高壓變頻器在高爐生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　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
　　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，爐口會排放大量紅棕色煙氣，一方面對環(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?；谝陨瞎ぷ魈攸c(diǎn)，對變頻調(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)柜為一拖一手動旁路系統(tǒng)（用于變頻/工頻切換）
　　原理是由3個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（見下圖）。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運(yùn)行時，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QF的合分閘電路進(jìn)行適當(dāng)改造。工頻旁路時，變頻器應(yīng)允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機(jī)能正常通過QF合閘工頻啟動。

QF：廠方高壓真空斷路器（為變頻器提供6KV高壓電） QS1、QS2、QS3： 手動隔離刀閘 BPQ：HARSVERT-A06/085變頻器 M： 630KW/6KV異步電動機(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：	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，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。
整個出鐵工藝高速時間約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。變頻器包括一臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(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（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)或操作臺進(jìn)行操作，出鐵時，變頻器高速運(yùn)行，不出鐵時，變頻器低速運(yùn)行（甚至不運(yùn)行）?？梢愿鶕?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
加速時間	可按工藝要求設(shè)定
減速時間	可按工藝要求設(shè)定
頻率設(shè)定方式	高低兩級速度，可在0-50Hz范圍內(nèi)調(diào)整
故障診斷及檢測	自動檢測，自動定位
網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)	0.95（高速時）
過載保護(hù)	120％l分種（每10分鐘）、150％立即保護(hù)
防護(hù)等級	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、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，供給高壓電動機(jī)。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)每相由7個功率單元串聯(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個一組，分為7個不同的相位組。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，每個電平臺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)矩脈動都大大降低，因此對電機(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高壓變頻器，型號為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天的時間，為750高爐按時投產(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、電動機(jī)實(shí)現(xiàn)了真正的軟啟動、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，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)了對電機(jī)的保護(hù)。
　　5、變頻器同現(xiàn)場信號無縫接口，滿足生產(chǎn)的需要。變頻器內(nèi)置PLC，現(xiàn)場信號接入靈活。變頻器自帶轉(zhuǎn)速和電流測定，可以為現(xiàn)場直接提供電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流指示。
　　6、適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動能力強(qiáng)，有時電網(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，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)速時的流量、壓力、功率；
Q2、H2、P2——風(fēng)機(jī)在n2轉(zhuǎn)速時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，50Hz滿載時功率因數(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)能計算
　　根據(jù)變頻器的運(yùn)行記錄，統(tǒng)計風(fēng)機(jī)在一天中高低速度段的運(yùn)行時間(風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時間占40%)，全年工作時制按8600小時計算,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)，啟動時間長，啟動電流大（約6～8倍額定電流），對電機(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)軟起動和軟制動，對電機(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，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。