摘要：本文結(jié)合高爐煉鐵生產(chǎn)的實(shí)際工況，介紹了北京利德華福電氣技術(shù)有限公司研制生產(chǎn)單元串聯(lián)多電平高壓大功率變頻器在重鋼煉鐵廠750高爐除塵風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：高壓大功率變頻器 單元串聯(lián)多電平 遠(yuǎn)程監(jiān)控 節(jié)能
Abstract: This thesis introduces the cell cascaded high voltage inverter produced by Beijing Leader & Harvest Electric Technologies Co. Ltd., and its applying in the No750 Blast Furnance product system of Chonggang Ironmaking Factory.
Keywords: High Voltage、Inverter high power 、Multilevel inverter cell cascaded 、Remote supervision 、Energy-saving
一、引言
重鋼煉鐵廠750m3高爐為新建高爐（新高爐）。鑒于原高爐出鐵過程中，爐口會(huì)排放大量紅棕色煙氣，一方面對(duì)環(huán)境造成污染；另一方面原運(yùn)行方式為電機(jī)工頻運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門的出口擋板來調(diào)節(jié)風(fēng)量來滿足出鐵工藝，大量電源在閥門上白白浪費(fèi)。為解決該突出問題，降低損耗，我方?jīng)Q定對(duì)新高爐的除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。
二、高壓變頻器技術(shù)要求及改造方案：
除塵風(fēng)機(jī)是除塵凈化系統(tǒng)的動(dòng)力中樞，一旦除塵風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還有可能威脅到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員的人身安全；另外，調(diào)速系統(tǒng)工作的環(huán)境比較惡劣；同時(shí)高爐又周期性間斷出鐵；所以，和除塵風(fēng)機(jī)配套的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，要求具有極高的可靠性。基于以上工作特點(diǎn)，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要要求如下：
1）中文操作界面。
2）具有高可靠性，長期運(yùn)行無故障。
3）具有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可使電機(jī)切換到工頻運(yùn)行。
4）調(diào)速范圍大，效率高。
5）具有邏輯控制能力，可以自動(dòng)按照吹氧周期升降速。
6）具有共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)設(shè)置，能使電機(jī)避開共振點(diǎn)運(yùn)行，讓風(fēng)機(jī)不喘振。
7）具有遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控功能。
經(jīng)過多方調(diào)研、比較，最后煉鐵廠同北京利德華福電氣技術(shù)有限公司合作，共同制定了750高爐除塵風(fēng)機(jī)的變頻改造方案，改造方案如下：
1、設(shè)備配置
系統(tǒng)旁路開關(guān)柜為一拖一手動(dòng)旁路系統(tǒng)（用于變頻/工頻切換）
原理是由3個(gè)高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（見下圖）。要求QS2和QS3不能同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運(yùn)行時(shí)，QS3閉合，QS1和QS2斷開。
為了實(shí)現(xiàn)變頻器故障的保護(hù)，變頻器對(duì)用戶開關(guān)QF進(jìn)行連鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，要求用戶對(duì)QF的合分閘電路進(jìn)行適當(dāng)改造。工頻旁路時(shí)，變頻器應(yīng)允許QF合閘，撤消對(duì)QF的跳閘信號(hào)，使電機(jī)能正常通過QF合閘工頻啟動(dòng)。
QF：廠方高壓真空斷路器（為變頻器提供6KV高壓電）
QS1、QS2、QS3： 手動(dòng)隔離刀閘
BPQ：HARSVERT-A06/085變頻器
M： 630KW/6KV異步電動(dòng)機(jī)。
2、電機(jī)及風(fēng)機(jī)參數(shù)
電機(jī)參數(shù) 風(fēng)機(jī)參數(shù)
型 號(hào)： YKK560-10 額定流量： 410000m3/h
額定功率： 630KW 主軸轉(zhuǎn)速： 595rpm
額定電壓： 6KV 軸功率： 630KW
額定頻率： 50Hz
額定電流： 82.9A
額定轉(zhuǎn)速： 595rpm
3、除塵風(fēng)機(jī)工藝要求
1）出鐵工藝周期
除塵風(fēng)機(jī)在不出鐵時(shí)，只需要很低的轉(zhuǎn)速（甚至為零），根本不需要滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際需要對(duì)除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻運(yùn)行，既保證和改善了工藝，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的和效果。
整個(gè)出鐵工藝高速時(shí)間約45分鐘，高速定為50Hz（可以調(diào)節(jié)）；低速定為0Hz（可以調(diào)節(jié)）。
2）監(jiān)控和操作
