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【摘  要】：本文介紹了高壓變頻器在鋼鐵行業(yè)除塵風機上的應用情況，介紹了除塵風機變頻調(diào)速的運行工藝及變頻改造后的節(jié)能效果及工藝改善情況。

【關鍵詞】：高壓變頻器、變頻調(diào)速、節(jié)能、除塵風機

1、概述
     鋼廠的冶煉過程耗電較大，耗電在煉鋼成本中是不可忽視的一部分，河北某鋼鐵有限公司系中外合資企業(yè)，于1993年成立，1994年10月正式投產(chǎn)，總資產(chǎn)11億元。有中型軋鋼生產(chǎn)線四條(800#軋機生產(chǎn)線一條, 650#軋機生產(chǎn)線一條和500#軋機生產(chǎn)線兩條),年生產(chǎn)能力70萬噸。 公司堅持面向未來，以可持續(xù)發(fā)展為主題，以實施產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，構筑新的競爭優(yōu)勢為目標，實現(xiàn)工藝升級、產(chǎn)品更新，全面提高公司的運營水平與核心競爭力，走新型工業(yè)化道路，打造行業(yè)和產(chǎn)品優(yōu)勢，加快用高新技術改造鋼鐵業(yè)的步伐，建設高科技的鋼鐵企業(yè)。公司響應國家的節(jié)能減排的政策方針，配置有三套除塵系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，邀請我公司（深圳市英威騰電氣股份有限公司）技術人員到廠內(nèi)的對#3除塵系統(tǒng)的除塵風機進行分析，對節(jié)能方面做評估。根據(jù)現(xiàn)場的運行數(shù)據(jù)及實際工藝的要求，我公司技術人員對其進行全面分析，有較大的節(jié)能空間。

2、設備參數(shù)及工藝要求

鋼廠整個系統(tǒng)共有3套除塵系統(tǒng)，#3除塵系統(tǒng)容量比較大，在生產(chǎn)過程中是主要的除塵設備，其電機及風機的參數(shù)如下表所示：

正常情況下，該鍋爐每55分鐘為一個生產(chǎn)周期，生產(chǎn)過程的不同階段，電爐產(chǎn)生的煙氣量不同，因此需要調(diào)節(jié)除塵風機的風量。按照正常的生產(chǎn)過程，為滿足生產(chǎn)工藝的要求，除塵系統(tǒng)的除塵量可以按如圖一所示調(diào)節(jié)。一個周期可分為4個階段：1、加料A～B，9分鐘；2、供電供氧高速C～D，15分鐘， 3、供電供氧中速E～F，25分鐘；4、出爐低速G～H，6分鐘。

圖一  除塵量的工藝圖

除塵系統(tǒng)的監(jiān)控采用工控機控制，工控機與變頻器通過硬接線的方式連接。操作室內(nèi)的工控機可以實現(xiàn)對變頻器的啟動、停機、復位和高壓分斷等控制，調(diào)節(jié)變頻器給定頻率，并實時監(jiān)視變頻器的運行工況。變頻器輸出頻率和輸出電流，以4-20mA方式反饋到DCS系統(tǒng)。

3、設備選型及系統(tǒng)方案

我公司技術人員根據(jù)現(xiàn)場設備的參數(shù)及工藝要求，結合我公司的CHH100系列高壓變頻器在其它工程地應用情況，我公司為其配置了一臺10KV/2500KW的CHH100系列的高壓變頻器，變頻器主要技術參數(shù)如下表：

根據(jù)現(xiàn)場的運行工藝要求，考慮到變頻器退出運行后，為了不影響生產(chǎn)，確保除塵系統(tǒng)正常工作，我公司為系統(tǒng)配置工頻旁路，保留了以前的工頻啟動的軟啟動裝置，同時按照以往的保護定值進行整定，當變頻器出現(xiàn)異常時，將電機投切到工頻下運行。整個調(diào)速系統(tǒng)的一次回路圖如下所示：

圖二  變頻系統(tǒng)一次回路圖

變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶開關、軟啟動器、手動旁路柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機組成。手動旁路柜是由三個高壓隔離開關QS1、QS2、QS3組成。電機以變頻方式運行時， QS2、QS3閉合，QS1斷開；電機以工頻方式運行時，QS1閉合， QS2、QS3斷開。手動旁路柜嚴格按照“五防”聯(lián)鎖要求設計，變頻輸出開關QS3和工頻開關QS1互鎖，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運行。

旁路柜與上級高壓開關QF連鎖，旁路柜隔離開關未合到位時，不允許高壓開關合閘，QF合閘時，絕對不允許操作高壓隔離開關，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設備的安全。

CHH100系列高壓變頻器的接口比較靈活，有多種控制方式，有modbus通訊接口方式,也有硬接線控制方式，根據(jù)該工程的系統(tǒng)控制接口形式，選擇了硬接線的方式進行遠程控制。變頻器及現(xiàn)場的除塵風機如下圖所示。

