东芝三菱水冷高压变频器在首钢京唐烧结主抽风机上的应用

• 关键词：水冷高压变频器,钢铁
• 作者：第一作者：东芝三菱机工业电系统（中国）有限公司 吴自强 第二作者：李旭东，张红飞
• 摘要：本文简单介绍了东芝-三菱（TMEIC）公司生产的大功率水冷高压变频器，在首钢京唐烧结主抽风机上的应用。简要介绍了该水冷变频器的特点。该项目不但有变频器，还有很多其他设备。本文还介绍了改造项目中重点解决的一些问题，以及实际节电效果。

一．项目概述

首钢京唐有两台烧结机，每台烧结机2台主抽风机。采用9735kW的同步电机，运行时用风门调节风量。4台电机用2台LCI变频器进行二拖四的软启动，工频运行不节能。主抽风机的年运行时间长，年耗电量极大。

首钢京唐拟对烧结主抽风机进行变频调速节能改造。原变频软启动系统保留，须解决新变频器与原变频器之间的切换和逻辑闭锁关系。同时要解决变频器的冷却。拟采用水冷变频器和空水冷，同时还要配外水冷却塔。原励磁柜和原变频器保留。增加新变频器用的新励磁柜，以及新旧励磁柜的切换柜。还配备了PLC控制系统。

二．整体改造方案：

系统配置：

保留原二拖四LCI变频软启动系统。新增4台水冷变频器，配套输出隔离开关，变频器进线高压开关。提供新变频器用的励磁柜及励磁切换柜。变频器的水冷柜。提供变压器配套的空水冷和吊顶风道。还配套外水冷却系统，和PLC控制系统。因此整个系统除了变频器以外还有很多其他设备。

电动机参数

额定电压：10kV

额定电流：638A

额定转速：1000rpm

功率因数：0.9（超前）

励磁方式：交流无刷励磁

风机额定参数

额定风压：19KPa

额定风量：25000m3/min

三．烧结主抽风机的电能消耗，及变频节能的原理

烧结是为高炉生产颗粒性原料矿的。主抽风机负压运行，平常通过风门开度调节风压。主抽风机风压高，风量大，功率极大，是烧结厂功率最大的设备。

主抽风机的额定风压为19 kPa。风门关少时，风门上有风压降。需要的负压减少，风门后的实际风压高于额定风压，约19.5kPa左右。工艺要求的负压在16-17kPa，平均16.5kPa左右，风门上的风压降约3kPa左右。这些风压降在风门上产生截流损耗。节能节的就是风门上的风压降。

可以用变频器通过调节电机的转速来降低风压，满足烧结的负压要求，风门全开，没有截流损耗，就可以达到节能的目的。节约的风门上的风压降，与风机在该风量下的最高风压之比，就是节电率。

实际净节电率会受变频器的损耗及冷却系统损耗的影响而略低。另外节电率还和风机系统是否有漏风有关。如有漏风，功率增大，风压降低，风压富裕量减少，则节电率降低。因此变频运行应治理漏风。烧结主抽风机的变频改造，满载净节电率在10%-15%左右。节电率虽然不高，但由于耗电功率大，年运行时间长，节电功率不少。而且钢铁行业的电价较高，则实际节电的效益还是非常可观的。

四．水冷或者空冷变频器的选择

4.1 水冷变频器特点的如下：

1）水冷变频器采用水冷散热器，用绝缘的纯水冷却功率单元。散热器内部有通内水的水槽。散热器输入和输出的插头和插座自密封，分离后不会漏水。由于水的比热容和比重都非常大，较小的流量可以带走大量的热量。水和散热器之间的换热效率高，进出水的温差小，冷却效果好。冷、热水的温差<2℃。正常负荷下温差约1℃左右。可以使整个散热器的温度均匀，温差极小。

2）水温设计为35℃，41℃报警。内水通过板换和外水进行水-水热交换，换热效率高，内外水的温差小。因此对外水的温度要求，高于空水冷要求的33℃。可以和变压器的空水冷共用相同的外水。实际外水温度较低时，需要的流量可以减少。因此水冷变频器需要的外水流量，小于空冷变频器用空水冷的流量。

3） 水冷散热器冷热水在同一侧进出，温差小，整个散热器温度非常均衡。可以使所有功率元件和散热器接触面的温度均衡。水温和散热器之间的温差小，散热器的温度低，则功率元件的冷却效果非常好。因为功率元件的温度升高时，寿命缩短很快。因此降低散热器和功率元件的温度，可以大大延长元件使用寿命。这是水冷变频器的优点。

