山東淄博中軒集團股份有限公司,是國內較早的生產(chǎn)黃原膠等生物制品的大型企業(yè),具有三十多年的研制、開發(fā)、生產(chǎn)的發(fā)酵經(jīng)驗,目前已具有上萬噸的生產(chǎn)規(guī)模,通過了iso9002質量體系及kosher、fcciv、usp等國際認證,形成遍布全球的銷售網(wǎng)絡,全方位的應用技術服務,發(fā)展成為全球重要的生物制品生產(chǎn)銷售基地。
但是近年來,隨著產(chǎn)銷量的不斷增加,企業(yè)的生產(chǎn)成本也在逐年攀升,特別是大型的發(fā)酵罐攪拌機械,電費居高不下,成為困擾企業(yè)發(fā)展的一大阻力?,F(xiàn)在國家普遍提倡節(jié)能降耗,隨著《中華人民共和國節(jié)能法》的頒布,改進生產(chǎn)工藝,降低生產(chǎn)成本,節(jié)能降耗勢在必行。
目前,在生產(chǎn)企業(yè)中,推廣應用變頻調速,應用電力電子技術,提高用電效率,改善生產(chǎn)工藝流程,實現(xiàn)自動控制,并進而節(jié)約資源,減少生產(chǎn)成本,降低人工及電力消耗,已成為企業(yè)發(fā)展的主流。特別是近年,隨著高壓變頻調速技術的日趨完善,高壓變頻器的應用正日益普及。因此,采用高壓變頻,對原來的工頻控制設備及新上設備進行技術改造,已成為當務之急。山東中軒集團股份有限公司的領導經(jīng)過多次反復的醞釀討論,決定對目前的黃原膠發(fā)酵罐攪拌機的第2期10臺設備進行技術改造,應用成熟的高壓變頻調速技術,淘汰掉多極電磁調速設備,取得了良好的工藝及節(jié)能效果。
經(jīng)過考察,山東新風光電子科技發(fā)展有限公司是國內較早進行變頻器研制生產(chǎn)的單位,具有十幾年的研制開發(fā)經(jīng)歷,特別是在高壓變頻器生產(chǎn)方面,具有較強的實力,2007年榮獲“中國名牌”產(chǎn)品,是中國高、低壓變頻器的國家標準起草審定的唯一企業(yè)單位。研發(fā)生產(chǎn)的高壓變頻器已在國內著名的鋼鐵、煤炭、化工、石油、制藥等眾多行業(yè)十分普遍地應用。在萊鋼、遼河油田、勝利油田、濟鋼、平陰制藥廠、內蒙煤礦等的除塵風機、凝結水泵、提升機等設備上都有批量應用,而且取得了較好的效果,因此他們決定采用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的10kv/630kw的高壓變頻器進行設備改造。
2 現(xiàn)場的設備情況 2.1設備情況
(1)電機參數(shù)
額定功率:450kw;
額定電流:29a;
額定電壓:10kv;
額定頻率:50hz;
功率因數(shù):0.89。
(2)運行參數(shù)
啟動方式:直接啟動;
工作電流區(qū)間:24~35a;
全年工作時間:7500h;
工作周期:70~72h;
電價:0.45元/kw·h。
(3)工況細節(jié)
工作周期是72h,可根據(jù)工藝要求進行調整,以皮帶傳動,在高速運行時可能會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。攪拌速度約120r/min。在每個工作周期,在頭0~48h內,為多極調速,轉速調整最大范圍為額定轉速的40%。運行頻率約為前期的30hz,24h時運行頻率為40hz,48h后運行在45hz。
2.2設計方案的確定
為滿足高壓變頻配置中的變頻器要求,本著安全第一、質量可靠的方針進行認真的分析,認為采用jd-bp38-450型高壓變頻器完全能滿足要求,制定出如下技術方案,此方案具有以下特點:
(1)優(yōu)良的調速性能,滿足負載工藝要求;
(2)良好的節(jié)能效果,提高系統(tǒng)運行效率;
(3)實現(xiàn)系統(tǒng)軟啟動,減小啟動沖擊,降低維護費用,延長設備使用壽命;
(4)系統(tǒng)安全、可靠,確保負載連續(xù)運行;
(5)控制方便、靈活,自動化水平高。
設計時,根據(jù)電機容量,選用
高壓變頻器,對攪拌機系統(tǒng)進行控制,原設計電機容量為10kv/450kw,因此選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的jd—bp38—450f高壓變頻器進行控制。為安全起見,防止在變頻器檢修或故障時耽誤生產(chǎn),系統(tǒng)還設計有工頻旁路,可以實現(xiàn)工變頻自動轉換。
2.3主要技術性能指標
