摘 要：本文介绍了高压变频调速技术的基本原理及单元串联多电平型高压变频调速系统及其在连铸喷雾冷却供水系统中的应用。
关键词：变频调速 恒压供水 旁路
1．引言
我公司炼钢水处理站连铸喷雾冷却供水泵组向炼钢厂不锈钢连铸机供应工业水。原设计流量400 m3/h，压力1.4MPa，而连铸机生产需要最大流量为370m3/h，压力为1.3MPa，该泵组在工频运行下供水管网压力过高，对连铸生产造成不利影响。同时，为保证供水连续性，在连铸机待机时该泵组仍在全负荷供水，此时工业水从泄压阀流回工业水池，造成了电能的巨大浪费。
随着新型电力电子器件的不断涌现和计算技术的飞速发展，高压变频调速系统得到了广泛应用。它不仅解决了大功率风机、水泵的调速和软启动问题，而且节能显著。为此，公司决定增加高压变频器对该泵组电机进行调速，经过技术、经济多方面分析后，选用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A型高压变频器，在满足炼钢厂用水条件的前提下降低管网压力、流量，节约能源。
2．高压变频调速技术
2.1 高压变频调速原理
变频调速是通过改变电源频率来调节电动机转速的。对于异步电动机而言，设f为定子电源频率，s为转差率，p为磁极对数，n为转速，按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：
由上式可见，电机的同步转速n0(n0=60f/p)正比于电机的运行频率f，由于转差率s一般情况下比较小（0～0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以改变电机的电源频率f，就能改变电机的实际转速。
2.2 单元串联多电平型高压变频调速系统
（1）系统结构
HARSVERT-A系列高压变频调速系统结构如图1所示。系统主要由移相变压器柜、功率柜和旁路柜组成。10kV系统为单元串联多电平拓扑结构，采用700V功率单元，每8个功率单元串联构成一相，共有24个功率单元，串联方式采用星型接法，中性点浮空。每个功率单元由电网电压经移相变压器的次级绕组供电，所有功率单元都通过光纤接收来自同一个中央控制器的指令，以调节输出电压，功率单元输出电压串联后得到可变频率的高压电供给电动机。
图1：HARSVERT-A系列高压变频调速系统电路拓扑图
（2）功率单元电压叠加原理
图2为变频器的单元串联基本原理图。每个功率单元输入700V三相交流电压，输出 690 V单相交流电压，每相的8个功率单元串联叠加后可输出相电压5520V，每两相间相差120°电角度。
由于变频器中性点与电动机中性点不连接，变频器输出实际上为线电压[1]，由A相和B 相输出电压产生的输出线电压可达到10kV，线电压不仅具有正弦波形而且叠加的阶梯波数也成倍增加，因而谐波成分及dv/dt 均较小。
图2：单元串联电平叠加基本原理图
2.3 单元串联多电平型高压变频调速系统主要特点
(1) 功率单元故障时继续运行
当某个功率单元发生故障时可自动旁路运行，变频器不停机，即在每个功率单元输出端之间并联旁路电路，当功率单元故障时，封闭对应功率单元IGBT的触发信号，然后让旁路导通，保证电机电流能通过，仍形成通路。
为保证三相输出电压对称，有的系统是在旁路故障功率单元的同时，另外两相对应的两个功率单元也同时旁路，这样将使输出电压明显下降，变频器需降额使用。以10kV系统为例，当1个功率单元故障后，每相将剩下7个功率单元，输出最高电压为额定电压的87.5％。
为了在功率单元旁路时尽量减少输出电压下降幅度，HARSVERT-A系列高压变频调速系统采用零点漂移法，以提高输出电压，同时保证三相平衡。如图3所示。设功率单元旁路前的线电压为U1，相电压Ua=Ub=Uc=U，设B相一个功率单元旁路后的线电压为U2，此时相电压为Ub′＝7U/8，根据余弦定理，对图4中△AOB列方程有：Ua2＝U22＋Ub′2－2 U2×Ub′ ×cos30°，即64 U22－56 U× U2－15 U2＝0，又U1＝ U，则解得U2/ U1＝0.9567。
图3：功率单元旁路前电压相量图
图4：单个功率单元旁路后的电压相量图
可见，零点漂移法在单个功率单元故障时可使最高输出电压为额定输出电压的 95.67％，与同时旁路另外两个完好功率单元的方法相比，电压输出能力有了较大的提高。
(2) 电机侧的谐波和dv/dt少，适用普通异步电动机