 4）以下为水冷单元及水冷柜，以及单元柜的冷却水总管和各个单元之间的支管。支管长度很长，绝缘电阻与支管的长度成正比，即使冷却水的电导率升高，绝缘性能仍可以保证。

5）每台变频器配一台水冷柜，制冷量相当于两台大功率空水冷的制冷量。体积却很小，耗水量远小于空水冷的耗水量。

6）单元内部有电容放电电阻的损耗。单元柜有2台1.5KW的冷却风机，通风排向空水冷的吊顶风道，不进入室内，对室内温度无影响。

7）水冷柜水泵功率5.5KW，运行功率4KW。2台风机和水泵的合计运行功率仅6KW，远小于空冷变频器加空水冷的风机运行功率。

8） 水冷变频器冷却效果好，需要的外水流量比空冷变频器用空水冷的流量小，风机功率小，冷却系统耗电少。可以降低对外水的流量和温度的要求。还可以使散热器的温度均衡，降低功率元件的温度，延长元件寿命。这都是水冷变频器的优点。

4.2 空冷变频器的特点：

1） 空冷变频器采用空冷散热器。冷却风通过散热器的翅片散热。由于空气的比热容和比重都非常小，因此需要的风量极大。翅片与空气之间的换热效率低。翅片温度比风温高得多。功率元件接触面的温度，比翅片的温度高，比风温则更高。另外冷风从散热器的入口到出口，温度逐渐升高，离开散热器的出风口风温，比进风口高很多。功率元件接触面的温度比出风温度更高。这就使散热器的温度极不均衡，功率元件接触面的温度很高。出风口位置的功率元件的温度更高，则空冷变频器的功率元件的温度比水冷变频器要高不少。会缩短元件的寿命。

2）空冷变频器单元柜需要6台1.5KW的风机，通风量大。需要配两台大功率的空水冷，并用两套风道与空水冷连接。风道的风阻大，每台空水冷的增压风机功率5.5KW，风机总功率20KW，实际消耗约15KW。比水冷变频器多耗电9KW。而且两台空水冷的体积很大，风道的体积很大，用水量也极大。

4.3变频器不论是水冷还是空冷，变压器都用空水冷。

变压器的排风通过吊顶风道排向空水冷，冷却后排回室内。冬季室外温度即使达到零下10℃，冷却塔风机不开，水温不低，回风温度不低，室内温度在20℃上下。内水温度接近外水温度，水冷柜的管道不会被冻坏。可以保证水冷变频器内部水管的安全，内水无须加防冻液。

4.4 水冷或空冷变频对水量和水温要求的对比。

1）水冷变频器，板换换热效率高，内、外水的温差小。内水供水和回水允许的温度高，允许有较大的温差。因此提高冷热水的温差，可以降低外水的流量。实际水冷柜的外水的流量，标准为18 M3/H，实际即使降低到12 M3/H，冷却效果也没有问题。则对外水流量的要求大大减少。可以降低外水循环泵的功率损耗。

2）空冷变频器采用空水冷时，由于换热效率低，冷却后的出风温度比水温高不少，造成室内温度偏高。夏季水温33℃时，则室内温度38-40℃，对变频器的安全运行极为不利。因此为了降低温度，空水冷对水流量的要求非常大。单元柜的空水冷需要的水量为54 M3/H。是水冷变频器要求水量的3倍。

3）变压器都是空水冷。每台变频器的变压器用的空水冷，要求的水量为54 M3/H。再加上水冷柜的水量18 M3/H，合计水量为72 M3/H。4台变频器合计水量要求为288 M3/H。如果用空冷变频器加空水冷，则每台变频器需要的水量为108 M3/H，4台变频器合计水量为432 M3/H。比水冷变频器多144 M3/H，多50%。

4）水冷变频器需要的管径DN50，空水冷的管径为DN80。水冷变频器管道的管径和阀门小，施工成本低。

    由于4台变频器在同一个房间内，水冷变频器的冷却效果比空冷变频器要好，因此用户决定用水冷变频器。这是今后大功率变频器的发展趋势。

五. 水冷控制柜

    水冷控制柜是水冷变频器的核心，由两台循环水泵，高位水箱，板换和离子交换器及阀门组成。高位水箱用于补水。离子交换器用于降低电导率，板换用外水冷却内水。

    水冷柜的内水流量，由水泵独立控制。标准为18M3/H=300L/min。可以使冷却后的冷热水的温度差，控制在1℃-2℃以内。回水的温度低。冷却效果好，可以使水冷散热器的温度非常均衡。

    水冷柜内的板换，用于内水和外水之间的换热，由于片数多，换热面积大，换热效率高，内、外水的温度差很小，因此对外水的流量要求不高，水温要求也不高。设计的外水温度可以达到35℃。