額定輸入電壓:10kv(-20%~+15%);
輸入頻率:45~55hz;
輸入方式:36脈沖二極管全波整流輸入;
輸出方式:每相10單元載波移相正弦波脈寬調制輸出;
輸入功率因數(shù):大于0.96(額定負載時);
效率(含變壓器):大于96%(額定負載時);
輸出頻率:0~50hz,連續(xù)可調;
頻率分辨率:0.01hz;
過載能力:120%連續(xù),150%1min;
控制電源:雙路供電,220vac,5kva;
冷卻方式:強制風冷;
防護等級:ip20;
模擬量輸入:四路,0~5v/4~20ma,任意設定;
模擬量輸出:兩路,0~5v/4~20ma可選;
開關量輸入輸出:32入/16出(可按用戶要求擴展);
通訊接口:rs-485接口;
運行環(huán)境溫度:0~40℃;
貯存/運輸溫度:-40~70℃;
環(huán)境濕度:<90%(20℃時),不結露;
安裝海拔高度:<1000m(超過1000m時,需降額運行)。
運行參數(shù)自動記錄和輸出、自動故障記錄、限流功能、輸出電壓自動調整功能、瞬時停電自動跟蹤功能、單元旁路功能等。
2.4風光變頻器的主要優(yōu)勢特點
風光jd-bp系列高壓變頻器與國內外同類產(chǎn)品比較,在產(chǎn)品功能設計、產(chǎn)品質量保障措施、系統(tǒng)安全設計和服務方面,具有以下優(yōu)勢和特點:
(1)輸入、輸出諧波含量低,輸入功率因數(shù)高。無須濾波器和功率因數(shù)補償,可直接驅動電機;
(2)系統(tǒng)控制電源采用220vac和高壓主電源降壓隔離后雙路供電,系統(tǒng)運行更可靠、操作更簡便。可在無高壓電的情況下檢測變頻器的輸出及各點波形,便于調試、檢修及操作人員培訓;
(3)冷卻風機采用高壓主電源降壓后直接驅動,風機僅在上高壓電且變頻器開機后運行,避免了冷卻風機啟、停時對控制系統(tǒng)的影響;
(4)功率單元工作電源為外部開關電源,避免了高壓瞬時掉電時對單元的控制電源的影響,更適應于國內電網(wǎng)條件,變頻器工作電壓范圍為un+15~-20%,如6kv系列可穩(wěn)定運行于6900v電壓條件下;
(5)瞬時停電保護功能。當主電源失電后,變頻器控制電機處于發(fā)電狀態(tài)運行,為功率單元電容充電,并為其控制電源供電,直至主電源恢復,變頻器回到原運行狀態(tài)。瞬時停電時間典型值為3s(具體時間可以根據(jù)用戶的系統(tǒng)而定),超過3s變頻器則保護,檢查停電原因,以免變頻器繼續(xù)運行而引起事故;
(6)限流功能。避免啟動或負載突然變化時,使變頻器輸出電流過大而導致保護動作;
(7)操作平臺采用全中文win系統(tǒng),運行穩(wěn)定,且易學易用;
(8)結構緊湊;
(9)完善的上位機控制功能??膳cdcs系統(tǒng)實現(xiàn)通訊或i/o方式硬連接;
(10)主要器件均采用世界一流廠商的成熟產(chǎn)品,產(chǎn)品從元器件至半成品及成品,均實現(xiàn)100%的嚴格測試。各系列產(chǎn)品出廠前均完成100%72h以上負載測試記錄,確保產(chǎn)品的可靠性;
(11)在系統(tǒng)運行安全可靠性設計方面,我公司擁有獨享專利技術,即一種使電解電容延長一倍使用壽命的裝置;
(12)有較強的工程設計能力和溝通意識,能根據(jù)用戶現(xiàn)場條件和控制要求量身定做,及時滿足用戶的不同需求;
(13)功率單元模塊化設計,可以互換,維護簡單;
(14)二次接線模塊化設計,現(xiàn)場接線簡單,安裝周期短。
2.5一次回路
一次回路系統(tǒng)原理圖如圖1所示,由一次回路進線柜(旁路柜)、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現(xiàn)故障時,將電機投入到工頻電網(wǎng)運行,保證生產(chǎn)不受影響。變頻運行時,變頻器為電機提供全面的保護。
2.6手動旁路柜
系統(tǒng)旁路方案采用一拖一方案,保留原系統(tǒng)所有設備,將高壓變頻器串入高壓電機回路。系統(tǒng)變頻運行時,改變變頻器頻率的辦法改變電機的轉速。采用“星點漂移”技術,若變頻器某單元故障,變頻器自動將該單元短路,三相輸出星點漂移,保證三相輸出線電壓平衡,高壓變頻器可降頻運行;當變頻器故障單元大于2時,高壓變頻器可自動切換到工頻運行,保證系統(tǒng)工作的可靠性。