采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻改造具體實(shí)現(xiàn)過程如下：變頻器操作可以在本機(jī)控制，也可以遠(yuǎn)程操作。變頻器包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，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)（如RS485）的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)展控制開關(guān)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。變頻器也可由控制室的上位機(jī)或操作臺(tái)進(jìn)行操作，出鐵時(shí)，變頻器高速運(yùn)行，不出鐵時(shí)，變頻器低速運(yùn)行（甚至不運(yùn)行）。可以根據(jù)工況需要自由設(shè)定，完全可以滿足工藝要求。
上位機(jī)：可以通過上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，一方面便于用戶隨時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行情況，另一方面，也利于設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)，故障問題可以及時(shí)得到解決。
3）變頻器技術(shù)指標(biāo)
輸入電壓 三相交流有效值 6.0KV±10％
輸入頻率 50±5Hz
輸出電壓 三相正弦波電壓0-6KV
輸出頻率 0-50Hz
頻率分辨率 0.01Hz
加速時(shí)間 可按工藝要求設(shè)定
減速時(shí)間 可按工藝要求設(shè)定
頻率設(shè)定方式 高低兩級(jí)速度，可在0-50Hz范圍內(nèi)調(diào)整
故障診斷及檢測(cè) 自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)定位
網(wǎng)側(cè)功率因數(shù) 0.95（高速時(shí)）
過載保護(hù) 120％l分種（每10分鐘）、150％立即保護(hù)
防護(hù)等級(jí) IP20
環(huán)境溫度 0-40℃
環(huán)境濕度 90%,無凝結(jié)
海拔高度 1000米以下
三、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)原理
HARSVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串并聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，其工作原理如下：
1、電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)每相由7個(gè)功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達(dá)3500V，線電壓達(dá)6kV左右，每個(gè)功率單元承受全部的電機(jī)電流，但只提供1/7相電壓和1/21的輸出功率。
2、每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，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，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。給功率單元供電的二次繞組每3個(gè)一組，分為7個(gè)不同的相位組。輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真小于1%，輸入的綜合功率因數(shù)可達(dá)0.95以上。
3、逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開一定的電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波，每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，提高效率，由于采用移相式PWM，電機(jī)電壓的等效開關(guān)頻率大大提高，且輸出電平數(shù)增加。以6KV輸出電壓等級(jí)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)為例，輸出相電壓均為11電平，線電壓均為21電平，輸出等效開關(guān)頻率為6kHz，電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱、噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都大大降低，因此對(duì)電機(jī)沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機(jī)。
四、設(shè)備運(yùn)行情況
2003年中我公司向北京利德華福電氣技術(shù)有限公司定購了一臺(tái)高壓變頻器，型號(hào)為HARSVERT-A06/085，2003年6月20日變頻器開始安裝就位，6月24日調(diào)試完畢，2003年11月9日正式投入使用，我們認(rèn)為該變頻器的安裝、調(diào)試周期都很短，總共僅有5天的時(shí)間，為750高爐按時(shí)投產(chǎn)提供了有力的保證。
同原來老高爐除塵風(fēng)機(jī)比較，引進(jìn)北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠。2003年11月正式投產(chǎn)以來至今，連續(xù)無故障運(yùn)行一年多，為750高爐安全可靠生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。HARSVERT-A變頻器具有免維護(hù)的特點(diǎn)，只需定期更換柜門上的通風(fēng)濾網(wǎng)，不用停機(jī)，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。
2、節(jié)能效果顯著，大大降低了電耗。
3、電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了真正的軟啟動(dòng)、軟停運(yùn)，變頻器提供給電機(jī)的無諧波干擾的正弦波電流，降低了電機(jī)的故障次數(shù)。同時(shí)，變頻器設(shè)置共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)頻率，避免了風(fēng)機(jī)長期在共振點(diǎn)運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)工作平穩(wěn)，風(fēng)機(jī)軸承磨損減少，延長了電機(jī)、風(fēng)機(jī)的使用壽命和維修周期，提高了風(fēng)機(jī)的利用時(shí)率。
