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當(dāng)前，節(jié)能減排已經(jīng)成為全世界的共識。而隨著工業(yè)生產(chǎn)及人們?nèi)粘Ｉ钏降奶岣撸^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，電能的70％是用于驅(qū)動電動機(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)來實現(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單元串聯(lián)而成，每個單元都是一個三相輸入、單相輸出的變頻器。這種結(jié)構(gòu)有如下的優(yōu)點：
- 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，消除對電網(wǎng)的諧波影響。
- 輸出也可以通過對串聯(lián)單元的相位控制實現(xiàn)多電平的輸出，以盡量多的電平擬合正弦波。消除PWM波形對電機(jī)的影響。
由于這種結(jié)構(gòu)的高壓變頻器對電網(wǎng)和電機(jī)都幾乎沒有影響，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，3kV及3.3kV系列有12個功率單元，每4個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相；6kV系列有15個功率單元，每5個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相；6.6kV系列有18個功率單元，每6個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相；10kV系列有24個功率單元，每8個功率單元串聯(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，無須輸出濾波裝置，可接普通電機(jī)，對電纜、電機(jī)絕緣無損害，電流諧波少，減少軸承、葉片的機(jī)械振動，輸出線可以長達(dá)2000米。
圖2 ATV1200的輸出波形
整個變頻器由變壓器柜、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，為各個功率單元提供交流輸入電壓。
功率柜： 裝有模塊化設(shè)計的多個功率單元級聯(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)界面各類數(shù)據(jù)通信接口和現(xiàn)場控制系統(tǒng)接口功能。
ATV1200采用的是多繞組的干式變壓器，絕緣等級為H級，同時裝有溫度檢測裝置，工作可靠，維護(hù)簡單。
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、報警器、 DC24V電源、控制電源開關(guān)、接線端子、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，運算速度快，工作可靠。PLC和和其他控制器件均來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)量優(yōu)良而著稱。
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)運行，不許長時間停機(jī)的要求。旁路切換功能可以在變頻器發(fā)生故障時，將電機(jī)切換至電網(wǎng)，以維持電機(jī)的持續(xù)運行。同時，很多工藝設(shè)計中，多個泵會并聯(lián)工作提供所需的流體流量，在此情況下，通常客戶希望充分利用變頻起動平滑無沖擊的優(yōu)點，依此起動各臺泵，并調(diào)節(jié)其中一臺泵的轉(zhuǎn)速以應(yīng)對流量需求的變化。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，這樣對電網(wǎng)和電機(jī)的沖擊最小。
- 掉電恢復(fù)再啟動功能：電網(wǎng)掉電，在設(shè)定時間內(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，系統(tǒng)可自動計算電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無沖擊再啟動，恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)；
- 飛車捕捉再啟動。如果電機(jī)被負(fù)載拖動仍在旋轉(zhuǎn)甚至反轉(zhuǎn)，變頻器能識別跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速并拖動負(fù)載到設(shè)定頻率運行。
- 同步電機(jī)變頻調(diào)速及自動勵磁控制功能
- 內(nèi)置PID功能。能根據(jù)工藝要求自動針對工藝參數(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的生產(chǎn)工藝中去，大大簡化了系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作。
許多生產(chǎn)工藝，比如電廠、化工廠中都會用水作為冷卻劑。完成冷卻的水一般會回流收集起來，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。這樣的冷卻過程通常需要由循環(huán)水泵來完成冷卻水的循環(huán)。如圖8，高溫飽和蒸汽在推動汽輪機(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冷卻蒸汽，流過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)被廣泛地運用到各種循環(huán)水泵的驅(qū)動中。山東某熱電集團(tuán)采用了一臺6kV輸出的ATV1200驅(qū)動800kW的循環(huán)水泵，與過去閥門調(diào)節(jié)相比，節(jié)能率高達(dá)20％，按此計算每年節(jié)約的電費高達(dá)100萬元。江蘇某化工公司采用1臺10kV輸出ATV1200驅(qū)動450kW的循環(huán)水泵，節(jié)能率更高達(dá)30％，每年節(jié)約電費超過80萬元。
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。這里，一般由大功率的收塵風(fēng)機(jī)來提供強(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）會有所變化。使用變頻器可以代替原有的風(fēng)門，根據(jù)風(fēng)壓信號對風(fēng)量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。
江蘇某鋼鐵集團(tuán)的礦渣磨風(fēng)機(jī)，采用了2臺10kV, 3600kW的ATV1200來驅(qū)動收塵風(fēng)機(jī)。由于ATV1200內(nèi)置了PID調(diào)節(jié)器，上級DCS只需根據(jù)工藝情況給出風(fēng)壓給定信號，ATV1200可以根據(jù)風(fēng)壓反饋信號自動調(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)約電費上千萬元。
圖9 PID自動調(diào)節(jié)風(fēng)壓
據(jù)統(tǒng)計，我國主要工業(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，同時也因嚴(yán)重污染而造成了極大的社會問題。節(jié)能減排已成為擺在我國面前亟待解決的實際問題，同時也成為了政府當(dāng)前的重要工作之一。節(jié)能改造在我國有著非常廣闊的前景。而其中，最重要同時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)獲得越來越廣泛的應(yīng)用。
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