0 引言

隨著我國經濟的快速發展，國內能源消耗量逐年增大，但是，在我國一方面能源供不應求，另一方面能源浪費還比較嚴重，如何高效利用能源已經被國家擺在重要的戰略位置。據業內專業人士估計，中國發電總量的60%以上消耗在電動機上。而中國目前電動機總裝機容量已超過4億kW，高壓電機約占一半，高壓電動機中近70%拖動的負載是風機、泵類、壓縮機，其中一半適合調速，即有約7 500 萬kW的高壓電機處在浪費能源的運行狀態。從目前高壓變頻器的一般使用情況來看，平均節電率可達30%，在技術改造項目中，高壓變頻器的投入和使用，其節能效果是顯而易見的。在新建項目中，高壓變頻器在風機、水泵類的應用也已經深入到鋼鐵、石油、化工各個行業，節能效果已經為大家所共識。

1 風光高壓變頻器的技術特點

山東新風光電子科技發展有限公司研制生產變頻器已有十幾年的歷史，高壓變頻器技術已經相當成熟，并在各行各業中得到了廣泛的應用。風光高壓變頻器以西門子新型IGBT作為主功率器件，采用高性能數字信號處理器DSP進行控制，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。彩色液晶觸摸屏實時監控系統運行狀態，以高可靠性、易操作、高性能作為設計目標的風光高壓變頻調速器在激烈的市場競爭中得到用戶的認可。

風光高壓變頻調速系統采用功率單元串聯的結構方式，可靠性高。功率單元采用標準模塊化設計，安裝維護簡單方便。并且每個單元都有旁路功能，當某個單元出現故障時，控制電路控制晶閘管將故障單元的輸出短接，這樣變頻器仍能正常運行。單元主電路如圖1所示。

它的輸入側采用干式移相變壓器，可以實現36脈沖的整流方式，完全滿足國家對電網諧波的最嚴格的要求。在帶負載時，電網側功率因數可達到0.95以上。在輸出側采用載波移相技術可以得到良好的正弦輸出波形(見圖2)，輸出dv/dt小，對電機及電纜的絕緣沒有任何損害。利用三次諧波補償技術提高了電源電壓利用率，滿足了異步電機對調速性能的需要。控制系統與功率單元采用光纖通信技術，有效解決了電磁干擾問題，并且實現了高壓部分與控制系統之間的隔離，提高了整機的安全性和可靠性。

另外控制系統有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，市電經過UPS 輸出一穩定的交流電，然后通過整流、濾波、穩壓得到一個穩定的直流電壓，由一個高頻振蕩器得到幅度穩定的高頻電源，再由一系列高頻變壓器及相應的整流、濾波送到各單元的控制及驅動電路(見圖3)。實際上是開關電源技術的另類應用。控制系統電源獨立，通過高頻變壓器給各單元控制電路、驅動電路供電，容易實現高低壓電路之間及驅動電路之間的隔離。而且可以在不加高壓電、不加載的情況下，對整機進行調試，此時各點波形與主電路加電、加載時完全一樣，只是輸出電壓幅度小。這對設備調試、檢修和操作人員的培訓十分方便。

變頻器的用戶操作監控系統界面十分友好和完善，采用彩色液晶觸摸屏進行監控。可對變頻器進行全部操作，包括參數設定、功能設定、運行操作、運行數據打印、故障查詢等。主界面如圖4所示。

2 風光高壓變頻器應用實例

我公司的高壓變頻器在鋼鐵、冶金、石化行業中應用已相當廣泛，如在通鋼、包鋼、阿鋼、萊鋼、濟鋼、鞍鋼、冶鋼、遼河油田、勝利油田、大慶油田、齊魯石化、巨化集團等大型企業中已得到廣泛應用，下面介紹幾個典型應用。

2.1 遼河油田6 kV/1 800 kW 注水泵的變頻改造(石油行業泵)

遼河新三聯注水站投運一臺型號為DFJ200-170AX11 的注水泵，匹配電機型號為YB1800S2-2的6 kV/1 800 kW異步電動機，采用直接驅動方式控制，離心泵流量是通過控制出口閥門的開度進行調節，造成大量節流損失,離心泵及電動機運行在低效率工作區，能源浪費比較嚴重。夏秋季節注水量相應降低，運行中離心泵實際泵壓為16.5 MPa ，注水管網實際運行壓力為12.5 MPa，由于多泵注水實施并網運行，當注水管網壓力升高到目前注水管網實際注水壓力以上時，將造成高壓注水量減少，無法滿足油井注水需求，同時污水量大于注水量將造成污水外排。為此注水電機運行時必須靠調節離心泵出口高壓回流閥門來控制注水管網壓力，以維持聯網注水平衡。這樣就使泵壓與管網干壓平均壓差達到4 MPa以上，造成了大量的電能浪費。

廠家經過綜合調研和考慮，選用了山東新風光電子公司JD-BP37-1800F型號的高壓變頻器，通過應用，該變頻器可靠性高，設計合理，變頻器對電機具有軟啟動功能，啟動時無沖擊電流，減少了對電網的污染;安裝、維護和保養都比較方便，降低了值班人員的工作強度;降耗效果明顯。現場的系統構成如圖5所示。

本系統中，一方面在泵出口管線上安裝一只高

可靠性壓力傳感器，將實測的壓力信號與系統的配注壓力(期望值)相比，并將其差值送往過程參數調節器(PID)進行比例和積分運算，最后將輸出結果送給可編程控制器(PLC);另一方面在泵入口管線上安裝一只流量計，用于監測系統實際總流量，將該值與系統配注量的差值再進行一次PID整定，最后將輸出結果送給PLC 。PLC根據所接收的兩個PID整定信號，利用模糊推理的方法，在滿足系統干壓的前提下，系統及時自動調整高壓變頻器的輸出頻率從而控制變頻泵的轉速。由離心泵原理知，泵轉速的變化可引起相應的排量變化，通過頻率的變化以達到期望的排量值。通過上述閉環控制，使系統的實際壓力和排量與系統的配注壓力與配注量相接近。系統設計為閉環控制系統，流量和壓力為系統的兩個

主要參數，將系統實測的流量和壓力信號與系統要求的流量和壓力(期望值)進行雙PID 調節;通過模糊推理的方法自動尋優控制，根據推理結果，系統及時自動調整高壓變頻器的輸出，并自動計算出變頻器的最佳運行頻率。

由流體力學可知，P(功率)=q(流量)×h(壓力)，流量q 與轉速n的一次方成正比，壓力h與轉速n的平方成正比，功率P與轉速n的立方成正比,如果水泵的效率一定，當要求調節流量下降時，轉速n 可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。使用變頻器前后的耗電情況統計見表1。

水泵電機安裝變頻器前后的注水單耗從6.79下降到5.38，不考慮其它方面的影響，則節電率=[(安裝前耗電-安裝后耗電)/安裝前耗電]×100%

=[(1 244246-698 215)/1244246]×100%=43.88%