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當(dāng)前，節(jié)能減排已經(jīng)成為全世界的共識(shí)。而隨著工業(yè)生產(chǎn)及人們?nèi)粘Ｉ钏降奶岣�，絕大多數(shù)的能源以電能的形式供應(yīng)，因此，節(jié)約電能是節(jié)能減排的重要組成部分，并且相比其他能源，電能的節(jié)約也最具可操作性。而據(jù)統(tǒng)計(jì)，電能的70％是用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的，因此，電機(jī)尤其是大功率電機(jī)的節(jié)能是節(jié)能減排工作的重中之重。
施耐德電氣的ATV1200高壓變頻器正是順應(yīng)了節(jié)能減排的潮流。它主要用于對(duì)高壓大功率的電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，有著非常廣闊的節(jié)能前景。
ATV1200采用了多電平串聯(lián)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓的輸出。這是目前高壓變頻器最成熟的一種技術(shù)。如圖1:
圖1 多電平串聯(lián)結(jié)構(gòu)
每一相的輸出都是由若干個(gè)單元串聯(lián)而成，每個(gè)單元都是一個(gè)三相輸入、單相輸出的變頻器。這種結(jié)構(gòu)有如下的優(yōu)點(diǎn)：
- 采用了成熟的低壓變頻器技術(shù)串聯(lián)而成，工作可靠。
- 多個(gè)單元的輸入可以由移相變壓器供電構(gòu)成多脈沖整流，消除對(duì)電網(wǎng)的諧波影響。
- 輸出也可以通過(guò)對(duì)串聯(lián)單元的相位控制實(shí)現(xiàn)多電平的輸出，以盡量多的電平擬合正弦波。消除PWM波形對(duì)電機(jī)的影響。
由于這種結(jié)構(gòu)的高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)都幾乎沒(méi)有影響，因此，獲得了最為廣泛的應(yīng)用。
ATV1200變頻器的輸出有 3/3.3kV、 6/6.6kV、10kV等諸多等級(jí)，3kV及3.3kV系列有12個(gè)功率單元，每4個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相；6kV系列有15個(gè)功率單元，每5個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相；6.6kV系列有18個(gè)功率單元，每6個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相；10kV系列有24個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相；網(wǎng)側(cè)的諧波電流失真THDI<2%;輸出波形非常接近正弦波，如圖2，無(wú)須輸出濾波裝置，可接普通電機(jī)，對(duì)電纜、電機(jī)絕緣無(wú)損害，電流諧波少，減少軸承、葉片的機(jī)械振動(dòng)，輸出線(xiàn)可以長(zhǎng)達(dá)2000米。
圖2 ATV1200的輸出波形
整個(gè)變頻器由變壓器柜、功率柜、主控柜構(gòu)成，如圖3：
圖3 ATV1200高壓變頻器的構(gòu)成
各部分的作用如下：
變壓器柜：裝有移相整流變壓器，為各個(gè)功率單元提供交流輸入電壓。
功率柜： 裝有模塊化設(shè)計(jì)的多個(gè)功率單元級(jí)聯(lián)式的逆變主回路，向電機(jī)提供逆變后的可調(diào)電壓。
控制柜： 裝有主控部件，控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作并處理采集獲得的數(shù)據(jù)，具備人機(jī)界面各類(lèi)數(shù)據(jù)通信接口和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)接口功能。
ATV1200采用的是多繞組的干式變壓器，絕緣等級(jí)為H級(jí)，同時(shí)裝有溫度檢測(cè)裝置，工作可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單。
功率柜中所有功率單元安裝采用滑軌，更換方便快捷；
功率單元同控制系統(tǒng)之間采用光纖連接，抗干擾能力強(qiáng)，強(qiáng)電弱電完全隔離；
功率單元工作在低壓狀態(tài)，技術(shù)成熟可靠。
控制柜內(nèi)主要包含控制器、嵌入式人機(jī)界面、 PLC、 UPS、報(bào)警器、 DC24V電源、控制電源開(kāi)關(guān)、接線(xiàn)端子、操作按鈕等組成。控制器基于DSP， FPGA, CPLD等當(dāng)代最先進(jìn)的電子器件構(gòu)成，運(yùn)算速度快，工作可靠。PLC和和其他控制器件均來(lái)自施耐德電氣旗下的各產(chǎn)品事業(yè)部，以性能優(yōu)異、質(zhì)量?jī)?yōu)良而著稱(chēng)。
人機(jī)界面為10英寸的觸摸屏，顯示清晰、操作方便（圖4）。菜單方面保持了ATV系列變頻器一貫的簡(jiǎn)易精智的風(fēng)格。
圖4 ATV1200的人機(jī)界面
除了輸出變頻變壓波形驅(qū)動(dòng)高壓電機(jī)這一基本功能外，ATV1200還內(nèi)置了許多有用的功能：
- 旁路切換功能。高壓大功率電機(jī)通常處在工藝流程的關(guān)鍵部位，絕大多數(shù)有連續(xù)運(yùn)行，不許長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)的要求。旁路切換功能可以在變頻器發(fā)生故障時(shí)，將電機(jī)切換至電網(wǎng)，以維持電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，很多工藝設(shè)計(jì)中，多個(gè)泵會(huì)并聯(lián)工作提供所需的流體流量，在此情況下，通�？蛻�(hù)希望充分利用變頻起動(dòng)平滑無(wú)沖擊的優(yōu)點(diǎn)，依此起動(dòng)各臺(tái)泵，并調(diào)節(jié)其中一臺(tái)泵的轉(zhuǎn)速以應(yīng)對(duì)流量需求的變化。為了確保這種情況下旁路成功并盡量避免對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)的沖擊，ATV1200還提供了同步切換的功能，即跟蹤電網(wǎng)波形的相位，然后控制變頻器輸出電壓的相位，待兩者同步后再進(jìn)行切換，這樣對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)的沖擊最小。