移相变压器二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真小于1%，输入的功率因数可达0.95以上[2]。
输出电压非常接近正弦波，每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小。功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率。输入电机的电压等效开关频率大大提高，电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热、噪音和转矩脉动都大大降低，因此对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电动机。
(3) 系统故障可旁路到工频运行
由于系统配有旁路柜，内置真空接触器和高压隔离开关。真空接触器可根据S7-200 PLC的指令实现泵组变频运行和工频运行之间的电源自动切换，尤其在变频器故障状态下可将当前变频运行的电机迅速切换至工频运行，从而避免了管网压力和流量的突变，满足了连铸生产用水连续性、可靠性的要求。
3．连铸喷雾冷却供水系统工艺简介
连铸喷雾冷却供水泵组采用两台MTC－A－50/04型多级泵，配套MGF－400C型异步电动机，运行时开一备一，系统工艺流程如图5所示。
图5：连铸喷雾冷却供水系统工艺流程图
正常运行时，单台泵工频运行，全天24小时不间断向炼钢厂供水，在连铸机不浇铸时工业水通过位于炼钢厂入口处的旁通阀流回工业水池。
4．控制系统设计
4.1 系统电气设计
根据实际工况要求，由于连铸机在生产时对供水的连续性要求非常高，如果突然中断供水将会严重影响产品质量，从保证供水连续性角度考虑，结合供电系统的实际情况，决定采用恒压供水控制方式，电气主回路采用一拖二方案。
(1)电气主回路原理
如图6所示，QF1为1＃泵对应高压柜内的真空断路器，现用于向变频器供电，QF2为2＃泵对应高压柜内的真空断路器，现用作工频电源。真空接触器KM1、KM2、KM3、KM4以及高压隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4安装于旁路柜内，其中，真空接触器用于电动机工频和变频运行的自动切换，高压隔离开关一般情况下处于合闸状态，仅在变频器检修时拉开，用于电动机工频运行情况下对变频器进行安全检修。
(2) 改造后泵组运行方式
正常运行状况下，单台泵变频运行，一用一备，当变频器出现故障时，当前变频运行的泵自动切换至工频运行；当运行电机出现故障时，自动工频启动备用泵。
倒泵操作时，首先将变频运行的泵切换至工频运行，然后将备用泵变频启动至50Hz，此时，两台泵出口压力相同，不会发生环流现象，最后将工频运行的泵退出运行，变频器根据设定压力自动调节输出频率，以保持管网压力恒定。
通过对真空接触器的电气联锁，保证两台泵不能同时变频运行或工频运行，同一台泵不能工频和变频同时运行。
图6：电气主回路原理图
4.2控制系统网络设计
如图7所示，原系统采用一体化控制系统来完成各系统的温度、压力、流量、液位等工艺参数的显示、控制以及各类泵、阀等设备的监控操作和电气室中电气设备的监视。中央监控系统共设置两台服务器、三台操作站，同时设有三个AS（自动化控制系统）站，采用三套西门子S7-400 PLC对炼钢水处理站内所有工艺设备及电气仪表设备实行集中监控，通讯网络在底层采用Profibus DP总线。两台服务器、三套PLC通过100Mbps冗余光纤环形网相连，三台操作站通过以太网与两台服务器相连，转发控制命令。配置一台打印机，用于报表打印。
图7：监控系统网络结构图
高压变频器控制系统由原PCS7系统中的上位机、主控PLC、高压变频器组成。应用原系统中的一套PLC作为主控制器，其与高压变频器内置的S7-200 PLC通过硬接线进行信号传输。
4.3 软件设计
（1） 应用软件简介
PCS7系统是一个结构完整、性能完善的新一代自动化控制系统，它体现了当代过程控制领域最新技术的发展潮流。
在软件开发中，采用了集成的全局数据管理和统一的组态工具即SIMATIC程序管理器。其中人机界面的开发、系统组态应用WinCC，通过它实现了各种工艺流程的实时监控；编程软件应用Step 7，采用单元化编程方式，把系统的各种工作编成功能块，在主程序中调用，方便易用，便于用户理解、修改。
（2）控制功能描述
对于变频泵组的控制分为就地控制方式和远程控制方式两种。
