關(guān)鍵詞： 多電平 高壓變頻器 節(jié)能
Abstract: The paper introduces the application of multi-level high voltage inverter in Tonghua Steel Factory. The running result indicates that the adoption of high voltage inverter to Remove-Dust is successful and the effect of saving energy is distinct.
Key word: Multi-level High voltage inverter Saving energy
1、引言
通化鋼鐵集團有限責任公司是吉林省省屬最大的國有工業(yè)企業(yè)和唯一的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)集團 。 隨著世貿(mào)組織的加入和市場競爭的加劇，為提高產(chǎn)品市場占有率 、 競爭力，通化鋼鐵集團深化改革，加快一批項目建設(shè)，其中 6# 高爐為新建項目之一。 6# 高爐為 750m 3 高爐， 6# 高爐吸取了以前舊高爐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，在建設(shè)中采用了大量先進的生產(chǎn)工藝。高爐除塵風機的變頻控制就是先進工藝的典型應(yīng)用。以前舊高爐除塵風機一般工頻運行或液力偶合器控制。若電機采用工頻運行，通過調(diào)節(jié)風門的出口擋板調(diào)節(jié)風量來滿足生產(chǎn)工藝要求，大量電能白白浪費在閥門上 ; 若采用液力偶合器調(diào)速，則存在以下缺點：
（1）調(diào)速范圍窄，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。
（2）電機的效率低，損耗大。
（3）液力偶合器經(jīng)常出現(xiàn)故障，不能滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要。
（4）調(diào)節(jié)精度低，響應(yīng)慢。
鑒于存在以上諸多問題，因此，通鋼集團煉鐵廠 6#高爐除塵風機改用變頻調(diào)速控制。
2、高壓變頻器技術(shù)要求
眾所周知，高爐在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生大量的煙囪，污染環(huán)境，根據(jù)國家法規(guī)，需要除塵處理。除塵風機是除塵系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦除塵風機不能正常工作，不但耽誤生產(chǎn)，影響產(chǎn)量，還有可能對現(xiàn)場值班人員人身安全造成威脅，因此，和除塵風機配套的高壓變頻器，要求具有極高的可靠性。對高壓變頻器的主要要求如下：
（1）要求可靠性高
（2）要求有完善的數(shù)字控制功能
（3）技術(shù)指標要求高
（4）要求適應(yīng)惡劣的使用環(huán)境
（5）要求標準的數(shù)字通信接口
（6）調(diào)速范圍大，效率要高
（7）要求滿足高爐生產(chǎn)工藝調(diào)速要求
經(jīng)過多方考察，比較性價比，決定選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 JD-BP38型高壓變頻器，通過雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了6#高爐除塵風機的變頻控制方案。
⒊現(xiàn)場除塵風機設(shè)備簡介
⒊1電機及風機參數(shù)
1 ）電機參數(shù)
型號 Y 560-3-8
額定功率 800KW
額定電壓 10KV
額定頻率 50HZ
額定電流 59.5A
額定功率因數(shù) 0.82
額定轉(zhuǎn)速 745rpm
2 ） 風機參數(shù)
型號 Y4-73
額定流量 393797m 3 /h
額定轉(zhuǎn)速 730rpm
軸功率 800KW
3.2除塵風機工藝要求
高爐生產(chǎn)為周期性間斷出鐵 ,高爐在出鐵時,產(chǎn)生大量棕紅色煙塵,此時要求風機變頻高速運行；在不出鐵時,只需要很低的轉(zhuǎn)速。利用變頻器根據(jù)高爐實際需要對除塵風機進行變頻調(diào)速控制,既保證和改善了工藝,又達到了節(jié)能降耗的目的。
通鋼 6#高爐一個出鐵工藝高速時間約40min,每天出鐵15爐。出鐵時,變頻器高速運行,高速定為45HZ（可調(diào)）；不出鐵時,變頻器低速運行,低速定為20HZ（可調(diào)）。
4 . 高壓變頻器系統(tǒng)介紹
通鋼集團有限公司煉鐵廠最終選定我公司生產(chǎn)的風光牌 JD-BP38 -800F 功率單元多電平串聯(lián)高壓大功率變頻器 , 對 6# 高爐除塵風機進行調(diào)速控制 。
4.1 風光牌 JD-BP38 -800F 高壓變頻器主要性能指標
變頻器功率 800KW
額定輸出電流 69A
輸入頻率 50HZ ± 5HZ
額定輸入電壓 10KV
允許電壓波動 ±20%
輸入功率因數(shù) ≥ 0.98
輸出頻率范圍 0～50HZ
輸出電壓范圍 0～10KV
變頻器效率 ≥96%
過載能力 100% 連續(xù) 160% 連續(xù) 1min 220% 允許 1.5S
4.2 JD-BP38 -800F 高壓變頻器主要技術(shù)性能
4.2.1 高——高電壓源型變頻器，直接 10KV 輸入，直接 10KV 輸出，無須任何輸出變壓器或濾波器，適配于普通高壓電動機，對電機、電纜絕緣無損害。
4.2.2 輸入功率因數(shù)高，電流諧波小，無須功率因數(shù)補償、諧波抑制裝置。
