高原型高压变频器在高海拔地区的应用

杨盛洪 张希平

摘要：针对西藏等高海拔地区钢铁和水泥企业使用高原型高压变频器控制高压电机的必要性进行了分析，对高原型高压变频器工作原理、产品性能特点以及高原型高压变频器在西藏高海拔地区水泥磨通风机、水泵、炼铁高炉鼓风机设备上的应用情况进行了介绍。

关键词：高压变频器；高海拔；水泥；钢铁；应用

1高原型高压变频器工作原理

1.1高原型高压变频器的构成

高原型高压多电平单元串联变频器是由18个相同的单元模块构成，每6个模块为1组，分别对应高压回路的三相，单元供电由移相变压器进行供电。

1) 高海拔应用：变频器和电机均选择国际知名品牌 TMEIC 产品，满足现场海拔 4600m 要求。

2) 优异的控制算法：变频器采用有速度传感器的矢量控制算法，具有启动和低速转矩大的特点，可以

满足磨机的满载启动，并且可以作为磨机的慢驱使用。

3) 易用易维护：变频器采用强迫风冷，现场安装简单，后期维护容易和维护简单。电机采用自润滑电机，在正常运行和停机使用时，不需要润滑油站参与运行，不会因为意外停电造成惰走的电机轴承损坏。

4) 可靠性高：变频器长期运行稳定可靠，平均无故障时间为 105000h。

5) 高性价比：采用变频器软启动磨机，可以取消空气离合器，节约设备投资及占地。采用 10kV 输入6.6kV 输出变频器，整个系统具有非常高的性价比。

6) 系统功能人性化：具有板结检测和抖落功能、具有可调速慢驱功能、具有点动功能和定位控制功能，功能可以在 PLC 控制系统操作界面实现，也可以在 DCS 上操作实现。

1.2功率单元构成

功率单元是一种单相桥式变换器，由输入切分变压器的副边绕组供电。经整流、滤波后由IGBT以PWM方法进行控制，产生设定的频率波形。变频器中所有的功率单元，电路的拓扑结构相同，实行模块化的设计，其控制通过光纤发送，来自主控制器的控制光信号，经光/电转换，送到控制信号处理器，由控制电路处理器接收到相应的指令后，发出相应设的IGBT的驱动信号，驱动电路接到相应的驱动信号后，发出相应的驱动电压送到IGBT控制极，操作IGBT关断和开通，输出相应波形。功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理，集中后经电/光转换器变换，以光信号向主控制器发送。

1.3高原型高压变频器运行原理

高原型高压变频器的各个功率单元和电平为3且二相输出的低压变频器相等同，采取叠加的形式，让其转变成为高压三相交流电。为了能较好的探究低压变频器的运行原理，本文以变频器为例进行探究，该变频器的输出电压为6千伏，且每相的功率单元为6个，这6个功率单元以一种串联的形式连接在一起，单元的实际输入电压是三相600伏特，输出电压是单向577伏特，这些单元彼此进行串联，在进行叠加处理之后，其实际的可允许输出的相电压数值为3464伏特、如果变频器的输出频率维持在50赫兹，那么其相电压则为13阶梯波。A相6个功率单元的输出电压，叠加后为变频器A相输出电压Uao，生成PWM控制信号时所采用A相参考电压Uao，可以看出Uao很好地逼近Uar，Uaf为A相输出电压中的基波成分。

2高原型高压变频器的特点

高原型高压变频器是在低海拔通用高压变频基础上二次开发设计，产品在高海拔地区运行后，其电压和频率严格按照V/F的设定进行相应的调节，保持电机在不同的频率下运行，而定子磁芯中的主磁通保持在额定水准，提高了电机的转换效率。出高原型高压变频器输出电压的波形已达到完整的交流正弦波，经过实测其谐波含量很低，已达到常规供电电压允许的谐波含量，同时输出电压的dV/dt较小，不会增加电机绕组的应力，可以向普通标准型交流电动机供电，不需要降容或增加输出滤波电抗器，保证了高压设备的通用性。此外，产品性能还具有以下特点：（1）全部电气及控制元件均采用高原型；（2）采用先进的IGBT器件；（3）采用多电平拓扑电路和PWM调制策略；（4）国内独有的双片DSP控制设计，完美地消除了变频器死机的隐患；（5）模块化设计，结构紧凑，维护方便，增强了产品的互换性；（6）直接高压输出，无需输出变压器。

