高压变频器在风机控制改造的应用探讨

摘 要：在石油化工厂中，风机是一种常用的工业设备，具有高温、功率大、消耗能源多、设备状况复杂、工艺难等特点，以我司连续重整装置四合一加热炉使用的鼓风机为例，究风机变频传动相比恒速传动方案在节能、工艺控制、延长设备使用寿命等方面的优点，对高压变频器结构特征进行比较和选择，并提出改造方案。

关键词：高压变频器；变频传动；高-低结构；串联方式

0 引言

在石油化工厂中，风机是一种常用的工业设备，主要通过调节风门、调节挡板开度大小、变频调速来调整控制对象，其中变频调速相较于调节风门、挡板开度而言，风机不需要保持固定转速运行，可以随着工况改变做出相应调整，起到很好的节能效果。由于风机风量变化需求的提升，电机功率、电压等级也相应提高，所以技术成熟的低压变频器已无法满足高电压等级风机控制。高压变频器的出现解决了风机控制领域一直难以解决的高电压问题，使得风机控制改造变得更加稳定。

以我司连续重整装置四合一加热炉使用的鼓风机（10kV、900kW）为例，研究风机变频传动相比恒速传动方案在节能、工艺控制、延长设备使用寿命等方面的优点，对高压变频器结构特征进行比较和选择，并提出改造方案。

1风机恒速传动与变频传动比较

1.1 传统风机控制的局限性

传统风机控制方式主要有挡板调节和机械变速。挡板调节通过改变挡板开度控制风量，但会增加系统阻力，降低能效；机械变速通过改变传动比调节转速，但存在摩擦损耗和能量损失。这些方法调节精度低，无法实现连续无级调速，且频繁调节易导致设备磨损，增加维护成本，难以满足现代工业对高效、精准、可靠控制的需求。

1.2 变频调速的优势

风机控制中，变频传动比恒速传动方案的优点体现在节能、工艺控制、延长使用寿命等方面。

节能效果体现在对风机转速的精确调节能力上。通过动态调整风机转速以适应生产过程中风量需求的变化，高压变频器有效避免了风能产出量过高导致的能源浪费，从而实现了显著的节能效果。这种节能不仅减少了能量的无谓消耗，还降低了运营成本。在改造后，调节阀基本保持全开状态，系统压力随之降低，介质对设备的冲蚀作用减弱，从而延长了设备的使用寿命，并减少了设备更换的费用。

工艺控制方面，高压变频器的最大优势在于其对风机控制的精准性和熟练度。它能够实现电机的软启动和软停止，有效减少了启动过程中对电机和电网的冲击，降低了设备的故障风险。同时，高压变频器的引入显著提高了风机运行控制和系统运行管理的自动化水平，使负压调节变得更为快速和灵敏，进一步优化了生产过程。

风机使用寿命的延长也是高压变频器应用的显著成果之一。通过降低风机的机械磨损和轴承的温度，高压变频器减少了风机的检修频率和费用。此外，其稳定的运行性能降低了风机出现故障的频率，例如通过减少电网冲击和自动切换工频运行等方式，确保了生产装置的连续性和可靠性。

1.3 石油化工厂对风机控制的特殊要求

高压、大功率风机的控制需求极高，需要精确控制以确保生产过程的稳定性和安全性。风机必须能够快速响应负载变化，维持工艺参数的稳定，避免因调节滞后而导致生产事故。风机控制系统的可靠性和稳定性至关重要，石油化工生产通常是连续的，风机作为关键设备，其控制系统的故障可能导致生产中断，造成重大损失。因此，风机控制系统应具备故障自诊断功能，能够在出现异常时及时发出报警并采取相应措施，以减少故障对生产的影响。

2高压变频器的技术特点分析

高压变频器常用的形式有高-低结构和高-高结构，冷却方式采用强制风冷、自风冷却、水冷等方式，按照结构特征、冷却方式的不同选择，可以组合成多种高压变频器结构，不同的结构和冷却方式各有其特点，在实际应用中需根据场景需求来选择。

2.1 高-低结构高压变频器

高-低结构高压变频器是由若干个低压变频功率单元以输出电压串联方式来实现高压输出的变频器。由多个低功率单元串联叠加而达到高电压输出，各功率单元由一体化的输入隔离变压器的二次绕组分别供电，如图1所示。。

主回路由移相变压器、功率单元、主控系统、电气控制、旁通柜组成，功率单元的电压等级和串联数量决定变频器输出电压，功率单元的电流定额决定变频器输出电流。单元串联多重化电压型变频器电压叠加示意图、功率单元结构图、主电路结构图，如图2所示。

2.2 高-高结构高压变频器

高-高结构高压变频器直接对高压进行整流后逆变输出，变频器输出无需升压或降压，结构型式如图3所示。高压变频器输入侧设有隔离变压器，也叫整流变压器，供给变频器适当的电压，同时减小因变频器造成的波形畸变对电网的污染。

主电路为中性点钳位的三电平电压型，整流变压器二次绕组分为两组。一组按三角形连接，一组按星形连接，整流部分由两个三相桥形成的12脉冲系统组成，逆变部分是由高压IGBT或IGCT和钳位二极管形成的三电平电压型逆变器，如图4所示。