4、變頻器自身保護(hù)功能完善，同原來繼電保護(hù)比較，保護(hù)功能更多，更靈敏，大大加強(qiáng)了對(duì)電機(jī)的保護(hù)。
5、變頻器同現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)無縫接口，滿足生產(chǎn)的需要。變頻器內(nèi)置PLC，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接入靈活。變頻器自帶轉(zhuǎn)速和電流測(cè)定，可以為現(xiàn)場(chǎng)直接提供電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流指示。
6、適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)，有時(shí)電網(wǎng)電壓高達(dá)6.6KV，變頻器仍能正常運(yùn)行。
五、節(jié)能分析：
1、節(jié)能原理
當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)機(jī)的性能曲線，使風(fēng)機(jī)的額定參數(shù)滿足工藝要求，根據(jù)風(fēng)機(jī)的相似定律，變速前后流量、壓力、功率與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系為：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
Q1、H1、P1——風(fēng)機(jī)在n1轉(zhuǎn)速時(shí)的流量、壓力、功率；
Q2、H2、P2——風(fēng)機(jī)在n2轉(zhuǎn)速時(shí)相似工況條件下的流量、壓力、功率。
假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：n2/n1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達(dá)到節(jié)能的目的。
當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，50Hz滿載時(shí)功率因數(shù)為0.96，工作電流比電機(jī)額定電流值要低許多，電流降為52A。由于變頻裝置的內(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用，可以為電網(wǎng)節(jié)約容量20%左右。
3、節(jié)能計(jì)算
根據(jù)變頻器的運(yùn)行記錄，統(tǒng)計(jì)風(fēng)機(jī)在一天中高低速度段的運(yùn)行時(shí)間（風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)間占40%），全年工作時(shí)制按8600小時(shí)計(jì)算,得到如下運(yùn)行數(shù)據(jù)：
P高速=1.732×6×52×0.96×8600×40%=178.4
P原來=1.732×6×82.9×0.8×8600=592.7
年節(jié)電率:（P原來- P高速）÷P原來=69.8%
六、應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效果
改善了工藝。投入變頻器后除塵風(fēng)機(jī)可以非常平滑穩(wěn)定的調(diào)整風(fēng)量，運(yùn)行人員可以自如的調(diào)控，除塵風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)得到了改善，提高了效率。
延長電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命。一般除塵風(fēng)機(jī)均為離心式風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)時(shí)間長，啟動(dòng)電流大（約6～8倍額定電流），對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的機(jī)械沖擊力很大，嚴(yán)重影響其使用壽命。而采用變頻調(diào)速后，可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟制動(dòng)，對(duì)電機(jī)幾乎不產(chǎn)生沖擊，可大大延長機(jī)械的使用壽命。
減少閥門機(jī)械和風(fēng)機(jī)葉輪的磨損。減少了風(fēng)機(jī)振動(dòng)和軸承磨損。延長風(fēng)機(jī)的大修周期，節(jié)省檢修費(fèi)用和時(shí)間。
減少了維護(hù)費(fèi)用和檢修工作量。原除塵風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，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。自改變頻調(diào)節(jié)后保證了風(fēng)機(jī)在正常范圍內(nèi)運(yùn)行。
便于實(shí)現(xiàn)除塵控制系統(tǒng)自動(dòng)化。除塵系統(tǒng)的風(fēng)量經(jīng)常需要根據(jù)工藝的要求變化，在過去用擋板調(diào)節(jié)時(shí)，存在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開度與流量的關(guān)系曲線的線性問題。往往由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損量過大，閥門特性發(fā)生變化，出現(xiàn)非線性問題，致使調(diào)節(jié)過程失誤，自動(dòng)控制系統(tǒng)無法正常工作。而變頻調(diào)速始終保持在線性高精度 0.1～0.01Hz的范圍內(nèi)工作，為實(shí)現(xiàn)除塵系統(tǒng)的自動(dòng)化創(chuàng)造優(yōu)越條件。
七、結(jié)束語
HARSVERT-A系列高壓變頻器在重鋼煉鐵廠750高爐除塵風(fēng)機(jī)的調(diào)速改造中應(yīng)用是相當(dāng)成功的。該系列變頻器的先進(jìn)性、可靠性已得到許多工業(yè)應(yīng)用的證實(shí)。在各行各業(yè)，對(duì)于許多高壓大功率的輔機(jī)設(shè)備推廣和采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可以取得相當(dāng)顯著的節(jié)能效果，而且也得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持。