3高原型高压变频器在西藏高海拔地区的应用

3.1西藏瑞安建材投资有限公司

水泥磨通风机上应用西藏瑞安建材投资有限公司系中港合资企业，是西藏生产规模最大、技术实力最雄厚的水泥集团，东骏水泥公司是西藏瑞安建材投资有限公司的全资子公司，现有1条日产4000t熟料新型干法水泥生产线，是目前西南地区单条线生产能力最大的水泥企业，东骏水泥公司地理位置地处高海拔地区，海拔高度1900m，根据通风机及电机的工艺参数，考虑高海拔等因素，2009年节能技改时2#水泥磨通风机选用1台与电机匹配的高原型2240kW高压变频器控制通风机电机，该设备在经受调试处理之后，其电机实际的启动噪声分贝量变小，运行状态趋于平稳化，高压变频器所产生的噪声会比较小。当通风机处于一个满负荷的运行状态，高压变频器并不会产生输出不足以及无容量等的问题，不管是变频器还是电机的发热程度都始终处于一个正常的数值范围内，各类产品都没有在高原等各类因素的作用下，导致其用户无法正常的进行生产，另外，变频器控制风机的节电性能会比较强，其设备的使用给相应的用户争得了更高的节能经济收益。

3.2昆明钢铁控股有限公司

水泵上应用昆明钢铁控股有限公司是全国特大型工业企业和中国企业500强之一，西藏最大的钢铁联合生产基地。现具备年产700万t钢的综合生产能力，是集钢铁冶金、煤焦化工、矿业开发、重型装备制造、水泥建材、房地产、现代物流、工程设计、海外业务等为一体的特大型企业集团。截至2009年末，有全资子公司20个、控股子公司8个、参股子公司2个，资产总额370亿元。主要产品有高速线材、螺纹钢、热轧板、冷轧板和镀锌彩涂板产品等，其中二炼钢厂位于安宁市，工厂所在地海拔高度约为1800m。二炼钢厂1#、2#连铸水泵主要供两条连铸机的设备冷却用水，采用两台6kV、450kW高压电机拖动。但是其设计的用水量数值会比较高，两台泵只可以以一种并联运行的形式进行连接，日常连通管阀门会以一种全开的形式为主。原本高压变频器产品并不是十分的成熟，因此其水泵位置处并没有安装调速的装置设施，其中一台泵的供水水量不够充足，两台泵同时供水，其水量数值会较大，超过相应的水量限制，所以需要重新去设计回流管，利用回流管使得多余的水量都可以分流到水池内部。供水系统所设定的供水扬程数值最小为九十米，其供水管径约为500毫米，管路的实际长度控制在200米至300米的数值范围。依据设备冷却用水两台泵的负荷特征，利用高新技术重新去测试其水泵、水流、回流管以及连通管的流量。结合测试得出的数据信息以及用户们实际的用水状况，可以观测到其供水系统的实际供水效率会比较差，水池的回流管流量也会比较高，电能的浪费现象会比较严重，其需要在确保系统供水量达标的状况下，合理化的使用调节水泵，确保其转速的稳定，满足控制抽水量的要求，挖掘其设备的节能潜力。对二炼钢厂地处高海拔地区地质条件进行分析，同时还需要分析其供水系统实际的运行状况，选择规格为450KW高原型高压变频器，其变频器的数量为两台，用其设备来调控水泵高压电机。根据用水量自动调节水泵转速，取消了水池的回流管，供水水压、水量满足了生产线的要求，节能效果明显；高原型高压变频器运行稳定可靠，投入运行后没有出现任何问题，是高原型高压变频器在高海拔地区控制水泵的成功应用实例。

结语：

综上所述，PowerSmart系列高原型高压变频器在海拔高度2200m以下地区的水泥厂和钢铁厂风机，水泵的高压电机等设备上应用是成功的，产品在高海拔地区运行状态良好，性能优越、可靠性高，操作方便、维护量小。在西藏的高原地区风机，水泵等设备上成功应用证明，在高海拔地区推广使用用高原型高压变频器技术控制高压电机实现节能是应该倡导的。

参考文献：

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[4]随机应变高压变频器应用酝酿新突破[J].变频器世界.2012(03)

[5]高压变频器市场:检验企业综合实力的舞台[J].变频器世界.2012(04)