圖1中k1、k2、k3為電磁鎖,變頻運行時,k1與k2閉合,k3斷開,工頻運行時k1與k2斷開,k3閉合。二者有嚴格的機械和電氣互鎖關系,不能同時閉合,以防止工變頻同時送電,造成事故。
旁路柜必須與上級高壓斷路器dl連鎖,dl合閘時,絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關,以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象,確保操作人員和設備的安全。
合閘閉鎖:將變頻器“合閘允許”信號與旁路柜“工頻投入”信號并聯(lián)后,串聯(lián)于高壓開關合閘回路。在變頻投入狀態(tài)下,變頻器故障或不就緒時,上級高壓開關(斷路器dl)合閘不允許;旁路投入狀態(tài)時,合閘閉鎖無效。
故障分閘:將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后,并聯(lián)于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下,當變頻器出現(xiàn)故障時,分斷變頻器高壓輸入;旁路投入狀態(tài)下,變頻器故障分閘無效。
保護:保持原有對電機的保護及其整定值不變。
2.7二次回路及控制
控制系統(tǒng)由控制器,plc和人機界面組成。控制器由三塊光纖板,一塊信號板,一塊主控板和一塊電源板組成。
光纖板通過光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號,每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發(fā)出脈寬調制(pwm)信號或工作模式。單元通過光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號,并在故障時向光纖板發(fā)出故障代碼信號。
主控板采用高速單片機,完成對電機控制的所有功能,采用正弦波載波移相方式產(chǎn)生脈寬調制的三相電壓指令。通過rs-232通訊口與人機界面主控板進行交換數(shù)據(jù),提供變頻器的狀態(tài)參數(shù),并接受來自人機界面主控板的參數(shù)設置。
人機界面為用戶提供友好的全中文操作界面,負責信息處理和與外部的通訊聯(lián)系,可選上位監(jiān)控而實現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡化控制。通過主控板和plc采集的數(shù)據(jù),計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數(shù),提供記錄功能,并實現(xiàn)對電機的過載、過流進行報警和保護。通過rs-232通訊口與主控板連接,通過rs-485通訊口與plc連接,實時監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。
plc用于變頻器內部開關信號以及現(xiàn)場操作信號和狀態(tài)信號的邏輯處理,增強了變頻器現(xiàn)場應用的靈活性。plc有處理4路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力,模擬量輸入用于處理來自現(xiàn)場的流量、壓力等模擬信號或模擬設置時的設置信號;模擬輸出量是頻率給定信號。
其系統(tǒng)結構如圖2所示。由移相變壓器,功率單元和控制器組成。風光10kv高壓變頻器,變壓器有27組付邊繞組,分為9個功率單元/相,三相共27個單元,以6單元/相為例,采用36脈沖整流,輸入端的諧波成分遠低于國標規(guī)定。
2.8控制方式
風光變頻器有三種控制方式:
(1)本地控制,從變頻器操作界面控制電機的啟動和停機,并能完成變頻器的所有控制;
(2)遠程控制,通過內置plc接受來自現(xiàn)場的開關量控制;
(3)上位控制,通過rs-485接口,采用prpfibus通訊協(xié)議,接收上位dcs系統(tǒng)的控制,或與dcs硬連接。
2.9速度設置方式(或閉環(huán)運行時的給定方式)
風光變頻器有多種速度設置方式,在閉環(huán)運行時,速度設置方式即為被控量的給定方式:
(1)本地設置,通過薄膜式液晶屏設置運行頻率;
(2)模擬設置,接收dcs系統(tǒng)0~10v或4~20ma模擬信號設置運行頻率或被控量給定值;
