山東新風光電子科技發展有限公司 張文勇 徐益龍 郭培彬

                           沙鋼集團宏發煉鐵廠             周和平

Zhang Wenyong   Xu Yilong   Guo Peibin  Zhou Heping

 

摘要：本文介紹了風光牌高壓變頻器在沙鋼集團鋼鐵廠除塵風機上的應用情況。應用結果表明，采用國產高壓變頻器對鋼廠的除塵風機設備進行調速節能改造，具有較高的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：高壓變頻器  除塵風機  應用

Abstract:The article introduces the application instances of FengGuang High  voltage inverter in Dust Blower of ShaGang Iron Company.The application result indicates that, using the domestic high voltage inverter to carry  on the velocity modulation energy conservation transformation to the steel plant dust blower equipment, has a higher economic and the social efficiency.

Key Words:High voltage inverter   Dust Blower   Application

 　　沙鋼集團是目前國內最大的電爐鋼和優特鋼生產基地、江蘇省重點企業集團、國家特大型工業企業，全國最大的民營鋼鐵企業。現擁有總資產1000多億元，職工26700余名，主要工藝裝備均達國際先進水平，形成了年產鐵2230萬噸、鋼2720萬噸、材2390萬噸，其中不銹鋼板100萬噸的生產能力。

  

圖1 沙鋼集團廠區

　　為了降低對周邊環境的污染，沙鋼瞄準國際國內先進水平，大力推進技術創新，先后淘汰了兩座5噸小電爐和6條小軋鋼生產線，同時，引進先進環保治理工藝技術和裝備，加大環保技改投入。近幾年來，共投資兩億多元用于增添和更新改造各類環保設施。在電爐煉鋼方面，采用布袋低壓脈沖除塵技術、噴霧除塵技術、變頻調速控制除塵風機技術。

　　該煉鋼廠原有15t氧氣頂吹轉爐4座，轉爐吹煉過程中，爐口會排出大量棕紅色的煙氣，煙氣溫度高，含有易燃氣體和金屬顆粒，按照我國1996年頒布的《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297一1996），對煙氣必須冷卻、凈化，由引風機將其排至煙囪放散或輸送到煤氣回收系統中備用。因此，每座轉爐需配有一套除塵系統，除塵系統采用二級文氏管煙塵凈化方式，風機型號AI850，電機功率1800KW/10KV。由于轉爐周期性間斷吹氧，為滿足節能和環保要求,要求風機在整個煉鋼工作周期內變速運行，吹氧時高速運行，不吹氧時低速運行。2002年，煉鋼廠對其中2#和3#轉爐進行擴容改造，將風機移至地面，采用液力偶合器調速，高速2700r/min（設計2900r/min），低速1200r/min。經過一段時間的運行，發現液力偶合器技術存在著局限性，主要表現在：

1）電動機的效率低，損耗大，尤其低速運行時，效率極低；

2）調節精度低、線性度差，響應慢；

3）啟動電流仍比較大，影響電網穩定；

4）液力偶合器故障時，無法切換至工頻旁路運行，必須停機檢修；

5）漏油嚴重，對環境污染大，地面被油污蝕嚴重。

　　鑒于液力偶合器存在上述眾多問題，因此在2008年9月，煉鋼廠對2#和3#轉爐風機進行改造，改用高壓變頻器為轉爐風機進行調速。

　　除塵風機是除塵凈化系統的動力中樞，一旦除塵風機不能正常運行，不但影響生產，造成巨大的經濟損失，還有可能威脅到現場生產人員的人身安全；另外，調速系統工作的環境比較惡劣；同時轉爐又周期性間斷吹氧；所以，和除塵風機配套的高壓調速系統，要求具有極高的可靠性。基于以上工作特點，對變頻調速系統的主要要求如下：                       

1）要求變頻器要有高可靠性，長期運行無故障。

2）要求變頻器有旁路功能，一旦出現故障，可使電機切換到工頻運行。                      

3）調速范圍要大，效率要高。

4）有共振點跳轉設置，能使電機避開共振點運行，讓風機不喘震。

　　經過多方調研、比較，最后決定采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38-1800F型高壓變頻器，通過雙方技術人員的合作，共同制定了2#和3#轉爐除塵風機的變頻改造方案，改造方案如下：                       

圖2 一次主回路圖

QF：變頻器輸入側的高壓開關柜

KM1、KM2、KM3、KM4：高壓變頻器內置真空接觸器

QS1、QS2：高壓變頻器內高壓隔離開關

M：1800KW/10KV三相異步電動機

　　變頻器配備了自動旁路柜，通過KM3、KM4的控制，可自動（或手動）在變頻狀態和工頻狀態之間切換。變頻狀態下, KM3閉合，KM4斷開，變頻器控制電機；工頻狀態下，KM3斷開，KM4閉合，在切換至工頻帶動電機。變頻器可以在重故障時自動切換工頻運行，這樣既保證了變頻器正常運行，又避免了直接啟動電機大電流對電網的沖擊，保證風機連續不間斷供風。并要求可以遠程和本機控制。山東新風光電子科技發展有限公司生產的高壓變頻器調速有五種方式：就地旋鈕、觸摸屏、遠程、上位機及多段速調節，方便用戶選擇。該鋼鐵廠采用多段速方式調節。遠程控制時，自動檢測轉爐位置，使變頻器在倒鐵水時高速運行，其他時間低速運行。

 

