一.引言

鋼鐵企業(yè)冶煉生產(chǎn)工藝中需大量使用氧氣、氮?dú)?、氬氣等工業(yè)氣體。氧氣主要用于高爐、熔融還原煉爐、轉(zhuǎn)爐、電爐冶煉；氮?dú)庵饕糜跔t子密封、保護(hù)氣、煉鋼精煉、轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐、保安氣體、傳熱介質(zhì)及系統(tǒng)吹掃等；氬氣主要用于煉鋼精煉等。為適應(yīng)生產(chǎn)要求，保證生產(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行，大型鋼廠(chǎng)均配置有專(zhuān)供的制氧站和氧氮?dú)鍎?dòng)力管網(wǎng)系統(tǒng)。

本項(xiàng)目所在鋼廠(chǎng)為東亞某國(guó)家年產(chǎn)量500萬(wàn)噸鋼廠(chǎng),其制氧車(chē)間采用1.5萬(wàn)立方米制氧機(jī)，擔(dān)負(fù)著公司冶煉系統(tǒng)中氧、氮、氬等能源介質(zhì)的生產(chǎn)和輸供任務(wù)。該機(jī)組于2015年10月正式投產(chǎn)，至今已經(jīng)連續(xù)安全運(yùn)行100多天。制氧機(jī)采用6kV12MW同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)速設(shè)備采用江蘇力普電子科技有限公司提供的LPMV06-15500TTP型號(hào)高壓變頻器。

二.變頻方案

高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是上世紀(jì)九十年代迅速發(fā)展起來(lái)的交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速以其顯著的節(jié)能效益、高精確的調(diào)速精度、寬范圍的調(diào)速、完善的保護(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能，得到了用戶(hù)和市場(chǎng)的認(rèn)可，在運(yùn)行的安全可靠、安裝使用、維修維護(hù)等方面，也給使用者帶來(lái)了極大的便利，使之成為企業(yè)采用電機(jī)調(diào)速方式的首選方案。

在本項(xiàng)目應(yīng)用工況下，通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)改變空壓機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，空壓機(jī)的供氣流量可隨著用氣流量的改變而改變，可達(dá)到在節(jié)能效果。同時(shí)，由于電機(jī)功率較大，通過(guò)變頻方式啟動(dòng)，也減小了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，使得電機(jī)機(jī)械壽命和電氣壽命都可以得到延長(zhǎng)。另外，本項(xiàng)目應(yīng)用地區(qū)電網(wǎng)極其不穩(wěn)定，輸入電源經(jīng)常工作在60%額定電壓，且電網(wǎng)頻率經(jīng)常低至30Hz，通過(guò)使能LPMV系列高壓變頻器的AVR功能后可達(dá)到穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的效果，使得空壓機(jī)供電穩(wěn)定不變。

力普LPMV系列高壓變頻器采用雙DSP+FPGA為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于IEE519-1992的諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，也可以驅(qū)動(dòng)普通的異步電機(jī)。具體來(lái)說(shuō)，力普高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)各部分介紹如下。

2.1總體結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目采用直接高壓變頻電路拓?fù)?，電網(wǎng)直接給移相變壓器供電，移相變壓器副邊繞組給功率單元供電，功率單元輸出串聯(lián)后，直接輸出到高壓電機(jī)，提供驅(qū)動(dòng)電壓，勵(lì)磁柜提供同步電機(jī)勵(lì)磁控制，水冷柜負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的散熱控制。從物理結(jié)構(gòu)上分為控制柜，功率柜，變壓器柜、水冷柜、開(kāi)關(guān)柜、勵(lì)磁柜六大部分。整個(gè)系統(tǒng)按著兩排設(shè)計(jì)，第一排為控制柜、功率柜、水冷柜、勵(lì)磁柜；第二排為變壓器柜和開(kāi)關(guān)柜。系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示?？紤]供電電源波動(dòng)范圍，本項(xiàng)目采用8單元串聯(lián)方案。

