高压变频器在冶金行业的应用研究

杜芳

山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南，250101

0 引言

近年来，我国经济的迅猛发展使工业企业的数量显著增加，进一步加大了对各类能源的消耗力度，造成了我国能源紧张的局面，因此需要提高能源的利用率。有关专家估计，当前我国有65%以上的发电量损耗在电动机中，其中高压电动机占到了电动机总装机容量的50%。而在当前我国的冶金行业中，高压电动机搭载的是泵类以及相应的压缩机，绝大多数的设备适合调速，这就造成了大量能源的浪费。由此可以看出，将高压变频调速技术应用在冶金行业中，可以显著减少对能源的消耗力度，同时还能保证冶金行业中供电设备的质量，最大化地满足相应的生产需求，减少对成本的浪费。

与此同时，通过将高压变频器应用在冶金的生产过程中，可以实现对各类设备的管理和控制，减少金属的损耗。但是在实际安装高压变频器时，经常会出现一些严重影响生产效率的问题。本文对当前高压变频器的应用进行了分析，为今后高压变频器的使用与设计提供了有力的依据。

1 高压变频器设计基础

高压变频器是通过对输出频率和输出电压的改变来控制交流高压电动机转速的调速控制装置，它是由主回路、电源回路、智能功率模块驱动、保护电路和冷却电机等几部分组成。在实际的应用中，可以将其分为两种，一种是双极型，另一种为单极型。双极型的主要特点在于，它具有两个谐振频率的谐振，并且在工作时，两谐振之间会产生一个较大的磁场来相互抵消，从而使两谐波的振幅相等。而单极型的特征则比较明显，其最大的优点就是能够实现无级调速，同时也不会对电网造成过大的影响。

1.1 高压变频器的基本原理

高压变频调速器的工作原理是通过控制开关的通断，使电动机的转速能够随着输入的电压变化而改变，从而达到调节电机的目的；同时，还可以利用电力电子技术的发展来实现对电能的有效输出。在实际的生产中，高压变频调速系统的主要作用是将电网的频率进行变换，进而得到不同的电信号，然后再经过一系列的环节后，就会形成一个电流脉冲，这个脉冲就是所需要的电信号。在这种情况下，为了获得比较稳定的直流电源，就必须使用高压的交流调速装置。在高压直流斩波的过程中，由于交流电源的功率比较大，所以其对电源的要求也相对较高，因此其一般都采用三相供电的方式来完成。当给负载接通的时候，因为有两个电气设备，其中一条是作为整流的电路，另外两条则当作逆变电路，这样一来，就会使得一相直流逆变为三相交流，也就解决了高频的问题[1]。

1.2 谐波平衡法

谐波平衡法的原理是在高压变频器中使用了一个谐振来调节电压的频率和相位，从而实现了对电能的有效利用。在实际的应用过程中，由于高压变频调速器的工作状态会受到非线性的影响而产生一定的波动性，因此为了能够使这种特性得到更好的改善，需要采用一种方法来进行解决。目前，对于冶金行业中谐波平衡法的研究主要集中在对变压器的设计、制造以及运行等方面。但是因为高压调压调速的参数比较复杂，所以也会出现一些问题。比如说，当负载变化时，有可能导致电网的损耗增大，这就使得供电设备的效率降低，并且还会造成能源的浪费；其次，当电流的大小发生改变时，也会使电路的稳定性下降，这将会增加故障的发生率；最后，如果功率的值发生变化，就有可能引起共振，这样不仅会破坏电气的安全性能，而且还将损耗电器的寿命甚至是毁坏电器。

1.3 变压器模型

变压器模型主要包括了绕组匝数和绕线数，其中变压器的绕组匝数为45/铁芯截面积×220，而变压器的绕线数与绕组匝数成正比。其特点是，在工作的过程中会产生大量的热损耗，并且还会出现发热的现象；同时，由于铁芯的绝缘层比较薄，所以在使用的时候会受到温度的影响；另外，铁芯的绝缘层也存在着一定的热阻，使得铁心绝缘层的散热能力非常差，这样就导致了其内部的热量无法得到有效的释放；除此之外，当线圈的外边接地时，也会造成电流的泄漏等[2]。

