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摘要：高压变频技术对于工业生产过程中的风机节能是非常可观的，本次研究，主要从传统工频风机系统中改造加入高压变频器入手，着重分析了改造后的节能效果和经济效益，同时列举了一些高压变频技术在化工企业风机系统中的应用经验，希望通过本文的阅读，能够给高压变频技术相关领域的研究者或工作者提供一定的帮助和启发。

关键词：风机;节能;高压变频技术;经济效益

前言：

10kV高压变频一般每相有8只IGBT，当任何一相1只IGBT故障，通过中心点漂移或旁路该只IGBT（过去的技术是与该只对应的其它2相的IGBT也同时旁路）的技术，变频器仍可继续工作，目前的技术是，当前有厂家做到一台变频器，每相1只（共3只）IGBT损坏，变频器仍可以工作;提高了可靠性.随着我国经济的发展和社会的进步，工业生产因此取得了长足的进步，但是，签于高压变频复杂的电子技术、变频技术和控制技术，高压变频在实际运用中仍存在各式各样的故障，从而影响稳定生产。在工业生产过程中，风机的能耗始终是非常巨大的，在当前能源紧缺的背景下，想要实现可持续发展，解决高压变频在生产中的各种故障，提高其运行可靠性，是双碳政策下节能减排、降本增效的前提条件，也是可持续发展战略下的重要举措^[1]。

一、高压变频技术在风机中的应用策略

1.1变频器工作原理

高压变频器是一种串联叠加性高压变频器，利用高压变频技术和微电子技术，实现对电机工作电源的频率进行控制和调节的目的，从而改变电机的工作频率。即采用多台单相三电平逆变器串联连接，输出可变频变压的高压交流电。按照电机学的基本原理，电机的转速满足关系式：n=60f/p（P：电机极对数;f：电机运行频率）从式中看出，调节电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速n。

高压变频器有高-低-高;低-高;高-高之分。高-低-高方式高压变频器是把高压电源用变压器降压后，用低压变频器进行控制，再用升压变压器把电压升到我们使用的电压，供给高压电机使用。一般高低高方式都用在小功率的高压电机做变频节能用。低-高方式高压变频器是用低压变频器控制后，直接用升压变压器把电压升到电机使用电压。低高方式也是用在小功率高压电机做变频节能用。高-高方式高压变频器是直接用变频器多个模块串联后，直接使用高压电源，直接输出高压，供高压电机使用。高高方式主要用在大功率高压电机做变频节能用。使用高压变频技术，能够根据电机的实际工况合理调节电机的频率，既能够降低电机的能耗，也能够延长电机的使用寿命，同时降低风机起动时对供电系统的冲击，而且避免在运行中的电气设备因风机起动造成的电压波动导致的跳车。本文主要介绍10kV 高—高方式高压变频器，其结构如下图：

1.2风机变频拖动节能原理

离心式风风量、风压、功率与转速的关系满足以下关系式Q1/Q2=n1/n2   H1/H2=（n1/n2）²       W1/W2=（n1/n2）³

Q：流量   H：压力 W：功率n：转速，工频拖动的风机，因考虑风机的转动惯量，风机电机的额定功率选择通常会偏大，风机在实际运行中，风量常常超过生产需求，风机通过调节风门开度满足生产需求。风机基本处于满负荷运行。根据关系式  W1/W2=（n1/n2）³，当风机采用变频调节，转速降低时，风机电机的功率消耗会大幅降低。若不考虑转差率，假设风机电机的同步转速为1500转，工频拖动时，风机一直保持1500转的同步转速，若采用变频拖动，风机转速降到1200转。假设风机的电机功率为1000kW，风机用风门档板调节时的负荷功率为900kW，则：900/W2=（1500/1200）³  W2=900/1.25³≈900/1.95≈460kW。节能效果为：[（900-460）/900]*100%≈48.9%。（计算未考虑变频效率、电机效率，同时考虑一般风机的运行电机不会达到满负荷，本例按90%考虑）。由此可见，通过变频调节风机转速，具有较大的节能空间。

1.3某厂锅炉一、二次风机改为变频拖动的节能效果

以某厂一拖一的风机为例，该厂锅炉一次风机1600kW，二次风机1120千瓦，在工频运行过程中，通过风门调整风量，风机绝大多数时间处在逼压开车工况，电机负荷电流通常在90%左右，该厂3台锅炉6台风机（其中一次风机3台，二次风机3台，该厂6台引风机2021年前己改造为变频拖动，引风机的节能空间更大，该厂第一批即做了技改）改造为变频拖动后，站用电负荷每小时降低约3000kW，节能效果超过25%，详见附表，技术人员对3台锅炉从风机工频运行及变频拖动时吨蒸汽耗电量进行对比，根据对比计算结果，该厂每年至少可节约电费547万，而该厂6台高压变频采购安装成本约400万，一年即收回成本，经济效益可观。而且，风机振动大幅降低，电机及风机的故障率随之降低，检修周期得到延长。