2.3 高压变频器结构选择

高压变频器具备高电压和大功率输出能力，能够直接处理高电压和大功率电能，适用于驱动大型工业设备，如高压、大功率风机等，其转换效率高，通常可达96%以上，有效减少了能量损耗，提高了能源利用效率。同时，高压变频器采用先进的谐波控制技术，如多电平技术，显著降低了输出电压的谐波含量，减少了对电网和负载的谐波污染，保障了电能质量。高压变频器具有良好的动态响应性能和过载能力，能够快速响应负载变化，保证系统的稳定运行。在短时间内，它还可以承受超过额定功率的负载，适应工业生产中的突发情况。高压变频器采用矢量控制、直接转矩控制等先进控制算法，提高了系统的控制精度和性能。

国内多数高压变频器采用串联方式实现高压变频控制，即高-低结构，属于多电压源叠加型结构。其基本构造为10 kV输入，首先通过变压器进行降压和移相处理，得到中压电能。接着利用二极管进行多脉冲整流和稳压操作，再经过IGBT逆变器进行逆变和电压叠加，最终输出10 kV的高压交流电源，达成变频控制目标。该变频器采用交-直-交变换方式，主电路的开关元件选用IGBT，通过功率单元串联、叠波升压的设计，充分利用了低压变频器的成熟技术，从而赋予了高压变频器极高的可靠性。[1]

中性点漂移技术用于应对模块故障，特别在级联型高压变频器中应用广泛。该技术通过调整模块输出电压，确保即使个别功率单元故障退出情况下，通过调整中性点位置及三相电压之间的夹角，使高压变频器可以在旁路掉部分故障功率单元后仍可以正常运行，提升了容错能力，减少停机时间。

自动旁路柜技术保障系统可靠性和连续运行。为防止变频器重故障停机影响生产，变频器配备了自动旁路柜，当变频器故障停机时，自动旁路柜迅速切换负载至工频电网，确保不间断运行。该技术通过高压真空接触器和电气互锁机制实现自动切换。

3高压变频器在风机控制上的改造应用

我司连续重整装置四合一加热炉使用的鼓风机（10kV、900kW）为恒速传动，现按照工艺控制和节能需求改造为变频传动，根据引风机功率和电压参数，选择额定功率为1160kVA、额定电压为10kV，以满足风机的运行需求，并留有适当的余量。拟采用高-高结构高压变频器，主电路拓扑结构采用IGBT构成的单元串联多重化PWM电压型，主要由移相变压器、功率单元、自动旁路柜和冷却系统组成。

10kV输入引自负荷中心变电所10kV高压开关柜，10kV输出通过电缆连接到鼓风机的电机。功率单元共计24个，每相可由8个额定电压为690V的功率单元串联而成，输出相电压最高可达5520V，线电压可达10kV左右。每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/8的输出相电压和1/24的输出功率。每个功率单元由移相变压器的一组副边绕组供电，通过三相全桥整流器将交流输入变为直流，并将能量储存在电容器组中。功率单元接收主控系统发送的PWM信号并通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。监控电路实时监控功率单元状态，并反馈回主控系统。采用功率单元旁路技术，当某个功率单元故障时，主控系统自动检测单元的故障情况，并通过专门的旁路通讯光纤高速触发故障单元旁路电路，可保证变频器输出三相电压平衡，设备连续运行不受影响。

移相变压器采用移相干式隔离变压器[2]，将工频高压电源变换为副边的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角接法，相互之间有一定的相位差（0°、±12°、±24°），其作用是将高压电源降为低压690V电源提供给每个功率单元，采用移相多脉冲整流方式，降低输入谐波含量。

自动旁路柜作用是变频器运行时，当变频器达到切换频率值后通过就地/DCS远程操作将切换到旁路运行，或者变频器运行中出现重故障时自动切换到旁路运行。

由于高压变频器在运行过程中会产生大量的热量，拟采用空水冷方式，包括压缩机3台、送风机1台、蒸发器、冷凝器等，冷量16.7～168.5kW，风量6000～50000m3/h，在移相变压器柜和功率单元柜分别独立加装集风罩和进风排风管道，将变频器产生的热量带走，确保其在高温环境下稳定运行。

4结论

驱动风机的高压电机是否需要采用变频调速方案取决于实际应用需求。在需要提高风机性能、降低能耗的场景下，可以使用变频调速方案来优化风机运行，但是使用变频调速还需综合考虑投资成本、维护保养要求高等因素，确保技术经济性和可行性。

高压变频器结构特征决定了其相较于电机直启的恒速传动方案，可靠性和稳定性降低，通过配备高压旁路柜以及高压变频器技术的发展和成本的不断降低，高压变频技术在高压风机控制的应用会越来越广泛。

参考文献：

[1]翁瑞森.高压变频器在风机节能上的应用[J].机电技术，2011，34（01）：86-87+93.

[2]程宝平.Harsvert-VA高压变频调速系统在水泥窑尾风机上的应用[J].电气技术，2011，（05）：59-62.