基于矢量控制的完美無諧波高壓變頻器應(yīng)用研究_圖文

1、臺(tái)金自動(dòng)化年基于矢量控制的完美無諧波高壓變頻器應(yīng)用研究孫凱，劉惠康，唐興隆，謝丹雄（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢）摘要：以武漢鋼鐵集團(tuán)公司煉鐵廠高爐除塵風(fēng)機(jī)的改造項(xiàng)目為背景，提出一種完美無諧波的高壓變頻方案并結(jié)合矢量控制技術(shù)。論述這種控制方案的優(yōu)點(diǎn)和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：高壓；諧波；矢量控制引言其中在滿足工藝要求的情況下盡量減小軸功率是鋼鐵生產(chǎn)過程中，煉鐵是核心環(huán)節(jié)，煉鐵廠各降低能耗的重點(diǎn)。種設(shè)備繁多，能耗密集且生產(chǎn)規(guī)模很大，但同時(shí)帶如圖所示為離心風(fēng)機(jī)風(fēng)壓日和風(fēng)量的曲來的一個(gè)問題是煙塵排量大，污染程度高，所以各線特性圖。圖中，、分別為風(fēng)機(jī)的速度特性曲種高爐都配有大功率除塵風(fēng)機(jī)以改

2、善這種惡劣環(huán)線和管網(wǎng)特性曲線，和為風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)?？删?。然而大功率的高壓除塵風(fēng)機(jī)其能量消耗是相做如下分析：在不調(diào)速的情況下，從大流量，調(diào)當(dāng)驚人的，在我國能源環(huán)境非常嚴(yán)峻的今天，節(jié)能到小流量：只能改變管網(wǎng)特性，這樣速度沒變，減排成了必須的措施。傳統(tǒng)的除塵風(fēng)機(jī)采用三相功率消耗就沒有節(jié)??；如果我們把速度降到：，把交流恒頻率供電，電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速無法改變，通過工作點(diǎn)定在點(diǎn)，則在滿足風(fēng)量的同時(shí)降低了速調(diào)整擋板開度、利用液力耦合器和其它機(jī)械方式度，從而減小了軸功率。調(diào)速，能量損失很大且調(diào)速范圍和總體性能并不日理想。利用普通變頻器調(diào)速又面臨高壓和嚴(yán)重諧波干擾的問題，本文以武漢鋼鐵集團(tuán)公司高爐除塵風(fēng)機(jī)的改造項(xiàng)目為

3、背景，介紹一種基于矢量控制的完美無諧波高壓變頻方案，以達(dá)到高性能調(diào)毫日速和節(jié)能環(huán)保的目的。里日：高壓風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速原理及方案皿風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)風(fēng)機(jī)一般采用異步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下，可見調(diào)速的關(guān)鍵就在于頻率的控制：凡：型墜巫（）高壓式中，為轉(zhuǎn)速為步頻；為轉(zhuǎn)差率；為磁極對(duì)對(duì)于高壓風(fēng)機(jī)來說使用普通變頻器是有困難數(shù)。的，特別是對(duì)于本文的項(xiàng)目背景中涉及的高另外，我們這里先給出與風(fēng)機(jī)耗能相關(guān)的幾壓風(fēng)機(jī)，需要多個(gè)功率器件串聯(lián)才能提供如此高個(gè)參數(shù)和公式，以便于后面的分析：的電壓，這在實(shí)踐中有很大困難，特別是串聯(lián)器件塞筆：一：籠（薏）鞏一：一是（老）：（）的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓問題很難解決。對(duì)此采用

4、功率單元串聯(lián)式的多電平電壓源型高壓變頻系統(tǒng)來處式中，、日、分別為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、軸功率。理。收稿日期：作者簡介：孫凱（一），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂?、新型電氣傳?dòng)技術(shù)。冶金自動(dòng)化年功率單元串聯(lián)式多電平方案是將輸入高壓交流電經(jīng)過隔離變壓器變換成為一系列的低壓電，再經(jīng)過低壓逆變，最后在逆變側(cè)串聯(lián)疊加成為需要的高壓交流電輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)所需電壓大小來確定串聯(lián)的單元數(shù)，不過考慮到控制算法的復(fù)雜程度，串聯(lián)單元數(shù)一般不超過個(gè)。在本文中討論高壓風(fēng)機(jī)的控制，準(zhǔn)備采，用個(gè)功率單元串聯(lián)的模式，并且每個(gè)功率單元采用矢量控制方式，以進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)性能。功率單元串聯(lián)式高壓變頻的主電

5、路結(jié)構(gòu)圖如圖所示?？梢园言撔妥冾l方案的特點(diǎn)歸結(jié)如下：移相變壓器（）一體化設(shè)計(jì)，體積相對(duì)較小，安裝調(diào)試簡單。（）無須更改原有電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)工頻切換。（）不需另加變壓器、電抗器、濾波器、補(bǔ)償電容器等其它裝置。（）諧波污染極小，對(duì)周圍設(shè)備無電磁干擾。（）高功率因素、高效率，功率因素可達(dá)到。（）各類保護(hù)完善，操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，某一組出現(xiàn)故障，可自動(dòng)旁路，不會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備圖變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖整體的工作。單組電路和旁路系統(tǒng)如圖所示。圖單組電路和旁路系統(tǒng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的諧波分析與節(jié)能計(jì)算風(fēng)機(jī)運(yùn)行的諧波分析電氣設(shè)備和電網(wǎng)質(zhì)量的影響不可忽略。對(duì)于本項(xiàng)目中的除塵風(fēng)機(jī)，其影響更是巨大的。變頻器能夠讓交流電機(jī)變速運(yùn)行，使得