圖1. 高壓變頻系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D

圖2變頻器第一排實(shí)物圖

圖3 變頻器第二排實(shí)物圖

2.2控制柜

控制柜是整個(gè)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心，它根據(jù)用戶(hù)在本地或遠(yuǎn)程的操作和設(shè)置，并采集系統(tǒng)中電壓、電流模擬量，及各開(kāi)關(guān)量，進(jìn)行邏輯處理和計(jì)算后，決定并控制各功率單元的動(dòng)作，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)電機(jī)，滿(mǎn)足輸出要求。

圖4 控制端子接口圖

控制柜中包括隔離變壓器、脈沖抑制群、整流橋、斷路器、可編程邏輯控制器PLC、DSP 控制板、IO板、光纖板、液晶操作人機(jī)界面及控制開(kāi)關(guān)等。其中，所有的計(jì)算在 DSP 控制板中進(jìn)行。控制核心為專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的雙DSP（數(shù)字信號(hào)處理器），并輔之以FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）和CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件），它們的采用不但可進(jìn)行高速運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，而且還大大簡(jiǎn)化了控制電路的設(shè)計(jì)，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

2.3 功率柜

功率柜主要用于安裝功率單元，實(shí)現(xiàn)單元的串聯(lián)疊加三相輸出。功率單元是使用功率電力電子器件進(jìn)行整流、濾波、逆變的高壓變頻器部件，也是構(gòu)成高壓變頻器主回路的主要部分。每個(gè)功率單元都相當(dāng)于一臺(tái)交-直-交電壓型單相低壓變頻器。每個(gè)功率單元由H橋構(gòu)成，輸出一組SPWM波，每相8個(gè)單元，通過(guò)疊加輸出一組17個(gè)電平的正弦波；同一相中的每個(gè)功率單元的采樣頻率一致，用同一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)制，載波相差1/N個(gè)采樣周期。

當(dāng)功率單元出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓故障時(shí)，變頻器立即封鎖該單元的輸出，通過(guò)軟件控制，使功率單元輸出電流可以經(jīng)全橋逆變電路上橋臂，或者下橋臂形成電流回路實(shí)現(xiàn)將該單元旁路。

功率單元采用風(fēng)水散熱結(jié)合方式，功率柜有主進(jìn)水管和出水管，柜子頂部配置冷卻風(fēng)機(jī)，選擇德國(guó)EBM的風(fēng)機(jī)，由移相變壓器二次檢測(cè)繞組220V供電，通過(guò)斷路器由PLC控制功率柜風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)，當(dāng)變頻器啟動(dòng)頻率運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。

2.4 變壓器柜

變壓器柜主要由移相變壓器、溫控儀、冷卻風(fēng)機(jī)等部件構(gòu)成。移相變壓器的原理：將高壓電源變換為副邊相互絕緣的多組低壓，各副邊繞組在繞制時(shí)采用延邊三角形的接法，相互之間有一定的相位差。

變壓器柜包含預(yù)充電回路，系統(tǒng)通過(guò)變壓器副邊380V輔助繞組對(duì)功率單元進(jìn)行預(yù)充電后，再控制原邊高壓側(cè)給單元上電。

2.5 水冷柜

由于系統(tǒng)輸出功率較大，采用風(fēng)冷方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足變頻系統(tǒng)的散熱要求，故本項(xiàng)目采用水冷散熱方式。恒定壓力和流速的冷卻介質(zhì)源源不斷流經(jīng)換熱器進(jìn)行熱交換，散熱后再進(jìn)入被冷卻器件帶走熱量，溫升水回至高壓循環(huán)泵的進(jìn)口。根據(jù)熱負(fù)荷的變化，PLC根據(jù)供水溫度的高低來(lái)控制進(jìn)入換熱器的冷卻水流量，從而達(dá)到系統(tǒng)精確控制溫度的要求。

為適應(yīng)大功率電力電子設(shè)備在高電壓條件下的使用要求，防止在高電壓環(huán)境下產(chǎn)生漏電流，冷卻介質(zhì)必須具備極低的電導(dǎo)率。因此在主循環(huán)回路上并聯(lián)了去離子水處理回路。預(yù)設(shè)一定流量的冷卻介質(zhì)流經(jīng)離子交換器，不斷凈化管路中可能析出的離子，與主循環(huán)回路冷卻介質(zhì)在主循環(huán)泵入口合流。

