摘要：通過韶鋼煉鐵廠4#高爐沖渣系統(tǒng)采用IGBT直接高壓變頻器對水泵機(jī)組進(jìn)行調(diào)速控制的實(shí)例，介紹國產(chǎn)IGBT直接高壓變頻器的性能，同時對其使用中出現(xiàn)的問題作了分析、提出解決方案．
關(guān)鍵詞：高壓變頻器；沖渣水泵；調(diào)速

（Shaoguan Iron＆Steel Group Co．，Ltd．，Qujiang512123，Guangdong）
Abstract：In describing the appficafon of the home —made IGBT conveaer to the pump speed control for the slag-washing- out systern at No．4 BF of SISG，the paper illustrates the performance of the IGBT converter，analyses problems encountered in the appfication，and put forward resolutions to them．
Key words：high—voltage converter；slag-washing-out pump；speed control

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，兩次出渣時間共約30 min．在此時間內(nèi)要求水沖渣系統(tǒng)的水泵滿負(fù)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(guān)鋼鐵集團(tuán)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(guān)數(shù)據(jù)如表1．

　　原系統(tǒng)運(yùn)行時，起動前管道進(jìn)出水閥門關(guān)閉，起動后閥門開度約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．原來曾試用在不需沖渣時，調(diào)節(jié)閥門至30％來調(diào)節(jié)水流量（此時電機(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，致使其使用壽命大大降低，增加了停產(chǎn)更換閥門的時間，得不償失．最終只好讓機(jī)組長期滿負(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，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．?dāng)M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，故目光投向國產(chǎn)．國產(chǎn)直接高壓變頻器比較見表2．

　　結(jié)合上表，通過對國內(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(jìn)行逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機(jī)。

　　功率器件是采用變頻器已有的成熟技術(shù)，應(yīng)用獨(dú)特而簡單的控制技術(shù)成功設(shè)計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、輸出效率達(dá)98％ 的高壓調(diào)速系統(tǒng)。
　　考慮到工藝對調(diào)速精度要求不是很高，本系統(tǒng)只采用開環(huán)控制并在高爐值班室通過開關(guān)量信號操作．此信號接人變頻器數(shù)字控制信號輸入端，需沖渣時給調(diào)節(jié)系統(tǒng)一個“l”的信號，電機(jī)高速運(yùn)行，不需沖渣時將此信號取消，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)場實(shí)際需要任意整定。
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象限壓拉動態(tài)均壓、鉗壓技術(shù)攻克了當(dāng)今世界IGBT串聯(lián)使用時開關(guān)微秒級同步的難題。
　　（2）正因為采用了高性能的HV—IGBT模塊，整個設(shè)備的體積非常小，跟國內(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）問題，降低了電動機(jī)定子繞組的中心點(diǎn)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(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（針對帶載試機(jī)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行改進(jìn)）。
　　在調(diào)試過程中對設(shè)備出現(xiàn)的如下問題進(jìn)行了改進(jìn)：
　　（1）輸出電抗器溫度過高．在帶載試機(jī)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(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)線耐壓等級不夠．改用耐壓40kV的傳導(dǎo)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(yùn)行，運(yùn)行情況一直良好．機(jī)組可在管道閥門全開狀態(tài)下起動，沖渣時運(yùn)行頻率49．5HZ、測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；不沖渣時運(yùn)行頻率25HZ、測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機(jī)運(yùn)行參數(shù)及耗電量分別見表3．

4．3 經(jīng)濟(jì)效益分析
　　（1）機(jī)組確變頻調(diào)速與無變頻調(diào)速時耗電差

　　（2）機(jī)組有變頻調(diào)速時高、低速耗電差

　　（3）年節(jié)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(jié)電效益Y

　　（5）節(jié)約維修費(fèi)用：因沖渣水含有大量的爐渣，原系統(tǒng)管道和閥門在含渣水的高速沖刷下，很短時間內(nèi)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(fèi)用約l5萬元．經(jīng)變頻調(diào)速改造后，有一半時間內(nèi)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(fèi)用約30％ ，即5萬元。
　　（6）每年可節(jié)省電費(fèi)和維修費(fèi)共646030元，本項目設(shè)備投資共60萬元，安裝費(fèi)用1萬元，由煉鐵廠2001年固定資產(chǎn)大修費(fèi)用開支．1a可全部收回成本。
5 項目實(shí)施的經(jīng)驗及存在問題
　　（1）對于經(jīng)技術(shù)論證可行的項目要大膽實(shí)施，敢于應(yīng)用新技術(shù)，不必貪大求洋。
　　（2）現(xiàn)有的變頻器用于元件冷卻的風(fēng)機(jī)太小，數(shù)量過多，宜采用大風(fēng)機(jī)以減少數(shù)量，有利于提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。
　　（3）變頻器開關(guān)柜的操作目前是手動開關(guān)，宜改為直流全閘機(jī)構(gòu)控制分、合閘，以提高安全系數(shù)．
（4）功率因數(shù)偏低，有待變頻器設(shè)計時改進(jìn)。
6 結(jié)語
　　實(shí)踐證明國內(nèi)首例IGBT串聯(lián)直接高壓變頻器在韶鋼的應(yīng)用是成功的，開創(chuàng)了直接高壓變頻器工業(yè)應(yīng)用的先河，在高壓電子技術(shù)方面具有先進(jìn)性，在運(yùn)行方面具有高可靠性，在使用維護(hù)方面具有簡易性，在費(fèi)用投資方面具有較高的可比性，能有效地為節(jié)能降耗、提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和自動化控制水平發(fā)揮作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳加林．IGBT直接高壓變頻器[J]．變頻器世界，20O3（7）．