- 掉電恢復(fù)再啟動(dòng)功能：電網(wǎng)掉電，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)（系統(tǒng)默認(rèn)：20秒）電網(wǎng)恢復(fù)正常，變頻器可自行啟動(dòng)，系統(tǒng)可自動(dòng)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊再啟動(dòng)，恢復(fù)到原來(lái)的工作狀態(tài)；
- 飛車(chē)捕捉再啟動(dòng)。如果電機(jī)被負(fù)載拖動(dòng)仍在旋轉(zhuǎn)甚至反轉(zhuǎn)，變頻器能識(shí)別跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速并拖動(dòng)負(fù)載到設(shè)定頻率運(yùn)行。
- 同步電機(jī)變頻調(diào)速及自動(dòng)勵(lì)磁控制功能
- 內(nèi)置PID功能。能根據(jù)工藝要求自動(dòng)針對(duì)工藝參數(shù)（流量、壓力、溫度）進(jìn)行控制。
上述功能加上齊全的通訊接口，得ATV1200能非常容易的集成到客戶(hù)的生產(chǎn)工藝中去，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作。
許多生產(chǎn)工藝，比如電廠(chǎng)、化工廠(chǎng)中都會(huì)用水作為冷卻劑。完成冷卻的水一般會(huì)回流收集起來(lái)，由其他介質(zhì)冷卻后再次作為冷卻劑流回去以節(jié)約用水。這樣的冷卻過(guò)程通常需要由循環(huán)水泵來(lái)完成冷卻水的循環(huán)。如圖8，高溫飽和蒸汽在推動(dòng)汽輪機(jī)葉片做功后，將進(jìn)入凝氣器，被冷卻、凝結(jié)成水后打回鍋爐。凝汽器采用噴淋水來(lái)冷卻蒸汽，流過(guò)凝汽器的噴淋水將由循環(huán)水泵打到冷卻塔中冷卻，然后再次流回凝汽器噴淋蒸汽管道。
圖8
ATV1200高壓變頻器已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用到各種循環(huán)水泵的驅(qū)動(dòng)中。山東某熱電集團(tuán)采用了一臺(tái)6kV輸出的ATV1200驅(qū)動(dòng)800kW的循環(huán)水泵，與過(guò)去閥門(mén)調(diào)節(jié)相比，節(jié)能率高達(dá)20％，按此計(jì)算每年節(jié)約的電費(fèi)高達(dá)100萬(wàn)元。江蘇某化工公司采用1臺(tái)10kV輸出ATV1200驅(qū)動(dòng)450kW的循環(huán)水泵，節(jié)能率更高達(dá)30％，每年節(jié)約電費(fèi)超過(guò)80萬(wàn)元。
在水泥、冶金等行業(yè)中，都有粉磨工藝，其作用是將原料磨成超細(xì)的粉末以提高原料的使用率。在粉磨工藝中，經(jīng)過(guò)磨輥碾壓、破碎后的物料被高速向上的氣流帶至分離器，粗粉經(jīng)分離器后返回從新碾壓、破碎；滿(mǎn)足要求的細(xì)粉則隨氣流出磨，在系統(tǒng)的收塵裝置中收集下來(lái)。這里，一般由大功率的收塵風(fēng)機(jī)來(lái)提供強(qiáng)力的上升氣流。收塵器所需風(fēng)量根據(jù)工藝情況（產(chǎn)量及粉的細(xì)度）會(huì)有所變化。使用變頻器可以代替原有的風(fēng)門(mén)，根據(jù)風(fēng)壓信號(hào)對(duì)風(fēng)量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。
江蘇某鋼鐵集團(tuán)的礦渣磨風(fēng)機(jī)，采用了2臺(tái)10kV, 3600kW的ATV1200來(lái)驅(qū)動(dòng)收塵風(fēng)機(jī)。由于A(yíng)TV1200內(nèi)置了PID調(diào)節(jié)器，上級(jí)DCS只需根據(jù)工藝情況給出風(fēng)壓給定信號(hào)，ATV1200可以根據(jù)風(fēng)壓反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以維持所需風(fēng)壓。由于礦渣磨的工藝變化較大，因此節(jié)能效果非常明顯，平均達(dá)到了34％，每年可節(jié)約電費(fèi)上千萬(wàn)元。
圖9 PID自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)壓
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)主要工業(yè)產(chǎn)品的能源單耗比世界先進(jìn)水平高出30％～90％。大量的能源消耗既造成了經(jīng)濟(jì)上的極大浪費(fèi)，同時(shí)也因嚴(yán)重污染而造成了極大的社會(huì)問(wèn)題。節(jié)能減排已成為擺在我國(guó)面前亟待解決的實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)也成為了政府當(dāng)前的重要工作之一。節(jié)能改造在我國(guó)有著非常廣闊的前景。而其中，最重要同時(shí)也最具可操作性的就是高壓大功率電機(jī)的節(jié)能。因此，ATV1200必將以其先進(jìn)的性能，可靠的質(zhì)量，巨大的節(jié)能潛力，在各行各業(yè)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
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