二、化工企业应用高压变频风机的经验和思考

2.1 高压变频技术降低了停机的发生

在化工企业工业生产过程中，锅炉一次风机、二次风机、引风机）长期处于高负荷运转状态，通过风门调整出风量，造成大量电能浪费，且风机全速运行，加大了设备的震动，缩短设备使用寿命，一旦风机故障，将联锁锅炉停车或减产，对于正常的工业生产将会带来巨大的影响，而采取高压变频技术后，改变了风机长期处于高负荷运转状态的情况，即实现了节能又降低了设备的震动，进而大大的降低了停机现象的发生，有利于保障工业生产的顺利进行。与此同时，高压变频技术也降低设备启动时对机械设备及电网的冲击，延长了设备的使用寿命。

2.2 高压变频运行操作中的常见故障

虽然高压变频的引用降低了高压风机对电网的冲击、风机的振动、并有良好的节能效果，但变频器的参数设置及操作妥当与否，直接决定着风机是可以稳定运行，锅炉一次风机的停运直接联锁停锅炉，若因变频器的参数设置不当或工艺操作人员操作不当，引起风机跳车从而导致锅炉联锁停车，不但起不到节能的作用，而且得到偿失，影响整个生产系统的安全稳定。变频器的故障类型很多，本文重点论述直流母线过压故障引起的跳车。

2.2.1高压变频器直流母线过压的原因

高压变频器IGBT原理图

根据变频器IGBT原理图，锅炉风机类的负载惯性较大，当其减速时间设定的比较小时，在减速过程中，变频器输出频率下降的速度比较快，靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，从负载侧向变频器中间直流回路回馈能量，短时间内能量的集中回馈，可能会超过中间直流回路及其能量处理单元的设定限值，从而导致变频器中间直流过压发跳闸故障，对电源侧的过压导致的直流母线过压本文不作论述。

2.2.2高压变频器直流母线过压的解决办法

2.2.2.1调整变频器己设定的相关参数

在满足控制要求的条件下，针对风机类大惯性负载的调节，适当增加或延长制动时间或减速时间。在工艺流程中若不限定负载减速时间，变频器减速时间参数的设定不要太短，防止负载动能释放太快，该参数的设定要以不引起中间回路过电压为限，特别要注意负载惯性较大时该参数的设定。如果工艺流程对负载减速时间有限制，而在限定时间内变频器出现过电压跳闸现象，就要设定变频器失速自整定功能。

2.2.2.2降低减速步差

对于一些过去安装的高压变频器，因IGBT功率模块对电机反馈能量的消耗速度、承压能力以及控制器算法不尽完善，存在减速步差过大导致高压变频直流母线过压引发跳车的情况，可以降低减速步差，比如将500转的减速分为5次减速操作，每次减速100转，每次减速指令发出待转速达到指定转速且稳定后再发出下一次减速指令，这样也可以通过分步延缓操作的方式防止直流母线过压导致设备跳车，在实际生产过程中，这是最简最直接的办法。

2.2.2.3增强高压变频器过压抑制能力

一是中变频器中间直流母线上适当增加电容，从而提高变频器过电压承受能力，这在变频器厂家设计制造阶段最易实现;二是增加能量泄放电阻，根据设备具体情况，在功率单元内增加泄放电阴，为因电机减速产生反馈到中间直流回路上的能量提供释放通道，从而增强变频器直流母线过压承受参力，尽可能降低直流母线过压跳车故障风险，本方法仅仅在一定范围提高变频器的过压承受能力。

2.2.2.4 增加变频器过压抑制功能

电机减速时，会对变频器反馈能量，通过采集电机三相电流、与变频器输出进行对比，计算电机减速时可能反馈到直流母线上产生的电压，如果该电压在限值范围内，则执行正常减速指令，否则，根据结果换算向控制器发出变频器增速指令，增速量需根据电机反馈、变频器当时的输出参数及变频器直流母线的过压承爱能力确定。变频器输出频率适当提高后，间接降低了电机减速产生的反馈能量，从而降低电机减速反馈到变频器直流母线的能量，从而避免变频器发生直流母线过压故障跳车，增加变频器过压抑制功能后，操作人员对电机的减速调节则更为灵活，不需小心翼翼地分步减速，本方法通过采样计算、通过自动控制的方法让变频器适用各种操作指令，但这需要变频制造厂家在设计制造中解决，对于已经安装投运的变频器很难再改造实现，某厂安装的第一批变频器就在减速过程 中发生过多次直流母线过压跳车事故，后期安装的变频器新增过电压抑制功能，操作人员无需再分步达到减速目标，可一步到位，经过多次试验，未发生过直流母线过压跳车情况。

结束语

随着相关技术的不断发展和迭代，高压变频器在减速过程中调整转速过大会存在直流母线过压跳车的情况，现在通过优化控制，该问题己得到解决，进一步的提升了高压变频技术的稳定性，这极大的开阔了高压变频技术的应用场景，化工企业使用高压变频技术后，有效的实现了节能目标，同时延长了风机的使用寿命，降低了企业的生产成本，不论从企业的角度还是从社会能源的角度来看，都是一举多得的重要举措。

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