摘要：本文著重介紹了國(guó)產(chǎn)多電平高壓變頻器在通化鋼鐵集團(tuán)煉鐵廠的應(yīng)用情況。變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明，冶金行業(yè)采用國(guó)產(chǎn)高壓變頻器對(duì)高爐除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速節(jié)能，改造是成功的，節(jié)能效果是明顯的。
英文摘要 ：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.
關(guān)鍵詞： 山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司趙樹國(guó)郭培彬通化鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 煉鐵廠李洪遠(yuǎn)
1 引言
通化鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司是吉林省省屬最大的國(guó)有工業(yè)企業(yè)和唯一的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)集團(tuán)。隨著世貿(mào)組織的加入和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，為提高產(chǎn)品市場(chǎng)占有率、競(jìng)爭(zhēng)力，通化鋼鐵集團(tuán)深化改革，加快一批項(xiàng)目建設(shè)，其中6#高爐為新建項(xiàng)目之一。6#高爐為750m3高爐，它在吸取了以前舊高爐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又在建設(shè)中采用了大量先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。高爐除塵風(fēng)機(jī)的變頻控制就是先進(jìn)工藝的典型應(yīng)用。以前舊高爐除塵風(fēng)機(jī)為一般工頻運(yùn)行或液力偶合器控制。若電機(jī)采用工頻運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門的出口擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量來(lái)滿足生產(chǎn)工藝要求，大量電能白白浪費(fèi)在閥門上;若采用液力偶合器調(diào)速，則存在以下缺點(diǎn):
(1) 調(diào)速范圍窄，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定;
(2) 電機(jī)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(wèn)題，因此，通鋼集團(tuán)煉鐵廠6#高爐除塵風(fēng)機(jī)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(guò)程中，產(chǎn)生大量的煙塵，污染環(huán)境，根據(jù)國(guó)家法規(guī)，需要除塵處理。除塵風(fēng)機(jī)是除塵系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦除塵風(fēng)機(jī)不能正常工作，不但耽誤生產(chǎn)，影響產(chǎn)量，還有可能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)值班人員人身安全造成威脅，因此，和除塵風(fēng)機(jī)配套的高壓變頻器，要求具有極高的可靠性。對(duì)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(biāo)要求高;
(4) 要求適應(yīng)惡劣的使用環(huán)境;
(5) 要求標(biāo)準(zhǔn)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(guò)多方考察，比較性價(jià)比，決定選用山東新風(fēng)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(guò)雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了6#高爐除塵風(fēng)機(jī)的變頻控制方案。
3 現(xiàn)場(chǎng)除塵風(fēng)機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)介
3.1 電機(jī)及風(fēng)機(jī)參數(shù)
(1) 電機(jī)參數(shù)
型號(hào) Y560-3-8
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 745r/min
(2) 風(fēng)機(jī)參數(shù)
型號(hào) Y4-73
額定流量 393797m3/h
額定轉(zhuǎn)速 730r/min
軸功率 800kW
3.2 除塵風(fēng)機(jī)工藝要求
高爐生產(chǎn)為周期性間斷出鐵,高爐在出鐵時(shí),產(chǎn)生大量棕紅色煙塵,此時(shí)要求風(fēng)機(jī)變頻高速運(yùn)行;在不出鐵時(shí),只需要很低的轉(zhuǎn)速。利用變頻器根據(jù)高爐實(shí)際需要對(duì)除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制,既保證和改善了工藝,又達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。
通鋼6#高爐一個(gè)出鐵工藝高速時(shí)間約40min,每天出鐵15爐。出鐵時(shí),變頻器高速運(yùn)行,高速定為45Hz(可調(diào));不出鐵時(shí),變頻器低速運(yùn)行,低速定為20Hz(可調(diào))。
4 高壓變頻器系統(tǒng)介紹
通鋼集團(tuán)有限公司煉鐵廠最終選定山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38-800F功率單元多電平串聯(lián)高壓大功率變頻器,對(duì)6#高爐除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。
4.1 風(fēng)光牌JD-BP38-800F高壓變頻器主要性能指標(biāo)
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(dòng) ±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(guò)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
(1) 高—高電壓源型變頻器，直接10kV輸入，直接10kV輸出，無(wú)須任何輸出變壓器或?yàn)V波器，適配于普通高壓電動(dòng)機(jī)，對(duì)電機(jī)、電纜絕緣無(wú)損害。
(2) 輸入功率因數(shù)高，電流諧波小，無(wú)須功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波抑制裝置。
(3) 單元電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡(jiǎn)單，互換性好。
(4) 輸出階梯正弦PWM波形。
(5) 高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強(qiáng)弱電隔離，安全可靠。
(6) 完善的故障檢測(cè)，精確的故障保護(hù)及準(zhǔn)確的定位顯示和報(bào)警。
(7) 內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，可靈活選擇現(xiàn)場(chǎng)控制/遠(yuǎn)程控制，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)多變需求。
(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。
(9) 控制電源與高壓電相互獨(dú)立，無(wú)高壓時(shí)可以檢測(cè)變頻器輸出，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試以及培訓(xùn)操作人員，便于維護(hù)。
(10) 采用準(zhǔn)優(yōu)化SPWM調(diào)制技術(shù)，電壓利用率高。
(11) 功率單元經(jīng)24h高溫老化、150％負(fù)載試驗(yàn)，可靠性高。
(12) 中文Windows 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(jī)(商用PC機(jī))、下位機(jī)(工控機(jī))、單片機(jī)。其中單片機(jī)給用戶提供一個(gè)4位LED數(shù)碼顯示屏和一個(gè)12鍵的小鍵盤操作平臺(tái)，可對(duì)變頻器進(jìn)行全部操作，包括參數(shù)設(shè)置和各種運(yùn)行指令。工控機(jī)用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺(tái)，其功能更齊全，包括參數(shù)設(shè)定、功能設(shè)定、運(yùn)行操作、運(yùn)行數(shù)據(jù)打印、故障查詢等等。上位機(jī)(商用PC機(jī))放在總控室，可對(duì)多臺(tái)變頻器進(jìn)行遙測(cè)、遙控。若只有一臺(tái)變頻器，上位機(jī)可省，或讓客戶自定。
(13) 可接收和輸出多路工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
(14) 可打印輸出運(yùn)行報(bào)表。
4.3 高壓變頻系統(tǒng)介紹
風(fēng)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(jì)目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器。