    离子交换器用于降低内水的电导率，提高绝缘性能。由于变频器内部供水母管到单元的支管很长，可以使绝缘电阻大幅度增加，增加了电气安全性。因此即使电导率略高，对变频器的安全没有影响。

    以下为水冷柜的运行画面。春季冷却塔风机未开时，外水温度约27℃，内水的冷水温度28.4℃，回水的热水温度仅29.2℃，冷热水的温差仅0.8℃。即使外水温度达到空水冷允许的33℃，内水回水温度可能增加6℃，达到35℃，仍然小于热水的报警温度41℃。因此运行是安全的。冷却塔风机一旦开启，外水温度大幅度下降，将有更大的富裕量。

六．东芝三菱的高压变频器的拓扑结构。

采用单元串联多脉冲整流电压源变频器。电机功率9735KW。采用每相9单元串联的结构，实现54脉冲整流，37电平逆变。输出电压的波形好，对电机友好。以下为变频器的输出电压波形，输出电压近似正弦波，输出电流为纯正弦波。

变频器的拓扑结构和输出电压和输出波形如下：

东芝三菱的大功率变频器，在国内业绩非常多。在高炉风机的软启动，以及烧结主抽风机中的业绩非常多，性能可靠。

东芝三菱的高压变频器，采用日本指月公司生产，原装进口的自愈式金属化薄膜电容。电容终身不会发生短路故障，变频器20年的设计寿命内，电容不会损坏，也不需要更换，不但降低了单元的故障概率，用户售后维护中无需更换电容的费用，大大降低了售后维护的成本。

七．改造方案与原系统的逻辑闭锁关系：

原来的二拖四变频软启动系统保留，新系统和原系统必须切换方便。两个系统各自独立，互不影响。还要保证切换时的安全。因此针对变频器1启动电机M1的改造方案原理如下图。实际整个系统为两台软启动变频器和四台电机。

原变频软启动的工作原理。采用2台LCI变频器控制4台电机的变频软启动。保留原变频软起动系统，本次改造的变频器仅用于变频运行。以原变频器1启动M1为例，合原软起动变频器1的进出隔离开关，再合进线开关MBC01，原变频器1通高压电。再合接M1的输出开关MBM1，励磁切换柜接原励磁柜。原变频器1带M1启动，当输出电压和电网同步时，合主抽风机1的运行开关MBL1。分断变频器1的输出开关MBM1，则M1接电网工频运行。断MBC01则原变频器1退出。

新增加运行用变频器1，以及变频器的进线高压开关MBLX1，变频器输出隔离开关QS1。新增励磁柜和励磁切换柜。新变频器1运行时，先确认原工频运行柜MBL1分断。原变频器输出柜MBM1分断。然后隔离开关QS1才允许闭合（有闭锁）。该隔离开关闭合后， MBL1及MBM1禁合（有闭锁）。

考虑到原工频运行柜有接地开关，变频器运行时必须分断且禁合。防止变频器输出对地短路。因此接地开关和变频器之间也需要有逻辑闭锁。该接地开关没有足够的辅助接点，无法进行电气和逻辑闭锁。因此该接地开关如果误合，则变频器输出对地短路，风险极大。因此和用户协商，最终拆除了MBL1的接地开关。

新变频器1运行时，原系统的MBL1和MBM1分断。变频器输出的隔离柜QS1才能闭合，而且可以禁止另两台开关柜的闭合。才能保证变频器的安全。励磁切换柜接新励磁柜。因此新变频器1可以带电机M1变频运行。

八． 解决了整个系统的几个关键问题

8.1 冷却系统的配置

1）变频器的功率大，数量多，发热量大，排风量大。只有水冷变频器，加变压器的空水冷的方案可以解决冷却问题。但还是需要大量的冷却循环水。需要单独增加外水冷却用的冷却塔。因此用水量和水温的要求成为外水冷却系统设计的关键。

3）采用水冷变频器时，加上变压器的空水冷，4台变频器的用水总量为288 m3/H。水冷柜要求水温<35℃，41℃报警，43℃保护。空水冷要求的水温<33℃。

4）因此采用水冷变频器。为每台变频器配水冷柜，每台变频器的变压器采用2台空水冷。每个机组采用一套吊顶风道。4台变频器在同一个房间内，总功率38940KW，共采用4台水冷柜，8台空水冷，两套吊顶风道，变频器室内还配了4台空调，用于夏季除湿。

5）每2台变频器配一个吊顶风道和用于变压器的4台空水冷。采用吊顶风道的好处是，如果任何一台空水冷的增压风机故障，只要其他空水冷的风机还在运行，所有变压器的发热量会均匀地分布到所有空水冷装置上，冷却效果还可以保证。同时变压器的比热容极大，温升极慢。因此可以由其他的空水冷共同进行冷却。变压器的排风量不受影响，因此单台空水冷的风机故障，变频器可以不停机继续运行。对设备的安全有利，提高了系统运行的可靠性。

