摘 要：本文介紹了風(fēng)光牌高壓變頻器在沙鋼集團(tuán)鋼鐵廠除塵風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用情況。應(yīng)用結(jié)果表明，采用國產(chǎn)高壓變頻器對(duì)鋼廠的除塵風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)速節(jié)能改造，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器  除塵風(fēng)機(jī)  應(yīng)用

1、引言
      沙鋼集團(tuán)是目前國內(nèi)最大的電爐鋼和優(yōu)特鋼生產(chǎn)基地、江蘇省重點(diǎn)企業(yè)集團(tuán)、國家特大型工業(yè)企業(yè)，全國最大的民營鋼鐵企業(yè)?，F(xiàn)擁有總資產(chǎn)1000多億元，職工26700余名，主要工藝裝備均達(dá)國際先進(jìn)水平，形成了年產(chǎn)鐵2230萬噸、鋼2720萬噸、材2390萬噸，其中不銹鋼板100萬噸的生產(chǎn)能力。

圖1 沙鋼集團(tuán)廠區(qū)

      為了降低對(duì)周邊環(huán)境的污染，沙鋼瞄準(zhǔn)國際國內(nèi)先進(jìn)水平，大力推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，先后淘汰了兩座5噸小電爐和6條小軋鋼生產(chǎn)線，同時(shí)，引進(jìn)先進(jìn)環(huán)保治理工藝技術(shù)和裝備，加大環(huán)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(huán)保設(shè)施。在電爐煉鋼方面，采用布袋低壓脈沖除塵技術(shù)、噴霧除塵技術(shù)、變頻調(diào)速控制除塵風(fēng)機(jī)技術(shù)。
      該煉鋼廠原有15t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐4座，轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，爐口會(huì)排出大量棕紅色的煙氣，煙氣溫度高，含有易燃?xì)怏w和金屬顆粒，按照我國1996年頒布的《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB16297一1996），對(duì)煙氣必須冷卻、凈化，由引風(fēng)機(jī)將其排至煙囪放散或輸送到煤氣回收系統(tǒng)中備用。因此，每座轉(zhuǎn)爐需配有一套除塵系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)采用二級(jí)文氏管煙塵凈化方式，風(fēng)機(jī)型號(hào)AI850，電機(jī)功率1800KW/10KV。由于轉(zhuǎn)爐周期性間斷吹氧，為滿足節(jié)能和環(huán)保要求,要求風(fēng)機(jī)在整個(gè)煉鋼工作周期內(nèi)變速運(yùn)行，吹氧時(shí)高速運(yùn)行，不吹氧時(shí)低速運(yùn)行。2002年，煉鋼廠對(duì)其中2#和3#轉(zhuǎn)爐進(jìn)行擴(kuò)容改造，將風(fēng)機(jī)移至地面，采用液力偶合器調(diào)速，高速2700r/min（設(shè)計(jì)2900r/min），低速1200r/min。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)液力偶合器技術(shù)存在著局限性，主要表現(xiàn)在：
1）電動(dòng)機(jī)的效率低，損耗大，尤其低速運(yùn)行時(shí)，效率極低；
2）調(diào)節(jié)精度低、線性度差，響應(yīng)慢；
3）啟動(dòng)電流仍比較大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定；
4）液力偶合器故障時(shí)，無法切換至工頻旁路運(yùn)行，必須停機(jī)檢修；
5）漏油嚴(yán)重，對(duì)環(huán)境污染大，地面被油污蝕嚴(yán)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(duì)2#和3#轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，改用高壓變頻器為轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。


2、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)轉(zhuǎn)爐又周期性間斷吹氧；所以，和除塵風(fēng)機(jī)配套的高壓調(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）要求變頻器要有高可靠性，長期運(yùn)行無故障。
2）要求變頻器有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可使電機(jī)切換到工頻運(yùn)行。                      
3）調(diào)速范圍要大，效率要高。
4）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)不喘震。
　　經(jīng)過多方調(diào)研、比較，最后決定采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1800F型高壓變頻器，通過雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了2#和3#轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)的變頻改造方案，改造方案如下：      
2.1 設(shè)備配置

  
圖2 一次主回路圖

QF：變頻器輸入側(cè)的高壓開關(guān)柜
KM1、KM2、KM3、KM4：高壓變頻器內(nèi)置真空接觸器
QS1、QS2：高壓變頻器內(nèi)高壓隔離開關(guān)
M：1800KW/10KV三相異步電動(dòng)機(jī)
      變頻器配備了自動(dòng)旁路柜，通過KM3、KM4的控制，可自動(dòng)（或手動(dòng)）在變頻狀態(tài)和工頻狀態(tài)之間切換。變頻狀態(tài)下, KM3閉合，KM4斷開，變頻器控制電機(jī)；工頻狀態(tài)下，KM3斷開，KM4閉合，在切換至工頻帶動(dòng)電機(jī)。變頻器可以在重故障時(shí)自動(dòng)切換工頻運(yùn)行，這樣既保證了變頻器正常運(yùn)行，又避免了直接啟動(dòng)電機(jī)大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，保證風(fēng)機(jī)連續(xù)不間斷供風(fēng)。并要求可以遠(yuǎn)程和本機(jī)控制。山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器調(diào)速有五種方式：就地旋鈕、觸摸屏、遠(yuǎn)程、上位機(jī)及多段速調(diào)節(jié)，方便用戶選擇。該鋼鐵廠采用多段速方式調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程控制時(shí)，自動(dòng)檢測轉(zhuǎn)爐位置，使變頻器在倒鐵水時(shí)高速運(yùn)行，其他時(shí)間低速運(yùn)行。
2.2 電機(jī)、風(fēng)機(jī)參數(shù)及變頻器技術(shù)指標(biāo)
1）電機(jī)參數(shù)　