4.2.3 單元電路模塊化設(shè)計，維護簡單，互換性好。
4.2.4 輸出階梯正弦 PWM 波形。
4.2.5 高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強弱電隔離，安全可靠。
4.2.6 完善的故障檢測，精確的故障保護及準確的定位顯示和報警。
4.2.7 內(nèi)置 PLC ，易于改變控制邏輯關(guān)系，可靈活選擇現(xiàn)場控制 / 遠程控制，適應(yīng)現(xiàn)場多變需求。
4.2.8 采用載波移相控制技術(shù)，大大抑制了輸出電壓的諧波成分，保證輸出波形是完美正弦波。
4.2.9 控制電源與高壓電相互獨立，無高壓可以檢測變頻器輸出，便于現(xiàn)場調(diào)試以及培訓(xùn)操作人員，便于維護。
4.2.10 采用準優(yōu)化 SPWM 調(diào)制技術(shù)，電壓利用率高。
4.2.11 功率單元經(jīng) 24 小時高溫老化、 150 ％負載試驗，可靠性高。
4.2.12 中文 bbbbbbs 操作界面，彩色液晶觸摸屏操作。用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)界面十分友好和完善，系統(tǒng)包括上位機（商用 PC 機）、下位機（工控機）、單片機。其中單片機給用戶提供一個 4 位 LED 數(shù)碼顯示屏和一個 12 鍵的小鍵盤操作平臺，可對變頻器進行全部操作，包括參數(shù)設(shè)置和各種運行指令。工控機用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺，其功能更齊全，包括參數(shù)設(shè)定、功能設(shè)定、運行操作、運行數(shù)據(jù)打印、故障查詢等等。上位機（商用 PC 機）放在總控室，可對多臺變頻器進行遙測、遙控。若只有一臺變頻器，上位機可省，或讓客戶自定。
4.2.13 可接收和輸出多路工業(yè)標準信號。
4.2.14 可打印輸出運行報表 。
4 . 3 高壓變頻系統(tǒng)介紹
風光牌 JD-BP38 型高壓變頻系統(tǒng)采用直接 “高 -高”變換方式，屬電壓源型，采用功率單元多電平串聯(lián)方式，以最新型西門子IGBT為主控器件，全數(shù)字化控制， 彩色液晶觸摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計目標的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器。
4 . 3 . 1 JD-BP38 型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)
其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 示。由移相變壓器，功率單元和控制器組成。風光 10KV 高壓變頻器，變壓器有 30 組付邊繞組，分為 10 個功率單元 / 相，三相共 30 個單元，采用 36 脈沖整流，輸入端的諧波成分遠低于國標規(guī)定。
圖 1 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
4 . 3 . 2 功率單元電路
每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖 2 示，為基本的交 - 直 - 交單相逆變電路，整流側(cè)為六支二極管實現(xiàn)三相全波整流，通過對 IGBT 逆變橋進行正弦 PWM 控制。每個功率單元完全一樣，可以互換，這不但調(diào)試 、 維修方便，而且備份也十分經(jīng)濟。假如一單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動通過可控硅旁路而整機可以暫時降額工作，直到緩慢停止運行。
圖 2 單元電路主電路圖
4 . 3 . 3 輸入側(cè)結(jié)構(gòu)
輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電， 每個功率單元都承受電機電流、 1/10的相電壓、1/30的輸出功率。30個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。
本機中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成 36脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1， 輸入電流諧波成分低。實測輸入電流總諧波成分小于5%。
4.3.4輸出側(cè)結(jié)構(gòu)
輸出側(cè)由每個單元的 U 、 V 輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的 PWM 波形進行重組，可得到如圖 3 所示的階梯 PWM 波形。這種波形正弦度好， dv/dt 小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應(yīng)力。
圖 3變頻器輸出的相電壓階梯PWM波形圖
4.3.5 控制器
控制器核心由高速 32 位 DSP 芯片和工控 PC 機協(xié)同運算來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。工控 PC 提供友好的全中文 bbbbbbS 監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破饔糜诠耋w內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強了系統(tǒng)的靈活性。
5.變頻控制方案
