高压变频器在结晶器水泵节能改造中的应用

摘要：结合安阳钢铁股份有限公司第二炼轧厂2号、3号连铸机结晶器冷却水泵的实际使用工况，介绍高压变频器在结晶器冷却水泵上的应用，分析其节能原理和节能效益，以及IGBT直接串联高压变频器在在使用过程中的问题。

关键词：高压变频器；IGBT；结晶器冷却水泵；节能

中图分类号：TH38 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 13-0000-02

High-Voltage Inverter in the Mold in the Application of Energy-Saving Pump

Li Guangyi,Chang Haiji

(Anyang Iron&Steel Co.,Ltd.The second refining rolling mill electrical workshop,Anyang455004,China)

Abstract:Conformed with the operating mode,the paper introduces the IGBT in direct series high voltage inverter and its application in crystallizer cooling pump of NO.2 Steel-Making&Rolling Plant in Anyang Iron&Steel Co.Ltd.,energy-saving principle and energy-saving is also analysed.,The problem in using of the IGBT in direct series high voltage inverter is shown.

Keywords:High Voltage Inverter;IGBT;Crystallizer-Cooling Pump;Energy-saving

一、引言

安阳钢铁股份有限公司第二炼轧厂位于安阳市西部，拥有年炼钢600万吨，轧钢550万吨的能力，装备有大量大型风机、水泵，节能潜力巨大。结晶器是炼轧厂连铸机的重要设备，在生产中需要大量冷却水来冷却。安钢第二炼轧厂2、3#连铸机为双流连铸机，共有四台结晶器。结晶器共有相同的供水泵三台，其拖动电机参数为：

型号：YKS4507―4额定功率：450KW

额定电压：10000V 额定电流：32.2A

额定频率：50HZ 功率因数：0.86

结晶器供水要求母管出口压力1.05MPa，靠调节水泵出口阀门开度来调节水压。原系统中单台水泵最多可满足两台结晶器供水需求，因此实际生产时为三开二或三开一模式。原来在生产时单台电机全速运行，电网电压10KV，电流28.4A，功率因数0.85，耗电功率418KW，阀门开度90%左右；双台泵运行时电机电流26A，耗电功率766KW，阀门开度70%左右。一方面导致大量电能浪费，另一方面频繁开关阀门也损害阀门使用寿命，增加了故障隐患。因此我们决定对结晶器冷却水泵进行变频改造。

二、系统方案选择

为配合国家节能降耗，降低排放的要求，更为满足企业自身节能降耗，降低成本的需要，我们对此次改造过程进行了深入分析。同时，本着以最小投入产生最大效益的原则，此次改造采用了先由变频器厂家投资，然后用节省下的电费付款的双赢方式，经过数月的谈判招标，我们最后选择了湖北三环发展股份有限公司的SH-HVF系列高压变频器。

三、三环SH-HVF系列高压变频器原理及特点

（一）变频调速的基本原理

交流异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为：

式中，n代表同步转速（rpm）；f代表定子频率；p代表磁极对数，s代表转差率；

而异步电动机的转速为：

式中，s――异步电动机的转差率；

改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。

（二）高压变频器的控制策略--优化PWM方法简介

优化的PWM方式是基于输出电压波形的傅立叶级数表达式，以消除低次谐波、总谐波畸变率最小和转矩脉动最小等要求为目标函数，求解PWM脉冲波形的一种方法。其定谐波消除调制方法（Selected Harmonic Eliminated Modulation，SHEM）是最常用的优化PWM方法。但由于优化PWM方法需要采用数值方法计算大量的开关角度，实时在线计算较为困难。另外由于开关模式已被预先设定，这种方法在控制上的灵活性较差。

SH-HVF系列高压变频器是由湖北三环公司研制开发新一代高压变频器，采用直接高高变换的方式，多电平串联倍压的技术方案，优化的PWM控制算法，实现优质的可变频变压（VVVF）的正弦电压和正弦电流的输出。高压变频器输入由隔离移相工频变压器将输入的高压工频电变换成为多组彼此间相互绝缘、电位独立的低压工频电输出，并分别送到各个变频单元中，各变频单元将输入的各组低压交流电分别经整流滤波变换成直流电。单元采用3相全桥不可控整流，H桥逆变方式，与控制部分采用光纤通讯，单元3相输入采用熔断器保护（如图1）。单元输出电压为690V，每相采用8单元串联，输出线电压10KV。中性点采用不接地方式（如图2）。

图1产品原理概述之电气原理图

图2：产品原理概述之主回路原理图

四、改造方案

根据现场工艺条件及设备情况，此次改造我们选择用“二拖三”的方案，具体原理如下图（图3）所示。

图3：工程原理示意图

在正常情况下，1#、2#变频器分别给1#、3#高压电机供电。单台变频器最多可满足两台结晶器供水需求，通过闭环控制可实现压力稳定，当给三台结晶器或四台结晶器供水时，单台泵不能满足供水需求，需启动第二台泵。这时需要两台变频器联动工作，最终稳定时需两台变频工作在相同的频率点。三台泵互为备用，当变频器出现故障，必要时可直接使用工频启动备用泵。

五、改造后系统的实际运行情况

变频器到厂后，我厂技术人员与三环公司人员一道，通过一个多月的安装，使变频器调试成功。于2011年3月投产以来，已累计安全运行3个月，经过反复测试变频器各项参数正常，变频器质量良好，安全可靠，达到当初设计要求：

1.各种保护功能完善。过流、过压、欠压、三相不平衡等等电机保护措施完善可靠，并且有各种重故障急停切除保护功能。

2.各种指示功能完备。具有输入、输出电压、电流、频率、故障显示、运行状态指示等功能。

3.实现电机变频启动功能。由于高压变频器卓越的软启动/停止功能（可以零转速启动），大大降低了启动冲击电流对电动机和电网的冲击，减小了带载时的机械冲击，故有效减小了泵故障，从而大大延长了电机和泵的检修周期和使用寿命，同时还有效避免了冲击负荷对电网的不利影响。

4.提高电网功率因数，减少无功损耗。由于高压变频器输入功率因数在95％以上，不仅无需功率补偿，还可提高电网的功率因数，减少了无功损失。

六、改造效益测算

通过改造后母管出口阀门全开，当出口压力稳定在1.05MPa时变频器基本工作在43Hz左右。我们通过测量对比无变频器时另一台电机和有变频调速时的电机工作在43Hz频率运行时各自的电压、电流、功率因数，根据 ，测速出P50Hz=418KW，P43Hz=266KW。

根据具体生产状况，通过高压后台监控数据分析对比一星期内电机运行时间和耗电量，无变频器电机运行2.8小时，耗电1153Kw•H，单位小时耗电量为412Kw•H，有变频器电机运行168小时，耗电37868Kw•H，单位小时耗电量225Kw•H，则平均节电量为412-225=187Kw•H／h。

按照每年365天计算，则年节电量为：

KW•H。

按照安钢工业用电0.98元/Kw•H计算，则每台变频电机节省电费1605357元，两台为3210715元。

另外，由于实现了变频启动功能，大大延长了电机和水泵的使用寿命，减少了电机和水泵的维护费用。综上所述，通过节能改造后综合效益每年可节省费用在320万元以上。

七、改造结论

通过对结晶器冷却水泵的变频技术改造，我厂使用湖北三环发展股份有限公司生产的SH-HVF系列变频器，经过三个多月的使用，证明该产品性能可靠，技术先进，节能效果明显，在工厂技能改造项目中具有极大的推广使用价值。

参考文献：

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