循環(huán)管路設(shè)有氣囊式膨脹罐穩(wěn)壓系統(tǒng)，為系統(tǒng)保持恒壓并能吸收系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)的體積變化，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

系統(tǒng)中各機(jī)電單元及傳感器由PLC自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)通過(guò)硬接點(diǎn)傳送到被冷卻器件主控制器，并可通過(guò)主控制器遠(yuǎn)程操控水冷系統(tǒng)。 水冷系統(tǒng)原理示意圖如下圖所示。

圖5 水冷系統(tǒng)工作原理圖

2.6 勵(lì)磁柜

如果空壓機(jī)反轉(zhuǎn)，則油泵也相應(yīng)反轉(zhuǎn)，這樣潤(rùn)滑油泵將無(wú)法工作，空壓機(jī)的潤(rùn)滑將發(fā)生障礙，從而使空壓機(jī)不能正常工作，容易使機(jī)身受損。 所以在使用變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)同步電機(jī)調(diào)速時(shí)，需要根據(jù)使用同步電機(jī)的方式合理選擇控制方式。目前通常做法如下：

(1)變頻啟動(dòng)之前讓勵(lì)磁裝置投勵(lì)。勵(lì)磁系統(tǒng)向同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組通以一定的勵(lì)磁電流，在同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上建立一定的磁場(chǎng)。

(2)變頻裝置向同步電機(jī)的電樞繞組施加一定的直流電壓，產(chǎn)生一定的定子電流。此時(shí)，在同步電機(jī)上產(chǎn)生一定的定子電流，并在定子上建立較強(qiáng)的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子在定、轉(zhuǎn)子間電磁力的作用下開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子磁極逐漸向定子磁極的異性端靠近。此時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可能與電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)向相同，也可能相反。

(3)變頻器按照電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，緩慢旋轉(zhuǎn)其施加在電樞繞組上的電壓矢量。隨著同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)和定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極將在某一時(shí)刻掠過(guò)定子的異性磁極，或者轉(zhuǎn)子磁極加速追上旋轉(zhuǎn)的定子磁極。此時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極被較強(qiáng)的定子磁極可靠吸引，二者間的角度經(jīng)過(guò)少量有阻尼的震蕩后，逐漸趨于一個(gè)較小的常量。至此，同步電機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，整步過(guò)程完成。

(4)變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速度和v/f曲線(xiàn)(即磁通給定)，調(diào)節(jié)輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時(shí)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角逐漸拉大到某一常值，然后電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁場(chǎng)的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程完成。

按著上述步驟調(diào)速時(shí)候，如果在第二步無(wú)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)在啟動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)短時(shí)電機(jī)正反振動(dòng)現(xiàn)象，如圖6所示。此種同步調(diào)速方式不適合空壓機(jī)調(diào)速。

圖6 先投勵(lì)同步電機(jī)啟動(dòng)方式可能出現(xiàn)問(wèn)題示意圖

解決上述問(wèn)題有兩種方式，一種電機(jī)內(nèi)部增加位置傳感器，精確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置實(shí)時(shí)調(diào)整定子電壓矢量和勵(lì)磁電流，保證電機(jī)按設(shè)定方向旋轉(zhuǎn)；另外一種方式，先異步啟動(dòng)，強(qiáng)制電機(jī)按著設(shè)定方向旋轉(zhuǎn)后，在某一個(gè)頻率點(diǎn)強(qiáng)制勵(lì)磁，系統(tǒng)阻尼震蕩后嵌入同步運(yùn)行。 本系統(tǒng)采用后者，可以很方便實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)啟動(dòng)。啟動(dòng)效果如圖7所示。

圖7 先異步啟動(dòng)再投勵(lì)運(yùn)行示意圖    

三.現(xiàn)場(chǎng)工況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，此系統(tǒng)采用一拖一方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)，無(wú)工頻旁路，系統(tǒng)電路構(gòu)成方案如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)工程方案圖  