2 高压变频器在冶金行业中的应用分析

2.1 高压变频器在冶金行业中的应用现状

高压电机是目前电气行业的一个主要产品，它可以将电能转化为机械能，从而实现对能量的转换与储存，并且能够有效地提高系统的稳定性和可靠性。但是从目前的情况来看，在冶金企业中，高压变频器的使用也非常广泛，其主要是用于冶金生产的过程中。比如，在炼铁或者是炼钢的工作当中，高压变频器用来对冶金设备进行控制和保护，可以有效防止金属的损耗以及腐蚀，从而保证整个系统的安全运行。

从图1中可以看出，2019年我国高压变频器在冶金行业中的应用范围最广、需求量最大，随后是在石化行业、电力行业以及采矿行业中，而在一些政府设施中也会用到高压变频器，从而进一步解决了高压的问题。

图1 2019年中国高压变频器行业下游市场需求结构分布情况

2.2 高压变频器应用中存在的问题与原因

（1）变频器的安装位置不合适。由于我国的高压变频器厂家很多，在安装过程中，不能确保每个厂家都能很好地把握住安装时实际的情况与需求，有可能在安装时发生安装方向错误，造成一定的安全隐患。在一些振动较大的场合，如果未采取有效的避震安装措施，振动就会造成变频器的机械损伤，或者由于安装空间略小，导致散热条件差，则日光直射变频器时无法正常散热，严重影响电子器件的使用寿命。

（2）变频器的工作原理与结构设计不合理。因为高压开关的作用力是通过机械的方式来实现的，但是它的功能是依靠电气的形式来完成的，因此它的体积比较大，而且还需要对其进行合理的调整和控制，否则会使得高压开关的使用寿命受到影响，同时也会使其稳定性降低，对电网的电压产生不利的影响；另外，如果电路板的布局和形状都不适合，那么就有可能会发生故障，从而使整个系统的安全性得不到保障。

（3）变压器的选择不当，容易引起火灾。当电力的负荷较大时，为了保证供电的可靠性以及电能的质量不被破坏，通常都是选用高容量的设备来满足要求。但这样一来，一旦出现问题，就很难避免事故的发生。

（4）干扰源引起控制回路误动作。当变频器周边的干扰源通过辐射等方式侵入变频器内部时，有可能会引起控制回路误动作，对变频器造成一定的损坏。

3 高压变频器在冶金行业中的应用方案设计

3.1 高压变频器的应用要求

根据相关数据显示，高压变频器的发展趋势是向智能化、小型化、模块化方向靠拢，这就要求研发过程中要充分考虑到实际需求，结合现有技术，开发出具有高精度和高性能的产品。在生产制造方面，要尽可能提高其工作效率，降低成本，减少能源消耗，实现节能减排；在系统设计时，应尽量采用标准件，以保证其可靠性，并能满足不同环境下的性能要求。目前，国内大多数高压电器的厂家都已经使用了PLC,但由于我国的低压变频器市场还不是很成熟，因此国产PLC的数量还很少，且价格比较昂贵，所以还是有很多企业不愿意购买，这就导致了供货商的压力较大，但用户的满意度却不高，则也造成了供货商的不满意。而国外的一些公司，如奥地利的STASTO,他们已经着手于对PID控制的研究和应用，并且取得了一定的成果和进展。