2）風(fēng)機(jī)參數(shù)

3）JD-BP38系列變頻器技術(shù)指標(biāo)
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(shí)間：　　　可按工藝要求設(shè)定
減速時(shí)問：　　　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：自動(dòng)檢測，自動(dòng)定位
網(wǎng)側(cè)功率因素：　0.95（高速時(shí)）
過載保護(hù)：　　　150%（每10分鐘允許l分鐘）、180%立即保護(hù)
防護(hù)等級(jí)：　　　IP21
環(huán)境濕度：　　　90%,無凝結(jié)

3、JD-BP38系列高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)
3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(gè)功率單元，每10個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，圖3中給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示例。

圖3 高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2功率單元電路

圖4 功率單元主電路圖

      每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其主電路結(jié)構(gòu)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(lián)的二極管構(gòu)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(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制實(shí)現(xiàn)雙向逆變。
　　功率單元輸出波形：

圖5  單個(gè)功率單元輸出波形

3.3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)測輸入電流總諧波成分小于3%,低于國家標(biāo)準(zhǔn)。
3.4輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

圖6  10個(gè)單元輸出波形疊加圖

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，通過對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)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(duì)電纜和電機(jī)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(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。
3.5控制器
　　控制器核心由高速32位數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，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。人機(jī)界面提供友好的全中文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。內(nèi)置PLC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)場各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
　　數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）相對(duì)于模擬信號(hào)處理有很大的優(yōu)越性，表現(xiàn)在精度高、靈活性大、可靠性好、易于集成、易于存儲(chǔ)等方面。傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理技術(shù)正由全新的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（DSP）所代替。DSP是面向高速重復(fù)性數(shù)值運(yùn)算密集型的實(shí)時(shí)處理。高性能DSP不僅處理速度快，而且可以無間斷的完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸入與輸出。DSP結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，普遍采用匯編編程，其處理完成時(shí)間的可預(yù)測性要比結(jié)構(gòu)和指令復(fù)雜、依賴于編譯系統(tǒng)的普通微處理器強(qiáng)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(gè)指令周期，因此在相同的指令周期和片內(nèi)指令緩沖條件下，是普通微處理器運(yùn)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(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個(gè)功率單元的控制電源采用一個(gè)獨(dú)立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓(xùn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
3.6 控制電源
　　控制器有一套獨(dú)立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設(shè)備各點(diǎn)的波形與加高壓情況基本相似，給整機(jī)可靠性、調(diào)試、培訓(xùn)帶來了很大方便。
　　系統(tǒng)采用三次諧波補(bǔ)償技術(shù)提高了電源電壓利用率，利用了調(diào)制信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)，使電壓利用率近似于1。系統(tǒng)還采用了先進(jìn)的載波移相技術(shù)，它的特點(diǎn)是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。


4、設(shè)備運(yùn)行情況及其他效益
　　08年9月份，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1800F變頻器應(yīng)用于2#和3#電轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行了改造。由于我廠的每臺(tái)高壓變頻器在出廠前均經(jīng)過實(shí)際風(fēng)機(jī)負(fù)載滿載的整機(jī)出廠檢驗(yàn)和調(diào)試，在現(xiàn)場的調(diào)試又可以在沒有高壓輸入的情況下調(diào)試，因此在經(jīng)過約一周的施工、安裝和調(diào)試后，上電試驗(yàn)和試運(yùn)行進(jìn)行順利，一次投運(yùn)成功，高壓變頻器一直持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。高速運(yùn)行時(shí)45Hz，低速運(yùn)行時(shí)20Hz。圖7為變頻調(diào)速后風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線圖。

圖7 變頻調(diào)速后風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線圖

運(yùn)行變頻器調(diào)速后，主要優(yōu)越性變現(xiàn)在：
1）運(yùn)行穩(wěn)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(jīng)濟(jì)損失。
2）節(jié)能效果顯著。
下表為生產(chǎn)工況基本相同的條件下，隨機(jī)抽取一天工頻與變頻各個(gè)方面的數(shù)據(jù)對(duì)比：

      與原有的工頻驅(qū)動(dòng)方式相比，風(fēng)機(jī)效率穩(wěn)定在理想的范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)能耗大大降低，節(jié)約電量可達(dá)37％，變頻改造后節(jié)能效果顯著。
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)的利用效率。
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)場信號(hào)接入靈活。變頻器按照轉(zhuǎn)爐位置自動(dòng)高速、低速往復(fù)運(yùn)行。
6）適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)。
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(jī)油對(duì)環(huán)境的污染，使風(fēng)機(jī)房的現(xiàn)場環(huán)境有了極大改善。


5、結(jié)束語
　　從現(xiàn)場運(yùn)行情況來看，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1800F高壓變頻器性能優(yōu)越，運(yùn)行可靠，有效地降低了生產(chǎn)成本。在國家大力建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的今天，通過有效的節(jié)能改造，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。


作者簡介：
張文勇 男 技術(shù)支持工程師，供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司。
周和平 男 高級(jí)工程師 供職于沙鋼集團(tuán)宏發(fā)煉鐵廠設(shè)備動(dòng)力部，長期從事鋼鐵廠電氣自動(dòng)化的研究工作。