在就地控制方式下，在变频器控制柜的触摸屏上手动启动变频器，并设定运行频率，然后通过旁路柜的控制按钮实现电机的变频启动；同时，也可以利用原有的就地控制箱实现工频启动。
在远程控制方式下，分为远程自动控制和远程手动控制。在远程自动控制方式下，可人工设定管网的控制压力，该设定值进入S7－400 PLC，同时PLC根据现场压力变送器传输过来的压力反馈信号与设定压力值进行比较，经过PID模块运算后，给出变频器运行频率信号，从而调节电机转速，保持管网压力恒定。此外，在自动控制方式下的压力设定值分为连铸机生产时的定值和连铸机待机时的定值，后者远小于前者，二者的选择根据连铸机的起、停信号来控制，这样既保证了生产又最大限度地节约了电能，提高了节能效果；在远程手动模式下，可手动设定变频器运行频率，变频器将根据设定的频率调节输出，使电机恒速运行。
5．节能效果计算
5.1 在连铸机生产和待机不同负荷下泵组运行参数统计
在连铸机生产和待机不同负荷下泵组运行参数统计如表1所示。
表1：连铸机生产和待机工况下泵组运行参数统计表
变频改造前
变频改造后
连铸机工作状态
生产
待机
生产
待机
平均运行时间(%)
85
15
85
15
阀门开度（%）
100
100
总管流量（m3/h）
310~320
270~280
150~270
12～50
总管压力（MPa）
1.60~1.65
1.66~1.69
1.35
1.35
电机平均电流（A）
13.1
12.1
8.1
4.0
5.2 工频状态下的年耗电量计算
（1） 变量名称
Pd：电动机总功率；I：电动机输入电流； d：电动机效率；U：电动机输入电压；cosφ：功率因数（工频为0.85，变频为0.98）；Cd：工频年耗电量；T：年运行时间；δ：不同负荷运行时间百分比；Cb：变频年耗电量；F1：工频每年电费；F2：变频每年电费。
（2） 计算公式
电动机总功率：Pd=×U×I×cosφ … （1）
累计年耗电量：Fd=T×∑（Pd×δ）… （2）
年耗电量：Cd＝8500×（ UI cosφ×85%＋ UI cosφ×15%） （3）
（3） 电机在工频状态下的电机功耗计算
不同负荷下电机实际功耗计算值如表2所示。
表2：工频状态下电机功耗
连铸机工作状态
生产
待机
平均运行时间(%)
85
15
电机电流平均值(A)
13.1
12.1
工频功耗平均值(kW)
198.75
179.61
Cd＝8500×（ ×10×13.1×0.85×85%＋ ×10×12.1×0.85×15%）=1620571.69 kW·h
可见，采用工频运行时，每年喷雾冷却泵组耗电量约为1620571.69 kW·h。
5.3变频状态下的年耗电量计算
电机在变频状态下，不同负荷下电机实际功耗计算值如表3所示。
表3：变频状态下电机功耗
连铸机工作状态
生产
待机
平均运行时间(%)
85
15
电机电流平均值(A)
8.1
4.0
工频功耗平均值(kW)
137.49
67.90
Cb＝8500×（ ×10×8.1×0.98×85%＋ ×10×4.0×0.98×15%）=1079934.54 kW·h
可见，采用变频运行时，每年喷雾冷却泵组耗电量约为1079934.54 kW·h。
5.4节电计算
购入电价按0.65元/kW·h计；泵组全年工作时间按8500小时计。
（1）工频状态下每年支出的电费为：F1＝1620571.69×0.65=105.34 万元；
（2）变频状态下每年支出的电费为：F2＝1079934.54×0.65=70.20 万元；
（3）年节电量：ΔC=Cd－Cb=1620571.69－1079934.54=540637.15 kW·h；
（4）年节约成本：ΔF=F1－F2＝105.34－70.20＝35.14万元；
（5）节电率：（ΔC/Cd）×100%=（540637.15 / 1620571.69）×100%=33.36%。
6．结束语
通过高压变频技术改造，完全实现了设计要求，降低了供水管网的运行压力，改善了连铸喷雾冷却供水系统的运行工况，克服原有工频运行下出口压力高、管损严重的现象，满足了连铸生产对冷却水压力的要求，提高了工作效率，节约了大量电能。初步计算，该泵组每年节约电费愈20万元。此外，变频改造保护了水泵、电机，减少了泵体和电机维护费用，延长了设备的使用寿命，降低了公司的生产成本。
参考文献
[1] 徐孟. 单元串联高压变频器的设计及其应用. 哈尔滨:哈尔滨理工大学出版社,2004
[2] 孙青海,胡强国,辛晓洁等. 高压交流变频调速技术分析及应用. 淮南职业技术学院学报, 2005,5(16)