3.2 高压变频器整体架构

从整体上看，高压变频器主要分为两个部分，一个是主控室，另一个是辅助室。主控室负责对中高压变频器进行控制，而辅助室则对中高压变频泵的启动与运行提供支持[3]。

（1）主控室在室内设置了温度测量、压力检测、液位监测等设备，为工作的正常进行和安全运作奠定基础。同时还设有监控系统，为操作人员的人身安全保驾护航。

（2）在辅助室外，还设计了液位显示和故障报警装置，如图2所示，方便工作人员的及时处理。该仪器的使用可以实现无人值守，也可用于远程操控。当出现异常情况时，可立即发出声光警报，提醒相关维修人员。该仪表的安装高度较高，能有效地保护电路，避免发生短路的现象；并且体积较小、便于携带，具有较强的安全性，同时其内部结构较为简单、易于维护。因此该仪器的应用范围较大，在实际的生产过程中有很多的应用价值。

图2 高低液位声光报警图

液位探测器主要的工作原理是当水位处于超低和低位时，并不会产生报警信号；而当水位处于高位和超高位时，形成了闭合回路，进而产生一定的报警信号，并向工作人员传达液位的信号，使得工作人员能够及时准确地接收到液位信号，并立即开启水泵，进一步关闭水泵的开关，而开启相应的电磁阀来抽水。其中，高低液压声光报警装置一般安装在值班室的消控中心。

3.3 变频器硬件平台

综合考虑各种因素，目前高压变频器的硬件平台主要包括：主控电路、控制装置、驱动系统、检测装置以及冷却设备。主控电路是整个高压变频器的核心部分，它决定了高压变频器的工作频率，同时也影响到了控制系统的性能和可靠性。在实际的生产过程中，需要对其进行实时的监控与维护，因此在设计时，要对主控芯片的选择与配置做出详细的说明；另外，还需对其内部CPU模块的选型做出分析，以确保其具有较高的稳定性；此外，还应根据不同场合的要求，选用合适的软件程序来实现。由于PLC的功能强大，所以它的硬件平台也可以满足一般的应用需求，但随着技术的不断发展，PID参数的算法越来越复杂，这就导致PLC的开发难度大大增加[4]。所以为了使PLC的应用更加方便，有必要针对性地提出一些改进措施。

3.4 抗干扰措施

对于干扰的处理是控制设备性能的重要环节，对干扰的抑制是指对系统的影响主要来自外部环境和内部因素的变化，而在干扰的预防方面，则要从源头抓起，从源头上减少干扰的产生和消除干扰。第一，加强现场的管理。在铸造行业中，要想提高生产效率，就要保证产品的质量问题，因此必须严格把关，确保原材料的供应充足，并做好相应的防控措施。同时还要注意防止因工艺落后造成的人为失误，如操作人员的粗心大意或因个人的粗心而导致的技术错误等。另外还应建立完善的规章制度，并定期检查，以避免出现差错。第二，选择合适的抗干扰方法。首先，针对不同的情况应采取合理的应对方式，例如采用低噪声的电磁屏蔽、高频率的电源供电、使用低功率的电机等。其次，根据具体的工作条件，选用适合的抗干扰材料来降低噪声。

4 高压变频器应用前景分析

当前我国逐渐加大了对单元串联式多电平高压变频调速技术的研究力度，进一步缩短了我国高压变频技术与世界中高压变频技术的水平差距。而近年来随着我国工业化的迅猛发展，加大了对高压变频器的使用范围，进一步解决了高压变频器在实际应用中的一系列问题，并且高压变频器已经在大多数工厂中得到了应用。简单来说，在冶金行业中使用高压变频器可以满足实际生产过程中的各项要求，减少了对一些设备故障的维修费用，显著地提高了冶金生产过程的工作效率，同时也提高了冶金行业的经济效益。

5 结语

对于冶金企业来说，在进行电气设备的使用过程中，可以利用高压变频器来完成对整个系统的调速和控制，从而保证电机工作的安全性和可靠性。在实际的操作中，高压变频器的应用效果非常明显，能够有效地提升冶金生产的效率以及质量，降低能源的消耗量，实现节能减排的目标。此外，高压变频调速技术的应用还体现在对机械运行状态的监控上，通过实时的监测与反馈，为相关的工作人员提供准确的数据信息，进而提高了检修的速度与准确性。