變頻器控制 6#高爐除塵風機為一拖一控制，旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。K1，K2和K3為三個高壓隔離開關(guān)，要求K2和K3不能同時閉合，在機械上實現(xiàn)互鎖。K1和K2閉合，K3斷開，風機變頻運行；K3閉合，K1和K2斷開，風機工頻運行?？刂品桨附泳€如圖4示。
圖 4 控制方案接線圖
K0 用戶原高壓開關(guān)
K1 、 K2 和 K3 高壓隔離開關(guān)
BPQ JD-BP38 -800F 高壓變頻器
M 高壓電動機
6.變頻器運行情況
2004 年 10 月，通化鋼鐵集團有限公司煉鐵廠和我公司簽定了一臺高壓變頻器 , 型號為 JD-BP38 -800F 。 2004 年 12 月 16 日 ，高壓變頻器開始安裝就位； 2004 年 12 月 20 日 ，調(diào)試完畢； 2004 年 12 月 25 日 ，正式投入運行。整個變頻器安裝調(diào)試周期都很短 , 為 6#750 高爐順利投產(chǎn)提供了有利的保證 。
高壓變頻器控制除塵風機 , 與原舊高爐除塵風機比較 , 主要有以下優(yōu)點 :
（1）運行穩(wěn)定 ,安全可靠。
從變頻器順利投運近八個月以來 ,對變頻器輸入變壓器溫升、功率單元溫升、輸出電壓、輸出電流等各項參數(shù)定期巡檢，完全正常。變頻器運行一直十分穩(wěn)定，為6#高爐安全可靠生產(chǎn)提供了強有力的保證。對于用戶來說,只需定期對變頻器除塵,不用停機,保證了 高爐 生產(chǎn)的連續(xù)性。
（2）電機及機組運行平穩(wěn),各項指標滿足工藝要求。
在整個運行范圍內(nèi) , 電機始終運行平穩(wěn) , 溫升正常 。 風機啟動時的噪音和啟動電流非常小 , 無任何異常振動和噪音 。 在調(diào)速范圍內(nèi) , 軸瓦最高溫升允許 65 ℃ , 實測 10 ℃ 。
（3）變頻器的三相輸出波形完美,非常接近于標準正弦波。
經(jīng)過現(xiàn)場測試 ,變頻器的三相輸出電壓波形、電流波形非常標準,說明變頻器完全可以控制一般的普通電動機運行,對電機無任何特殊要求。
（4）運行工況改善,工人勞動強度降低。
隨著高爐生產(chǎn)除塵的需要 ,調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速,進而調(diào)節(jié)風機風量,滿足高爐生產(chǎn)工藝的需要,工作強度大大降低。
（5）減少了維護工作量和維護費用。
原舊高爐除塵風機在運行過程中 ,經(jīng)常造成風機和電機的損壞,維護工作量大,檢修費用高,采用變頻技術(shù)調(diào)速后,減少了機械磨損,保證了風機的正常運行。
（6）調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高。
除塵風機的風量經(jīng)常需要根據(jù)工藝的需要變化，在過去擋板或液力偶合器調(diào)節(jié)時，出現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的開度與流量的非線形問題，致使調(diào)節(jié)失誤，采用變頻拖動風機可以在 0～50HZ范圍內(nèi)任意調(diào)速，調(diào)速精度高，可保持在0.1～0.01HZ范圍內(nèi)工作，便于實現(xiàn)除塵系統(tǒng)自動化控制。
（7）變頻器具有多項保護功能，十分完善。
與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。
（8）節(jié)能效果顯著，大大降低了電耗。
該系統(tǒng)生產(chǎn)周期大約為 1小時，出鐵時間為20分鐘，間隔約40分鐘，系統(tǒng)配置電機額定電流為 59.5A ，根據(jù)其它生產(chǎn)線的實際運行情況電機運行電流在 55A左右。高爐出鐵變頻高速運行45HZ時，電流為 45A 左右，在 20Hz低速運行時,電流為15A左右。（一天中風機高速運行時間占40%，無停機時間）
P 變 =1.732×10×（45×0.98×40%＋15×0.98×60％）=458KW
P 工 =1 . 732 × 10 × 55 × 0 . 86=819KW
節(jié)電率 = （ P 工 -P 變 ） / P 工 =44%
7.結(jié)束語
從近 8 個月的運行情況來看，山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 JD-BP38 -800F 高壓大功率變頻器性能優(yōu)越，可靠性高，節(jié)能效果顯著，變頻系統(tǒng)滿足了高爐連續(xù)生產(chǎn)的需要。風光牌 JD-BP38 -800F 在通鋼集團 6#750 高爐除塵風機的成功運行，說明在高爐除塵風機應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)是完全正確的，證明了其性能具有無可比擬的優(yōu)越性。
參考文獻
（1）山東新風光電子使用手冊 山東新風光電子科技發(fā)展有限公司。
（2）山東新風光電子 JD-BP38 -800F 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)通鋼調(diào)試大綱。
（3）山東新風光電子 JD-BP38 -800F 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)通鋼驗收報告。
作者簡介：趙樹國（ 1978－），男，2002年畢業(yè)于海軍大連艦艇學(xué)院，現(xiàn)在山東新風光電子科技發(fā)展有限公司技術(shù)部負責高壓變頻器的工作。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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