隨著國民經(jīng)濟的迅速 發(fā)展和現(xiàn)代化建設過程的加快實施，現(xiàn)代社會的工業(yè)化程度也越來越高。伴隨而來的是大量的能源消耗和能源浪費，并且隨著社會的進步發(fā)展；這種消耗和浪費還在 進一步的加劇發(fā)生。由于能源的越來越少很多專家都預言：誰現(xiàn)在掌握了能源，將來就會掌握世界。因此，能源問題已經(jīng)成為了一個新的世界性的話題。
放眼全球，在沒有找 到新的能源情況下，各個國家的政府都強制性的制定了很多節(jié)能減排的方針。因此，節(jié)能減排已經(jīng)成為了很多企業(yè)節(jié)約成本、創(chuàng)造剩余價值；甚至是生存的首要任 務。尤其是在高能耗的冶金、石化、電力、礦業(yè)行業(yè)中。而這些企業(yè)多數(shù)的能耗都是在高壓電機的電能消耗上；電能的消耗約占整個企業(yè)電能的65-75%。所 以，節(jié)能減排對于高壓電機來說顯得異常重要。不論是從電機的啟動、調(diào)速、制動抑或是滿足工藝來說，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)無疑是最有效、最理想的方式。尤其在特 定工藝和環(huán)境中，高電壓、大功率的電機采用變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能效果更加明顯。
二、高壓變頻器的原理和分類
(1) 高壓變頻器的原理
按照電機學的基本原理，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速滿足如下的表達式：
n=(1-s)60f/p=n0(1-s)
式中： s——電動機的滑差
f——電動機的運行頻率
P——電動機的極對數(shù)
n——電動機的實際轉(zhuǎn)速
n0——電動機的同步轉(zhuǎn)速
從式中看出，電動機的同步轉(zhuǎn)速n0正比于電機的運行頻率。由于電動機的滑差一般情況下比較小(0-0.05)，電動機的實際轉(zhuǎn)速約等于電動機的同步轉(zhuǎn)速，所以調(diào)節(jié)了電動機的供電頻率，就能改變電動機的實際轉(zhuǎn)速。這就是高壓變頻器的動作原理。
(2)高壓變頻器的電路結(jié)構(gòu)
高壓變頻器的技術(shù)多種多樣。但是，無論哪種產(chǎn)品在電路構(gòu)成上來說，都是一致的。高壓變頻器的電路都分為主電路和控制電路兩部分。如下圖所示：
① 主電路
主電路的主要構(gòu)成分為三部分：
a將工頻電源電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞯恼麟娐贰?/span>
b吸收整流電路和逆變電路產(chǎn)生的電壓或是電流脈動的濾波電路。
c將直流功率變換為交流功率的逆變電路。
?、?控制電路
控制電路的主要構(gòu)成分為五部分：
a用于電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等計算的運算電路。
b用于電壓、電流檢測的檢測電路。
c用于驅(qū)動功率器件的驅(qū)動電路。
d用于閉環(huán)檢測的速度檢測電路。
e用于各種保護的保護電路。
(3)高壓變頻器的分類
變頻器的分類分為很多種，但是大多數(shù)是從以下幾個技術(shù)方面來進行分類：
按照主回路區(qū)分
?、?交-交型
交-交結(jié)構(gòu)沒有直流回路，每相都由兩個相互反并聯(lián)的整流電路組成，正橋提供正向相電流，反橋提供負向相電流。裝置元件數(shù)量比較多、元件利用率比較低、調(diào)頻范圍窄，為電網(wǎng)頻率的1/3～1/2、電網(wǎng)功率因素利用率低。
② 交-直-交
交-直-交結(jié)構(gòu)先將電源交流電用整流電路轉(zhuǎn)變成直流電，再用逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為頻率可變的交流電。裝置元件數(shù)量比較少、元件利用率比較高、調(diào)頻范圍 寬、由于采用PWM(Pulse Width Modulation，即脈沖寬度調(diào)制)方式調(diào)壓，功率因素高、電網(wǎng)功率因素利用率高。 (4)按照儲能方式區(qū)分
?、?電流源
電流源型輸入采用可控整流，控制電流的大小。中間采用大電感，對電流進行平滑。逆變橋?qū)⒅绷麟娏鬓D(zhuǎn)換為頻率可變的交流電流，供給交流電機。由于采用了電抗 作為中間直流回路，所以，輸出動態(tài)阻抗大、對電壓波動的敏感性大、逆變器件容易損壞、要求晶閘管耐壓高，對關(guān)斷時間無嚴格要求。