6、交流電機(jī)有了更廣泛的用途，目前高性能變頻器已經(jīng)可以讓交流電機(jī)的調(diào)速及帶載能力與直流電機(jī)相媲美。但變頻器是電力電子設(shè)備，工業(yè)生產(chǎn)中變?yōu)榱擞行У囊种浦C波，我們對(duì)電壓輸人采用多重化技術(shù)，通過將低壓各繞組移相，以達(dá)到移相多重化的目的。這里將輸入電壓分成個(gè)相位組，則可形成脈波的整流結(jié)構(gòu)，各脈波之間互差的電角度，這樣最低次的輸入諧波也就是頻器的廣泛使用也帶來嚴(yán)重的諧波污染問題，對(duì)冶金自動(dòng)化年次了。輸入電流很接近于正弦波，諧波電流失真表高爐除塵風(fēng)機(jī)電機(jī)（型號(hào)彤如）的銘牌參數(shù)項(xiàng)目額定功率額定電壓額定電流額定轉(zhuǎn)速“，砭參數(shù)率一般在以內(nèi)。當(dāng)采用控制時(shí)，變頻器的輸出諧波分析是比較復(fù)雜的，單相橋式逆變電路在雙極性調(diào)制

7、方式下，其輸出諧波的角頻率為刪。±如，（）目前全壓工作電流年工作時(shí)間式中，時(shí)，后，；，時(shí)，；。為載波的角頻率；，為調(diào)制波的角頻率。當(dāng)采用功率單元串聯(lián)式多電平多重化技術(shù)時(shí)，各個(gè)功率單元在同時(shí)進(jìn)行控制，當(dāng)娜疵¨一一叭一電機(jī)低速運(yùn)行，工作電流可降為，功率因數(shù)可達(dá)。以工業(yè)用電每度角計(jì)算，可得如下計(jì)算結(jié)果（形表示一年節(jié)約的電能，表示節(jié)約的電費(fèi)）：有個(gè)單元疊加時(shí)，相電壓的表達(dá)式為，一，。絲÷亨（叢互）螻竺衛(wèi)仉。±衛(wèi)配，形肋扎妒（歹×××一，××）×××形××，

8、7;±，“（，砌。砌，）然數(shù)；，為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（）式中，肘為調(diào)制深度；。為相電壓；及均為自這樣在個(gè)功率單元疊加時(shí)，在相電壓中可元萬元可見使用高壓變頻器后，僅電費(fèi)一項(xiàng)一年就可節(jié)約多萬元，這樣只需不到兩年項(xiàng)目改造的成本就可以收回，經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。以得到（）個(gè)臺(tái)階的階梯波輸出，最低次諧波為州一次，為所有功率單元的載波比。其宏觀效果與完美的正弦波相當(dāng)接近。除塵工藝要求與節(jié)能計(jì)算以武鋼煉鐵廠一號(hào)高爐為例，高爐有東、西兩高壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行的矢量控制交流電機(jī)的高性能調(diào)速，追求的目標(biāo)是達(dá)到與直流電機(jī)一樣的平滑無級(jí)和零速帶載能力。普通穢模式下，交流電機(jī)的變頻調(diào)速有很大的局限性，機(jī)械特性和帶載能力都不太理

9、想，所以高性能的變頻調(diào)速應(yīng)采取矢量控制方式。本文中，不準(zhǔn)備個(gè)出鐵口，平均每爐鐵需。但風(fēng)機(jī)并不需要連續(xù)運(yùn)行，一個(gè)出鐵周期中出鐵時(shí)間平均為，間歇期為。如果在間歇時(shí)間里能使電機(jī)低速運(yùn)行，將能節(jié)約大量的電能。現(xiàn)場設(shè)備的具體數(shù)據(jù)如表所示。使用變頻器控制后，在出鐵口出鐵期，電機(jī)全壓高速運(yùn)行，工作電流為；在出鐵口間歇期，強(qiáng)調(diào)矢量控制的具體推導(dǎo)，只就其具體應(yīng)用做出說明。本工程中的控制方式采用的是無速度傳感器矢量控制，因?yàn)槌龎m的工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，光電碼盤很難發(fā)揮作用。系統(tǒng)的控制框圖如圖所示。圖無速度傳感器的矢量控制框圖一電機(jī)給定轉(zhuǎn)速；砂一轉(zhuǎn)子總磁鏈給定值；？一給定轉(zhuǎn)角差速度；？一計(jì)算中間值；晡一電流轉(zhuǎn)矩分量給定值臺(tái)金自動(dòng)化年在這種控制模式下可以很好的提高風(fēng)機(jī)低速時(shí)的效率和機(jī)械特性。參考文獻(xiàn)：張皓，續(xù)明進(jìn)，楊梅高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，姚嵐，劉文忠高壓變頻裝置在送吸風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用及注意事項(xiàng)河北電力技術(shù)，（）：陳道煉逆變技術(shù)及其應(yīng)用北京：機(jī)械工業(yè)出版社，編輯：徐慰珠結(jié)語利用高壓變頻器控制高壓風(fēng)機(jī)，避免