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大功率高压变频器在钢铁生产中节能效果显著
日期:2009-11-9 11:30:09 点击:
来源:中国传动网
作者: 未知
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  风机、水泵类设备是钢铁生产行业的耗电大户,目前主要的控制方式是采用液力耦合器调速,或通过阀门来调节风量和水量;根据风机、水泵类负载特性,其中蕴藏着巨大的节能空间;通过高压大功率变频调速方案的实施,将会产生可观的经济效益。对降低吨钢耗水电指标,节能降耗起到积极的推动作用。随着计算机技术及IGBT等功率器件的飞速发展,高压大功率变频器产品已日渐成熟,在国内风机、水泵等场合的节能应用上得到了广泛的推广,但是对于不同的工况条件,节能效果上差别很大,不能盲目推广投运,必须对使用条件和现场工况作细致的研究。
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  高压大功率变频技术的主要流派有两种:(1)电压源型变频调速方案;(2)电流源型变频调速方案;其中电压源型变频调速方案又分为:移相整流串联叠加输出技术和三电平技术。考虑到对电网谐波、功率因数的要求,和普遍使用的6 kV和10 kV电压等级,以及从安全角度出发所提出的旁路要求,同时考虑到对原有普通电机的使用,我们选择了移相整流串联叠加输出技术。现对此技术作一简单介绍。
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  高压变频调速系统采用直接“高一高”变换形式,为单元串联多电平拓扑结构,主体结构由多组功率模块串并联而成,由各组低压叠加而产生需要的高压输出,无须输出变压器,实现了直接3kV、6kV或10kV高压输出;它对电网谐波污染小,输人电流谐波畸变小于4%,直接满足IEEE519—1992的谐波抑制标准,输入功率因数高,不必采用输人谐波滤波器和功率因数补偿装置;输出波形质量好,不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题,不必加输出滤波器就可以使用普通的异步电机。
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  所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成,各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电,用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题。每组由8个额定电压为433V的功率单元串联,因此相电压为433V×8=3464V,所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压器的24个二次绕组分别供电,24个二次绕组分成8组,每组之间存在一个7.5°的相位差。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。用这种多重化技术构成的高压变频器,也称为单元串联多电平PWM电压型变频器,采用功率单元串联,而不是用传统的器件串联来实现高压输出,所以不存在器件均压的问题。
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  在冶金生产中,根据工艺要求和运行工况的不同,需对温度、压力、流量等过程参数进行调节,最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样,不论生产的需求大小,风机、水泵都要全速运转,而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中,不仅控制精度受到限制,而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加,设备使用寿命缩短,设备维护、维修费用高居不下。
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  通过流体力学的基本定律可知:风机、泵类设备均属平方转矩负载,其转速n与流量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝n,H∝n2,p∝n3;即,流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。因此,通过变频调速装置,降低电机转速来满足运行工况,具有极大的节能空间。例如:风机、水泵运行速度下降20%,功率则降为原功率的50%。
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  风机水泵在管路特性曲R1工作时,工况点为A,其流量压力分别为Q1、H1,此时风机水泵所需的功率正比于H1与Q1的乘积,即正比于AH1OQ1的面积。由于工艺要求需减小风量(流量)到Q2,通过调节阀门开度,实际上是改变管网管阻,使管路特性曲线变为R2,风机水泵的工作点移到R2上的B点,风压(水压)增大到H2,这时风机水泵所需的功率正比H2Q2的面积,即正比于BH2OQ2的面积。显然风机水泵所需的功率变化并不明显。这种调节方式控制虽然简单,但功率消耗大、不利于节能,是以高运行成本换取简单控制方式。
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  节能型高压变频器在马钢的除尘风机、煤气加压机、供排水等领域得到了广泛的推广应用,节能效果明显,项目节电率保持在20%以上,投资回收期在2~3年,取得了可观的经济效益。
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  通过对高压变频节能应用实绩的跟踪及分析,高压变频装置运行稳定,节能空间大;同时高压变频装置的应用,在取得较高节能效益的同时,减小了风机、水泵装置直接启动造成的设备冲击,降低了设备维护量,具有较高的推广应用价值。
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