以下为空水冷的吊顶风道和室内温度。变压器温度仅比室内温度高12℃左右，说明变压器通风冷却的效果很好。

6）须解决冷却循环水的再冷却问题，解决的方案为现场增加外水冷却系统，建立冷却塔和蓄水池。用于外水的二次冷却。但外水的制冷量，流量和变频器的冷却方式关系密切。采用水冷变频器，则外水的流量减小，水温要求不高，而且循环水泵的功率，管径，凉水塔的设计要求都降低了。成本也可以降低。

8.2电机的励磁控制方式

1）电机采用交流无刷励磁，原电机励磁柜与原LCI变频器配套，并保留原励磁柜和原变频器之间的控制信号接口。因此新变频器配新励磁柜，建立新的励磁控制接口。在给电机的励磁输出侧，增加新旧励磁柜转换用的励磁切换柜。每个机组用一台励磁切换柜控制两台电机的励磁切换。励磁切换有闭锁。

2）采用变频器后，启动时变频器提供励磁电流的脉冲阶跃指令，变频器根据电机反电势的相位，确定电机的磁极位置，并从该磁极位置提供相应相位的电流，使电机同步。变频器启动时是按实际磁极位置启动，是先同步后启动。即电机启动时已经同步了，不会有强制励磁产生的电流冲击和机械冲击，对电机和电网都非常有利。因此投励和同步是无扰动的。

8.3增加外水冷却系统，建立凉水塔和蓄水池以及相应的水泵房。

1) 外水用于水冷柜和空水冷的冷却。但外水的制冷量，流量和变频器的冷却效果关系密切。采用水冷变频器，则对外水的流量要求降低，水温要求不高，而且循环水泵的功率，管径，凉水塔的都求都不高。可以降低成本。

2)建立外水的凉水塔，蓄水池和水泵房。蓄水池是建立在地面以上，不在地面挖坑，减少了土建施工的困难。凉水塔建立在房顶。距离地面有一定的高度。外水冷却后的冷水经过水冷柜以及空水冷，热水经过凉水塔进行喷淋冷却，然后流入蓄水池。冷却塔的风机开启与否，可以调节水温。

3）两个烧结机组配了两套独立的循环水泵系统，每个机组的循环水泵都是一用一备。因此配备了4台循环水泵，降低了每个机组的流量要求，同时两个机组的蓄水池是共用的。

4）实际运行时，凉水塔的冷热水温差<2℃，温差很小。冷却风机开启后，水温只有14℃左右，比风机开启前降低了很多。冷却效果非常好。水冷柜和室内温度都大幅度降低。

九．计算改造后的节能效果：

    烧结机额定上料量1070 t/h。改造前统计两台烧结机上料量都是1000t/h时的工频运行数据。改造后统计两台变频器同样上料量1000t/h的变频运行数据。由于原工频运行数据统计时2号烧结机有漏风，工频运行功率偏大。变频运行时进行了漏风治理，两台烧结机的变频耗电功率极为接近。则2号烧结机的节能效果比漏风治理前更加明显。节电功率和节电率比漏风治理前更高。说明漏风会降低节能效果。治理漏风本身节能效果明显。

    节电计算既要计算风机的节电功率和节电率，同时也要考虑变频器自身3%的损耗，以及水冷柜，空水冷和变频器柜顶风机等低压电源的附加损耗。最终计算总的净节电功率和净节电率如下。

9.3 应以漏风治理后的节能效果计算年节电收益。因此以一号烧结机的节电功率计算年节电收益。一号烧结机净节电功率1470KW，按年运行时间8000小时计算，电价0.59元/kWH，一号烧结机年节电量1176万，年节电费用694万。则2个机组年节电费用1388万。以上为烧结机满负荷运行的节能计算。不满负荷时，节电效益更佳。

9.4工频运行时，烧结机检修不超过4小时，电机不停，风门关小，电机功率约4000kW。变频运行时，检修时不停机，以最低速度运行，风门全关。仅有低速时的空载损耗，小于500kW。此时节电功率至少3500kW，4小时的节电量14000kWH。按每年检修10次计算，就可以多节电14万kWH。这只是一台变频器的节电量。一个机组多节电28万kWH。

参考文献：

【1】首钢京唐烧结主抽风机项目的系统设计资料。

【2】东芝三菱高压变频器，及水冷柜，励磁柜，空水冷厂家的技术资料。

【3】现场变频器运行显示画面和采集的数据。

作者简介：

吴自强，东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司，高压变频器的高级技术支持工程师，从事东芝三菱高压变频器技术工作23年。