IGBT高壓變頻器在高爐水沖渣系統(tǒng)的應用

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)運行時，起動前管道進出水閥門關(guān)閉，起動后閥門開度約90%，機組全速運行，電網(wǎng)電壓6300V，電機運行電流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.最終只好讓機組長期滿負荷高速運行，造成極大的能源浪費

.因此很有必要對此系統(tǒng)進行節(jié)能改造.

2 方案選擇

從機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

變頻器進行分析后認為：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

費用較高，而且效率較低、諧波含量大，嚴重影響電機使用壽命.擬應用直接高壓變頻器，但進口設(shè)備費用較高，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)濟指標比較和考察，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

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

行逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。

功率器件是采用變頻器已有的成熟技術(shù)，應用獨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，電機高速運行，不需沖渣時將此信號取消，電機低速運行.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)場實際需要任意整定。

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3.2 變頻器的主要特點

(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。

(4)根據(jù)共模電壓產(chǎn)生的機理，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，

降低了電動機定子繞組的中心點和地之問的電壓，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。

(5)投資少，其費用比同規(guī)格的進口設(shè)備降低1/3以上。

4 實施過程及使用效果

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)試按如下步驟進行：

各控制單元單獨上電(正常→整機控制系統(tǒng)上電(正常))→主電路上電(24h正常)→帶電機運行(先25Hz運行8h再50Hz運行48h正常)

→帶水泵負荷運行(針對帶載試機過程中出現(xiàn)的問題進行改進)。

在調(diào)試過程中對設(shè)備出現(xiàn)的如下問題進行了改進：

(1)輸出電抗器溫度過高.在帶載試機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110℃.經(jīng)與廠家工程技術(shù)人員研

究分析，認為其原因是原設(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立分體電抗器，達到了室溫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)動電源傳導線放電.原因是原選用耐壓30kV的傳導線耐壓等級不夠.改用耐壓40kV的傳導線后此問題得以解決。

4.2 使用效果

變頻器于2002年4月投入運行，運行情況一直良好.機組可在管道閥門全開狀態(tài)下起動，沖渣時運行頻率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.使用變頻器前后電動機運行參數(shù)及耗電量分別見表3.

4.3 經(jīng)濟效益分析