輸入電壓：　　　三相交流有效值10KV±10%

輸入頻率：　　　50±5Hz

輸出電壓：　　　三相正弦波電壓0-10KV

輸出頻率：　　　0-50Hz

頻率分辨率：　　0.01Hz

加速時間：　　　可按工藝要求設定

減速時問：　　　可按工藝要求設定

頻率設定方式：　高低兩級速度，可在0-50Hz范圍內調整

故障診斷及檢測：自動檢測，自動定位

網側功率因素：　0.95（高速時）

過載保護：　　　150%（每10分鐘允許l分鐘）、180%立即保護

防護等級：　　　IP21

環境濕度：　　　90%,無凝結

　　JD-BP38系列高壓變頻調速系統的結構見圖3所示，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10KV系列有30個功率單元，每10個功率單元串聯構成一相，圖3中給出了系統結構示例。

圖3 高壓變頻器系統結構圖

 圖4 功率單元主電路圖

 　　每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其主電路結構如圖4所示，為基本的交-直-交雙向逆變電路，圖中通過逆變塊IGBT反并聯的二極管構成三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓， 通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制實現雙向逆變。

　　功率單元輸出波形：

圖5  單個功率單元輸出波形

 

　　輸入側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側的電流波形，使其負載下的網側功率因數接近1，輸入電流諧波成分低。實測輸入電流總諧波成分小于3%,低于國家標準。

圖6  10個單元輸出波形疊加圖

　　輸出側由每個單元的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6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力。

　　控制器核心由高速32位數字信號處理器（DSP）運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。人機界面提供友好的全中文WINDOWS監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。內置PLC控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，可以和用戶現場靈活接口，滿足用戶的特殊需要，增強了系統的靈活性。

　　數字信號處理器（DSP）相對于模擬信號處理有很大的優越性，表現在精度高、靈活性大、可靠性好、易于集成、易于存儲等方面。傳統的模擬信號處理技術正由全新的數字信號處理技術（DSP）所代替。DSP是面向高速重復性數值運算密集型的實時處理。高性能DSP不僅處理速度快，而且可以無間斷的完成數據的實時輸入與輸出。DSP結構相對單一，普遍采用匯編編程，其處理完成時間的可預測性要比結構和指令復雜、依賴于編譯系統的普通微處理器強的多。它可以單周期完成這些乘加并行操作，而普通微處理器需要至少4個指令周期，因此在相同的指令周期和片內指令緩沖條件下，是普通微處理器運算速度的4倍以上。

　　另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統的統一控制器，方便調試、維修、現場培訓，增強了系統的可靠性。

　　控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設備各點的波形與加高壓情況基本相似，給整機可靠性、調試、培訓帶來了很大方便。

　　系統采用三次諧波補償技術提高了電源電壓利用率，利用了調制信號預畸變技術，使電壓利用率近似于1。系統還采用了先進的載波移相技術，它的特點是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯后的總輸出波形失真特別小。

　　08年9月份，山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38-1800F變頻器應用于2#和3#電轉爐除塵風機進行了改造。由于我廠的每臺高壓變頻器在出廠前均經過實際風機負載滿載的整機出廠檢驗和調試，在現場的調試又可以在沒有高壓輸入的情況下調試，因此在經過約一周的施工、安裝和調試后，上電試驗和試運行進行順利，一次投運成功，高壓變頻器一直持續穩定運行。高速運行時45Hz，低速運行時20Hz。圖7為變頻調速后風機運行曲線圖。

圖7 變頻調速后風機運行曲線圖

　　運行變頻器調速后，主要優越性變現在：

1）運行穩定，安全可靠。原來使用液力偶合器大概40天左右就必須更換軸承，每次需停爐半天左右，帶來的巨大的經濟損失。

2）節能效果顯著。

下表為生產工況基本相同的條件下，隨機抽取一天工頻與變頻各個方面的數據對比：

工況	入口溫度	出口溫度	進線電流	進線有功	定子溫度	軸平均溫	節電率
工頻	10-30℃	30-65℃	120A	1347KW	90℃	60℃	37%
變頻	10-30℃	30-65℃	75A	849KW	88℃	42℃

　　與原有的工頻驅動方式相比，風機效率穩定在理想的范圍內，電動機能耗大大降低，節約電量可達37％，變頻改造后節能效果顯著。

3）電動機實現了真正的軟啟動、軟停運，變頻器提供給電機的無諧波干擾的正弦波電流，降低了電機的故障次數。同時，變頻器設置共振點跳轉頻率，避免了風機長期在共振點運行，使風機工作平穩，風機軸承磨損減少，延長了電機、風機的使用壽命和維修周期，提高了風機的利用效率。

4）變頻器自身保護功能完善，同原來繼電保護比較，保護功能更多，更靈敏，大大加強了對電機的保護。

5）變頻器同現場信號無縫接口，滿足生產的需要。變頻器內置PLC，現場信號接入靈活。變頻器按照轉爐位置自動高速、低速往復運行。

6）適應電網電壓波動能力強。

7）同液力偶合器比較，在加速期間大大減小了噪聲，削弱了噪聲污染。由于不用定期拆換軸承，減少了機油對環境的污染，使風機房的現場環境有了極大改善。

　　從現場運行情況來看，山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38-1800F高壓變頻器性能優越，運行可靠，有效地降低了生產成本。在國家大力建設資源節約型社會的今天，通過有效的節能改造，具有明顯的經濟效益和社會效益。

張文勇 男 技術支持工程師，供職于山東新風光電子科技發展有限公司。

周和平 男 高級工程師 供職于沙鋼集團宏發煉鐵廠設備動力部，長期從事鋼鐵廠電氣自動化的研究工作。