压器各次级绕组是独立的,这是级联型变频器的要求,这样每个功率单元的主回路相对独立,类似常规变频器,便于采用现有的成熟技术。

2.4   输出侧结构

输出侧由每个模块单元的输出端子相互串接而成星型接法为电机供电,通过对每个模块单元的PWM波形进行重组,可得到如图5所示的较好的输出线电压及电流波形。这种波形正弦度较好,dv/dt小,可减少对电缆和电机的绝缘损坏,无须输出滤波器就可以使输出电缆长度增加,电机不需要降额使用,可直接用于旧设备的改造;同时,电机的谐波损耗大大减少,消除了由此引起的机械振动,减小了轴承和叶片的机械应力。

图5  输出线电压及电流波形

当某一个模块单元出现故障时,通过使图3中的接触器KM动作,可将此单元旁路出系统,而不影响其他单元的运行,变频器可持续降额运行,如此可减少很多场合下停机造成的损失。

2.5   控制器平台

GVF变频器控制平台。在分析了国内外主流高压变频器厂商的同类型产品的基础上,采用了模块化、分布式控制的拓扑结构。其中主控制器采用了基于DSP+FPGA方式来实现,各子模块采用CPLD方式实现,各模块之间采用光纤相互连接,从而大幅度提高了系统的稳定性和可靠性。

3   变频器的调试

3.1   变频器的空载通电试验

(1)将变频器的接地端子接地。

(2)将变频器的电源输入端子经过漏电保护开关接到电源上。

(3)检查变频器显示窗的出厂显示是否正确,如果不正确,应复位,否则要求退换。

(4)熟悉变频器的操作键。一般的变频器均有运行(RUN)、停止(STOP)、编程(PROG)、数据P确认(DATAPENTER)、增加(UP、▲)、减少(DOWN、")等6个键,不同变频器操作键的定义基本相同。此外有的变频器还有监视(MONITORPDISPLAY)、复位(RESET)、寸动 (JOG)、移位(SHIFT)等功能键。

3.2   变频器带电机空载运行

(1)设置电机的功率、极数,要综合考虑变频器的工作电流。

(2)设定变频器的最大输出频率和基频,设置转矩特性。风机和泵类负载,要将变频器的转矩运行代码设置成变转矩和降转矩运行特性。为了改善变频器启动时的低速性能,使电机输出的转矩能满足生产负载启动的要求,要调整启动转矩。

(3)将变频器设置为自带的键盘操作模式，按运行键、停止键，观察电机是否能正常地启动和停止。

3.3   带载试运行

(1)手动操作变频器面板的运行停止键,观察电机运行过程及变频器的显示窗,看是否有异常现象。

(2)如果启动P停止电机过程中变频器出现过流保护动作,应重新设定加速P减速时间。电机在加、减速时的加速度取决于加速转矩,而变频器在启、制动过程中的频率变化率是用户设定的。若电机转动惯量或电机负载变化，按预先设定的频率变化率升速或减速时，有可能出现加速转矩不够,从而造成电机失速，即电机转速与变频器输出频率不协调，从而造成过电流或过电压。因此,需要根据电机转动惯量和负载合理设定加、减速时间，使变频器的频率变化率能与电机转速变化率相协调。

(3)如果变频器在限定的时间内仍然保护,应改变启动P停止的运行曲线,从直线改为S形、U形线或S形、反U形线。电机负载惯性较大时,应该采用更长的启动停止时间,并且根据其负载特性设置运行曲线类型。

(4)如果变频器仍然存在运行故障,应尝试增加最大电流的保护值,但是不能取消保护,应留有至少10%～20%的保护余量。

(5)如果变频器运行故障还是发生,应更换更大一级功率的变频器。

(6)如果变频器带动电机在启动过程中达不到预设速度,可能有两种情况:

①系统发生机电共振,可以从电机运转的声音进行判断。采用设置频率跳跃值的方法,可以避开共振点;

②电机的转矩输出能力不够,不同品牌的变频器出厂参数设置不同,在相同的条件下,带载能力不同,也可能因变频器控制方法不同,造成电机的带载能力不同;或因系统的输出效率不同,造成带载能力有所差异。对于这种情况,可以增加转矩提升量的值。

4   结束语

目前整个高位水箱水泵变频调速系统已在实际生产中运行,400kW电机工频运行耗电量为396kW,变频后的耗电量为179.9kW。实际运行结果表明,GVF变频器在该钢铁厂ACC水泵上的应用,节省了电能,降低了能耗,取得了明显的节能效果。整个监控系统简化了操作人员的使用难度,同时能实时监控变频器和电机运行状态,提升生产效率,给企业带来了可观的经济效益。随着高压变频技术的日益发展,有关高压变频在应用领域的安全稳定性以及进一步实现高效节能等方面具有更为专业深入的研究。高压变频协调技术的研究和推广势必为生产节能降耗起到积极有效的推动作用。建设节约型社会是全人类的事业,高效地利用能源,是本世纪必须要解决的问题。

作者简介

陈大兵(1972-),男。工程硕士,高级工程师。现就职于湖南华菱湘潭钢铁有限公司五米宽厚板厂。（御风）