(3)通訊設置,通過通訊方式接收來自dcs系統(tǒng)的運行頻率或被控量給定值;
(4)多檔設置,通過開關量設置多檔運行速度或被控量給定值;
(5)閉環(huán)調節(jié),由pid自動設置運行頻率。
2.10運行方式
風光變頻器有開環(huán)和閉環(huán)兩種運行方式:
(1)開環(huán)運行:變頻器以設置頻率輸出。頻率(或稱速度)的設置方式有本地設置、模擬設置、通訊設置和多檔設置;
(2)閉環(huán)運行:對一個運行參數(shù)(如流量、壓力、溫度等,簡稱被控量,此處以壓力為例)實現(xiàn)跟蹤控制。閉環(huán)運行時,實際壓力信號來自于現(xiàn)場信號,而壓力期望值有3種設置方式,分別為本地設置、模擬設置、通訊設置。
2.11對外接口
(1)模擬量輸入:2路,4~20ma或0~5vdc。4~20ma時輸入阻抗250ω,0~5vdc電壓輸入時輸入阻抗≥10mω。用于接收速度設置或被控量設置的模擬信號;
(2)模擬量輸出:2路,4~20ma或0~5vdc輸出。4~20ma輸出時最大阻抗500ω,0~5vdc電壓輸出時最小阻抗5000ω。以模擬方式輸出變頻器的運行速度、變頻器的輸出電流等變量;
(3)數(shù)字量輸入:32路,光電隔離,隔離電壓500vac。接收遠程控制信號,速度給定開關信號及各開關狀態(tài)等;
(4)數(shù)字量輸出:16路,中間繼電器隔離,隔離電壓750vac,接點容量5a。輸出變頻器狀態(tài),控制主電源開斷等;
3 原理特點 風光變頻器采用先進的功率單元串聯(lián)疊波(又稱功率單元多重化結構)方式、正弦波pwm調制方法,利用成熟的低壓變頻器技術和功率器件igbt,從原理上保證了系統(tǒng)的可靠性,并使變頻器的輸入輸出波形得到極大改善,在美國該方式變頻器號稱完美無諧波。
功率單元和控制系統(tǒng)之間采用光纖通訊,實現(xiàn)強、弱電間的完全電氣隔離,提高了整個系統(tǒng)的抗干擾能力。
4 單元旁路及冗余設計 為了最大限度滿足試驗連續(xù)運行的要求,本系統(tǒng)提供兩種旁路運行方式:單元旁路和工頻旁路。
4.1單元旁路
運行過程中,若某個功率單元發(fā)生可旁路性故障(如單元過熱、單元過流、igbt故障等),系統(tǒng)將自動旁路掉故障單元及另外兩相相同位置的單元。單元旁路后,因每相串聯(lián)單元數(shù)減少,變頻器將降容運行(輸出額定電流不變,額定電壓降低)。此時,變頻器運行頻率較低,單元旁路不對變頻器運行造成任何影響。
功率單元采用晶閘管作為旁路器件,整個旁路過程是微秒級的,不會對變頻器的運行產(chǎn)生沖擊。因此,旁路是無擾動的。
變頻器單元旁路運行時,將給出輕故障報警信號。在條件允許的情況下,用戶應盡快使變頻器退出運行,更換故障單元。
4.2工頻旁路
當變頻器發(fā)生重故障無法繼續(xù)運行時,變頻器將立即分斷高壓輸入,系統(tǒng)自動將電機投入工頻運行,以確保生產(chǎn)的連續(xù)性。
從上述幾點可以看到,首先風光變頻器是穩(wěn)定可靠的,其次,即便變頻器出現(xiàn)故障,仍可以通過相應手段保證電機繼續(xù)運行,不會對生產(chǎn)造成影響。
5改造后的應用效果(1)變頻改造后,對同一臺電機,在同樣的工況下,節(jié)能率達到25%,年節(jié)電收益可達15~16萬元;
(2)變頻器本身具有軟啟動、軟停機功能,可減少啟動時對電網(wǎng)及負載的沖擊,延長了電機及攪拌機的使用壽命,有利于保護電網(wǎng)及機械部分;
(3)變頻器可提高功率因數(shù),達到0.95以上,可省去原來的功率因數(shù)補償電容,節(jié)約了投資,減少了無功損失;
(4)變頻器是無級平滑的進行調速,減少了原來的多級調速帶來的不便,并節(jié)約了電能;
(5)變頻器具有過壓、欠壓、短路、過流、溫升過高等多種保護功能,有利于保護電機及負載;
(6)通過變頻改造精簡了控制程序,使系統(tǒng)更安全、可靠,確保負載連續(xù)運行,使操作更加方便,提高了生產(chǎn)效率,其綜合效益是十分明顯的。
6結束語通過高壓變頻器在山東中軒集團發(fā)酵罐攪拌機上的應用,說明了變頻器在改善生產(chǎn)工藝,提高生產(chǎn)效率,節(jié)能減排降耗方面有著很好的應用效果,國家正在大力推廣企業(yè)節(jié)能減排活動,相信變頻器在這方面是會有所作為的,變頻器的應用場合必將取得更大的拓展,發(fā)揮更大的作用,為我們國家和眾多的企業(yè)做出貢獻。