IGBT高压变频器在高炉水冲渣系统的应用

1 概述

高炉冶炼中产生大量的熔渣，通常是用大流量的中压水将其降温并冲散，同时输送到水渣池回收，作为炼铁的副产品.高炉生产是不间断

的，一般情况下每天出铁15次，出铁前、后各放一次渣，两次出渣时间共约30 min.在此时间内要求水冲渣系统的水泵满负荷工作，其余时间

水泵只需保持约30% 水流量防止管道堵塞即可。

广东省韶关钢铁集团有限公司(以下简称韶钢)炼铁厂4#高炉使用ZGB一300型冲渣泵，有关数据如表1.

原系统运行时，起动前管道进出水阀门关闭，起动后阀门开度约90%，机组全速运行，电网电压6300V，电机运行电流33A，功率因素81.6

%，耗电功率294kW.原来曾试用在不需冲渣时，调节阀门至30%来调节水流量(此时电机电流25A)，但一方面节能效果不明显，另一方面频

繁操作阀门，致使其使用寿命大大降低，增加了停产更换阀门的时间，得不偿失.最终只好让机组长期满负荷高速运行，造成极大的能源浪费

.因此很有必要对此系统进行节能改造.

2 方案选择

从机泵工作特性曲线可得出其流量与转速成正比、轴功率与转速的3次方成正比，即 .根据这一原理采用变频调速技术.对目前各种高压

变频器进行分析后认为：高一低一高的变频器虽然可靠性较高，但需配置输入、输出变压器，必须增设厂房，施工周期长，设备较庞大、投资

费用较高，而且效率较低、谐波含量大，严重影响电机使用寿命.拟应用直接高压变频器，但进口设备费用较高，而且设备体积也不小，不是

首选，故目光投向国产.国产直接高压变频器比较见表2.

结合上表，通过对国内多家公司的技术经济指标比较和考察，从技术可靠、减少投资、体积最小、安装简便、维护容易等方面考虑，选择

了成都佳灵电气有限公司生产的GY一6kV/400kW型IGBT串联直接高压变频器.

3 技术原理与特点

3.1 主电路简介

如图1所示，图中系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过逆变器进

行逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。

功率器件是采用变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变、输出效率

达98% 的高压调速系统。

考虑到工艺对调速精度要求不是很高，本系统只采用开环控制并在高炉值班室通过开关量信号操作.此信号接人变频器数字控制信号输入

端，需冲渣时给调节系统一个“l”的信号，电机高速运行，不需冲渣时将此信号取消，电机低速运行.输出频率的控制与调节由变频器本身自

备的调节面板根据现场实际需要任意整定。

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3.2 变频器的主要特点

(1)使用了IGBT串联直接高压二电平方式，利用该公司自行研制的1/3象限压拉动态均压、钳压技术攻克了当今世界IGBT串联使用时开关

微秒级同步的难题。

(2)正因为采用了高性能的HV—IGBT模块，整个设备的体积非常小，跟国内外其它同规格的变频器比较其体积减少2/3～1/2。

(3)因设置了直流平波电抗器、功率因素提升电抗器、输出滤波器，优化了PWM 波形，具有谐波含量和直流波纹系数较低，功率因素较高

，输出电压波形近似正弦波等优点。

(4)根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部.有效地解决了共模电压(也叫零序电压)问题，

降低了电动机定子绕组的中心点和地之问的电压，从而不需任何绝缘措施可直接使用原有的普通鼠笼式电机。

(5)投资少，其费用比同规格的进口设备降低1/3以上。

4 实施过程及使用效果

4.1 安装调试

变频器的安装、调试从2001年11月开始，系统调试按如下步骤进行：

各控制单元单独上电(正常→整机控制系统上电(正常))→主电路上电(24h正常)→带电机运行(先25Hz运行8h再50Hz运行48h正常)

→带水泵负荷运行(针对带载试机过程中出现的问题进行改进)。

在调试过程中对设备出现的如下问题进行了改进：

(1)输出电抗器温度过高.在带载试机过程中用红外线测温仪测得在室温25℃ 时电抗器绕组表面温度达110℃.经与厂家工程技术人员研

究分析，认为其原因是原设计三相差模同心电抗器散热效果不好.于是改用三相差模独立分体电抗器，达到了室温40℃时电抗器绕组表面最高

温度≤90℃ 的目的。

(2)滤波电容器膨胀爆炸.原因是原选用成都某电器厂生产的电容器制造质量有缺陷，后改用西安电气厂同规格产品，未再出现故障。

(3)IGBT串联模块驱动电源传导线放电.原因是原选用耐压30kV的传导线耐压等级不够.改用耐压40kV的传导线后此问题得以解决。

4.2 使用效果

变频器于2002年4月投入运行，运行情况一直良好.机组可在管道阀门全开状态下起动，冲渣时运行频率49.5HZ、测试变频器输入端电流

28A、电压6300V、功率因数0.80、耗电功率244kW;不冲渣时运行频率25HZ、测试变频器输入端电流l0A、电压6300V、功率因数0.82、耗电功

率90kW.技术性能指标.使用变频器前后电动机运行参数及耗电量分别见表3.

4.3 经济效益分析