?、?電壓源
電壓源型大多采用二極管 進行全波整流。中間采用大電容濾波，對電壓進行平滑。逆變橋既控制電壓輸出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波電壓的頻率。由于采用了電容作為中間 直流回路，所以，輸出動態(tài)阻抗小、對電壓波動的敏感性小、逆變器件不易損壞、對晶閘管耐壓低，關(guān)斷時間要求短。
(5)按照電平數(shù)區(qū)分
?、?兩電平
采用6只可關(guān)斷功率器件與箝位二極管構(gòu)成帶中性點的逆變電路。輸出和網(wǎng)側(cè)的諧波大；存在均壓問題。
② 三電平
采用12只可關(guān)斷功率器件與箝位二極管構(gòu)成帶中性點的逆變電路。輸出和網(wǎng)側(cè)的諧波較小；可以保證均衡利用功率和變轉(zhuǎn)矩負載條件的運行。
?、?多電平
有若干個低壓PWM變頻功率單元，以輸出電壓串聯(lián)方式實現(xiàn)直接高壓輸出的方法。輸出和網(wǎng)側(cè)的諧波很??；輸出波形接近正弦波。
三、HARSVERT-A高壓變頻器的優(yōu)勢
無論何種變頻器從其 結(jié)構(gòu)和實際的運行來看，都能起到一定的節(jié)能效果。但同時，從以上對變頻器的分析和特點看。采用交-直-交、電壓源型、多電平串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的變頻器無疑是最 理想的選擇。利德華福公司的HARSVERT-A正是基于交-直-交、電壓源型、多電平串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點而生產(chǎn)的一種優(yōu)質(zhì)高壓變頻器。
HARSVERT-A具有以下優(yōu)點：
①直接高壓輸入，高壓輸出、的特性。
?、谟捎诓捎肞WM技術(shù)實現(xiàn)變頻器的功率器件觸發(fā)，減少了主電路的損耗、提高了工作效率，很好的消除了輸出諧波。
③dv/dt和多電平消除了共模電壓，使得電機的振動和發(fā)熱得到了很好的控制。
?、芾谜髯儔浩鞲边吚@組的相移來消除6 m ±1次以下網(wǎng)側(cè)諧波，使輸入諧波在4%以下。
?、莘奖憧旖荨⑷诵曰娜形牟僮鹘缑?。
⑥完善的變頻器保護措施。
?、吡己?、快捷和優(yōu)質(zhì)的服務團隊。
四、案例剖析
2008年7.63米1#焦爐干熄焦除塵風機采用的北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器為例，從工藝、運行、節(jié)能原理以及節(jié)能效果進行詳細的分析介紹。
(1)工藝介紹
現(xiàn)在的焦爐煉焦過 程，把焦炭從幾百度的高溫冷卻到常溫的過程。越來越多的應用的是干熄焦工藝。干熄焦相比于常規(guī)的用水冷卻，不僅焦炭的品質(zhì)優(yōu)良。而且也更加的環(huán)保。干熄焦 的過程時，從焦爐里出來的焦炭通過提升機，提升到一定的高度；焦罐開口，把焦炭傾倒到干熄焦的焦罐內(nèi)，封口后；然后用高壓的氮氣使焦炭冷卻。當焦罐內(nèi)的焦 炭冷卻完成后，倒出。完成整個冷卻過程。
每次干熄焦冷卻完成出爐時間約4分鐘，為高速段，定為45Hz,可以調(diào)節(jié)；干熄焦在爐內(nèi)冷卻時間約6分鐘，為低速段，定為37Hz,可以調(diào)節(jié)。
(2)變頻調(diào)節(jié)與其他調(diào)節(jié)的比較
在滿足工藝需求的情況下，調(diào)節(jié)風量的方法有很多種。常用的是：擋板調(diào)節(jié)、變頻調(diào)節(jié)、液力耦合調(diào)節(jié)等幾種方式。
① 液力耦合器調(diào)節(jié)
在實際的應用中，液力耦合器由于存在以下的局限性。所以，很難被用戶接受：
a液力耦合器需經(jīng)常更換軸承，造成轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)，不能滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要。
b電動機的效率低，損耗大，尤其低速運行時，效率極低。
c 調(diào)節(jié)精度低、線性度差，響應慢。
d 啟動電流仍比較大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定。