(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所示。由移相變壓器、功率單元和控制器組成。風(fēng)光10kV高壓變頻器，變壓器有30組付邊繞組，分為10個(gè)功率單元/相，三相共30個(gè)單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)規(guī)定。
(2) 功率單元電路
每個(gè)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(shí)現(xiàn)三相全波整流，通過(guò)對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制。每個(gè)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(jì)。假如一單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動(dòng)通過(guò)可控硅旁路而整機(jī)可以暫時(shí)降額工作，直到緩慢停止運(yùn)行。
(3) 輸入側(cè)結(jié)構(gòu)
輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，每個(gè)功率單元都承受電機(jī)電流、1/10的相電壓、1/30的輸出功率。30個(gè)單元在變壓器上都有自己獨(dú)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(shí)現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。
本機(jī)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(jí)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(fù)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(shí)測(cè)輸入電流總諧波成分小于5%。
(4) 輸出側(cè)結(jié)構(gòu)
輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)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(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器。就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造;同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。
(5) 控制器
控制器核心是由高速32位DSP芯片和工控PC機(jī)協(xié)同運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)的，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。工控PC機(jī)提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)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(fēng)機(jī)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(gè)高壓隔離開關(guān)，要求K2和K3不能同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。K1和K2閉合，K3斷開，風(fēng)機(jī)為變頻運(yùn)行;K3閉合，K1和K2斷開，風(fēng)機(jī)為工頻運(yùn)行?？刂品桨附泳€如圖4示。
圖4中: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(dòng)機(jī)。
6 變頻器運(yùn)行情況
2004年10月，雙方公司簽定了一臺(tái)高壓變頻器，型號(hào)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(yùn)行。整個(gè)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(fēng)機(jī),與原舊高爐除塵風(fēng)機(jī)比較,主要有以下優(yōu)點(diǎn):
(1) 運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠。
從變頻器順利投運(yùn)近八個(gè)月以來(lái)，對(duì)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(xiàng)參數(shù)定期巡檢，完全正常。變頻器運(yùn)行一直十分穩(wěn)定，為6#高爐安全可靠生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保證。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，只需定期對(duì)變頻器除塵，不用停機(jī)，保證了高爐生產(chǎn)的連續(xù)性。
(2) 電機(jī)及機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足工藝要求。
在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，電機(jī)始終運(yùn)行平穩(wěn)，溫升正常。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的噪音和啟動(dòng)電流非常小，無(wú)任何異常振動(dòng)和噪音。在調(diào)速范圍內(nèi)，軸瓦最高溫升允許65℃,實(shí)測(cè)10℃。
(3) 變頻器的三相輸出波形完美，非常接近于標(biāo)準(zhǔn)正弦波。
經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，變頻器的三相輸出電壓波形、電流波形非常標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明變頻器完全可以控制一般的普通電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，對(duì)電機(jī)無(wú)任何特殊要求。
(4) 運(yùn)行工況改善，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低。
隨著高爐生產(chǎn)除塵的需要，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，既滿足高爐生產(chǎn)工藝的需要，工作強(qiáng)度又大大降低。
(5) 減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用。
原舊高爐除塵風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常造成風(fēng)機(jī)和電機(jī)的損壞，維護(hù)工作量大，檢修費(fèi)用高，采用變頻技術(shù)調(diào)速后，減少了機(jī)械磨損，保證了風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。
(6) 調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高。
除塵風(fēng)機(jī)的風(fēng)量經(jīng)常需要根據(jù)工藝的需要變化，在過(guò)去擋板或液力偶合器調(diào)節(jié)時(shí)，出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開度與流量的非線性問(wèn)題，致使調(diào)節(jié)失誤，采用變頻拖動(dòng)風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)除塵系統(tǒng)自動(dòng)化控制。
(7) 變頻器具有多項(xiàng)保護(hù)功能，十分完善。
與原來(lái)舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過(guò)流、短路、過(guò)壓、欠壓、缺相、溫升保護(hù)等多項(xiàng)保護(hù)功能，更精確地保護(hù)了電機(jī)。
(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1h，出鐵時(shí)間為20min，間隔約40min，系統(tǒng)配置電機(jī)額定電流為59.5A，根據(jù)其它生產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)行情況電機(jī)運(yùn)行電流在55A左右。高爐出鐵變頻高速運(yùn)行45Hz時(shí)，電流為45A左右，在20Hz低速運(yùn)行時(shí)，電流為15A左右。(一天中風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)間占40%，無(wú)停機(jī)時(shí)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(yǔ)
從近8個(gè)月的運(yùn)行情況來(lái)看，山東新風(fēng)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，變頻調(diào)速系統(tǒng)滿足了高爐連續(xù)生產(chǎn)的需要。風(fēng)光牌JD-BP38-800F在通鋼集團(tuán)6#750高爐除塵風(fēng)機(jī)的成功運(yùn)行，說(shuō)明在高爐除塵風(fēng)機(jī)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(wú)可比擬的優(yōu)越性。
通風(fēng)設(shè)備網(wǎng)：http://m.boshiwj.com