為了保證安全，變頻器高壓連跳信號(hào)和輸入開(kāi)關(guān)柜高壓斷路器也實(shí)現(xiàn)互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級(jí)高壓斷路器的脫扣線(xiàn)圈，變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，上一級(jí)的高壓斷路器斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能。考慮單臺(tái)變壓器容量較大，散熱及移相角度不容易控制，本系統(tǒng)采用兩個(gè)變壓器串聯(lián)工作。

輸出開(kāi)關(guān)柜含有真空斷路器及差動(dòng)保護(hù)裝置，在電機(jī)勵(lì)磁出現(xiàn)故障或者電機(jī)短路等情況下實(shí)現(xiàn)輸出跳閘保護(hù)。

　　空氣壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時(shí)，系統(tǒng)原理框圖如圖9所示。

圖9 壓力外部閉環(huán)控制

變頻器將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，裝在儲(chǔ)氣管出氣口的壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA電信號(hào)送給PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)去控制變頻器的運(yùn)行頻率，從而調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，那么空壓機(jī)輸出相應(yīng)的壓縮空氣至儲(chǔ)氣罐，使之壓力變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同，從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力。

在實(shí)際運(yùn)行中，加載運(yùn)行時(shí)電流為1100A，卸載運(yùn)行時(shí)電流為450A，空氣壓縮機(jī)運(yùn)行頻率常在50Hz左右（額定頻率60Hz），運(yùn)行電流為450～1100A，采用變頻方案節(jié)省大量的電能，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。該系統(tǒng)于2015年10月10日安裝調(diào)試完畢，并且安全運(yùn)行到至今。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行某時(shí)刻HMI界面圖

由于新上項(xiàng)目，無(wú)法對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行對(duì)比，但是根據(jù)用戶(hù)的使用情況可總結(jié)變頻驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)方案有如下特點(diǎn)：

（1）節(jié)約能源使運(yùn)行成本降低

變頻起動(dòng)后對(duì)設(shè)備的沖擊減少，維護(hù)和維修量也跟隨降低，所以運(yùn)行成本將大大降低。

(2）提高壓力控制精度

　　變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力。使壓縮機(jī)的空氣壓力輸出與用戶(hù)空氣系統(tǒng)所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機(jī)的輸出氣量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制電機(jī)速度的精度高，可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力保持基本恒定。

（3）全面改善壓縮機(jī)的運(yùn)行性能

　　變頻器軟啟、軟停止，從而減少對(duì)壓縮機(jī)的電氣部件和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)。變頻調(diào)速后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度可調(diào)低，從而有效地降了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲。

（4）保證生產(chǎn)連續(xù)性

 由于變頻器具有穩(wěn)頻穩(wěn)壓輸出功能，從而使得電網(wǎng)供電的變化不會(huì)影響壓縮機(jī)的正  常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證整個(gè)壓縮系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

四.結(jié)束語(yǔ)

隨著鋼廠(chǎng)的大型化發(fā)展，與其配套空分裝置也向大型化邁進(jìn)，空分行業(yè)在經(jīng)歷了數(shù)十年的大發(fā)展后，國(guó)內(nèi)空分企業(yè)也在積極趕超世界領(lǐng)先企業(yè)，國(guó)產(chǎn)空分供貨商以杭氧為代表，已經(jīng)研發(fā)出12萬(wàn)等級(jí)的超大型空分設(shè)備。空分設(shè)備的大型化發(fā)展意味著對(duì)大功率的高壓變頻調(diào)速的需求越來(lái)越多。通過(guò)采用高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)不但可以解決電機(jī)軟啟動(dòng)問(wèn)題，也可帶來(lái)可觀的節(jié)能效果。

江蘇力普電子科技有限公司自主研發(fā)的6kV15.5MVA同步機(jī)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在東亞某國(guó)家第二大鋼鐵廠(chǎng)一次性成功投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，其性能穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯。本項(xiàng)目的投運(yùn)成功標(biāo)志著江蘇力普電子科技有限公司在大功率水冷型高壓變頻器上取得了突破，提高公司在行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力,成為國(guó)內(nèi)少數(shù)掌握超大功率高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)的廠(chǎng)家之一。