e 液力耦合器故障時，無法切換至工頻旁路運行，必須停機檢修。
f 漏油嚴重，對環(huán)境污染大，地面被油污蝕嚴重。
g 調(diào)速范圍窄，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。
?、?擋板調(diào)節(jié)
擋板調(diào)節(jié)雖然能夠滿足工藝需求。但是還是存在很多的弊端：
a調(diào)節(jié)精度低、響應慢。
b電能的損耗相當巨大。
c維護量大，機械故障高。
?、?變頻調(diào)節(jié)
在實際的應用中變頻調(diào)節(jié)，不僅能夠滿足工藝的需求，而且對工藝的提升、節(jié)能量以及維護成本還有重要的意義：
a 變頻器運行穩(wěn)定、可靠。
b 在運行中出現(xiàn)故障，可自動切換工頻。
c 調(diào)速范圍大、效率高。
d 調(diào)速響應快、精度高。
e 減少了對電網(wǎng)的沖擊，延長電機的壽命。
f 節(jié)能效果明顯。
下圖是各種調(diào)節(jié)方式在實際的應用中節(jié)能對比：
(3) 理論節(jié)能分析
根據(jù)一般風機的負載工作特性，可以得出下面的負載曲線圖：
由此，我們可以做一個假設：即在風道的管網(wǎng)特性保證不變的情況下。由流體力學原理可以得出以下結(jié)論：
輸出流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比：Q1/Q2=n1/n2 ……(1)
輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2成正比:H1/H2=(n1/n2)2 ……(2)
輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3成正比:P1/P2=(n1/n2)3 ……(3)
即當輸出軸的轉(zhuǎn)速下降時，輸出軸的功率會以速度的立方量下降。就是說，通過調(diào)速方式改變風機風量。譬如：當輸出軸的轉(zhuǎn)速下降20%時，輸出軸的功率下降49%。這也是為什么變頻調(diào)速在風機應用上節(jié)能十分顯著的原因。
使用變頻技術(shù)不僅在 實際的運行中起到節(jié)能作用。同時，對于電機的啟動也有相當重要的意義。首先，如果直接使用工頻啟動電機，啟動電機的瞬時電流會是電機額定電流的2-7倍， 對電機的機械沖擊非常的大，大大降低電機的使用壽命。而且工業(yè)中除塵風機由于對風量的需求高，一般都是采用高壓電機，這樣對電機的損耗就明顯了。與此同 時，啟動的瞬間由于電流的陡增，對電網(wǎng)的沖擊也很大。甚至可能把用戶的電網(wǎng)頂?shù)?，造成用戶網(wǎng)側(cè)失電給用戶造成無法估計的損失。通過實際計算，僅是在每次啟 動時變頻啟動就可以比工頻直接啟動節(jié)約十分之一的電能損耗。
(4) 運行情況及實際節(jié)能分析
首鋼京唐鋼鐵 7.63米1#焦爐干熄焦除塵風機電機參數(shù)：額定功率630kW，額定電壓6000V，額定電流76.4A，功率因數(shù)0.85，額定轉(zhuǎn)速 995r/min。電機在工頻運行時的電流是52A左右，低速時的輸入電流在21A，轉(zhuǎn)速為740r/min，電壓為4.4kV；高速時的輸入電流為 35A，轉(zhuǎn)速為895r/min，電壓為5.4kV。我們每年按8500小時計算
負載在工頻狀態(tài)下，耗電量：
1.732×Ue×I×COSΦ
由公式我們可以得出工頻時每小時的耗電量是：459.326kW·h。年耗電量為：3904271 kW
使用變頻后在低速段的每小時耗電量為：197.127kW·h。年耗電量為：1005348kW
使用變頻后在高速段的每小時耗電量為：347.844kW·h。年耗電量為：1182670kW
節(jié)電比例為:(3904271-1182670-1005348)/3904271=44%
五、結(jié)論
通過對首鋼京唐鋼鐵 焦爐干熄焦除塵風機的實際應用和技術(shù)分析，可以看出應用高壓變頻調(diào)速技術(shù)不僅可以有效改善現(xiàn)場生產(chǎn)狀況，減少電機的損耗和不必要的大量維護工作。更重要的 是能節(jié)約大量的電能，給企業(yè)帶來額外的經(jīng)濟效益，給企業(yè)一個良性健康的生產(chǎn)循環(huán)。達到國家對冶金行業(yè)良性循環(huán)的要求。