4、變頻器工作原理

CHH100系列高壓變頻器一體化設計，系統(tǒng)屬于高—高結構方式，變頻裝置逆變主電路拓撲采用單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器，由變壓器柜、功率柜、控制柜、自動旁路柜四個部分組成，通過將多個低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出，可以直接配套異步鼠籠電機。CHH100系列高壓大功率變頻器的原理結構如圖三所示。電網(wǎng)送來的三相10KV交流電，經(jīng)移相變壓器，由其副邊每相的9個二次線圈電壓逐個移相6.5°，供電給9個功率單元，三相共27個功率單元，形成Y聯(lián)結結構。變頻器控制部分采用DSP處理器對調(diào)制波形進行空間向量的優(yōu)化處理，控制IGBT的通斷，即可在單元輸出兩點之間得到PWM波形，9個功率單元相疊加進行波形合成，可輸出高壓正弦波給感應電動機，因而形成近似正弦波大大降低了輸出諧波含量，不需輸出升壓變壓器和濾波裝置，可直接驅(qū)動普通高壓電機，而不會增加電機升溫而降低電機容量。因此，無需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對電機沒有特殊要求，可以使用普通異步電機，電機不必降額使用；具有軟啟動功能，沒有電機啟動沖擊引起的電網(wǎng)電壓下跌，可確保電機安全、長期運行在20-100%的帶載調(diào)速范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)的不加任何功率因數(shù)補償?shù)那闆r下輸入端功率因數(shù)能達到0.95以上。輸入電流諧波畸變<4%,輸出電流諧波畸變<2%

圖三  CHH100系列變頻系統(tǒng)圖

5、變頻器功能特點

1） 變頻調(diào)速系統(tǒng)的啟停方式

啟動方式：

（1) 直接啟動；

（2) 先直流制動再啟動(對于風機類可能由負載帶動反轉(zhuǎn)場合，可以先通過直流制動把電機剎住車再啟動，從而避免啟動時產(chǎn)生巨大的沖擊電流)；

（3) 轉(zhuǎn)速追蹤啟動。變頻調(diào)速系統(tǒng)首先追蹤電機的當前轉(zhuǎn)速，然后在當前電機的轉(zhuǎn)速的基礎上直接啟動。

停車方式：

（1) 減速停車(控制電機速度按照減速曲線減小，到零頻后停車)

（2) 自由停車(直接封脈沖，電機按照自己的慣性停車)

2） 頻率設定方式

（1) LED 鍵盤給定

（2) 通訊給定(觸摸屏采用這種方案)

（3) 模擬信號輸入給定

（4) 高速脈沖給定

（5) PID控制調(diào)節(jié)給定：通過PID給定與反饋的比較，自動調(diào)節(jié)頻率，在恒壓供水系統(tǒng)上應用尤其方便。

（6) 多段速給定：變頻調(diào)速系統(tǒng)可以設置多個頻率段，以及加減速時間，由端子靈活的選擇在這些頻率段時間切換。

（7) 同時為了運行頻率控制更加靈活，CHH系列變頻器支持兩個頻率源，實際運行頻率可以取這兩個頻率源的任意一個，或者對兩個頻率源進行和、差，以及最大值的組合。

（8) 用戶除了使用頻率源控制頻率以外，還可以通過up/down按鍵或者數(shù)字量端子靈活的對運行頻率進行增加、減小的微調(diào)。

3） 電壓自動調(diào)解功能。

由于我方提供的高壓變頻器有一級功率模塊的富裕量，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以根據(jù)母線電壓的波動自動調(diào)節(jié)輸出PWM信號的占空比，從而減輕電網(wǎng)電壓波動對于輸出電壓波動的影響。在母線電壓波動情況和功率模塊旁路的情況可以自動調(diào)解輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定。

4） V/F曲線選擇方式

有些負載(比如風機、水泵)都不是恒轉(zhuǎn)矩負載(風機水泵的轉(zhuǎn)矩與速度的二次方成正比)。為了適應這種變轉(zhuǎn)矩的負載特性，CHH系列高壓調(diào)速系統(tǒng)提供了多點V/F曲線，1.3次冪、1.7次冪、2.0次冪V/F曲線可供選擇。并且在可以在V/F的啟動低頻段進行電壓提升，滿足現(xiàn)場實際的調(diào)速需求。

5） 可編程用戶端子

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)提供豐富的端子功能給用戶，這些端子都是可通過功能碼進行設定，不需要更改系統(tǒng)的程序，便于現(xiàn)場調(diào)試,從而保證系統(tǒng)有靈活的可擴展性,完全能夠滿足DCS控制的要求。

6） 豐富的實時監(jiān)控功能

系統(tǒng)參數(shù)：運行頻率、給定頻率、母線電壓、輸出電壓、輸出電流、運行速度、輸出轉(zhuǎn)矩、PID給定、PID反饋、端子狀態(tài)、摸擬量的值以及時間。

模塊參數(shù)：模塊電壓、模塊的溫度。

用戶可以通過功能碼選擇所需要顯示的監(jiān)控對象。也可以通過觸摸屏查看相關的參數(shù)，變頻器有異常時，不但可以查看故障類型及處理方式，還可以查看故障時的變頻器運行狀態(tài)，便于快速排除故障。

7）  多段速控制功能

針對有頻繁變速要求系統(tǒng)，高壓調(diào)速系統(tǒng)可以提供多段速度調(diào)制模式。用戶可以通過端子靈活的選擇當前的運行速度段。

8）  Modbus通訊功能

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)提供對外的modbus通訊接口。用戶可以使用自己的系統(tǒng)通過modbus協(xié)議對變頻器進行控制，設置。

6、節(jié)能效果  

變頻器3月2日安裝完畢。根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)要求，變頻器于4月14日調(diào)試完畢，于4月15日對除塵風機變頻運行方式和工頻方式進行測試，4月15日除塵風機以變頻方式投入運行。在調(diào)試和試運行期間，測試的幾個關鍵的運行數(shù)據(jù)如下：

按照以上的測試數(shù)據(jù)，對除塵風機工頻運行和變頻運行消耗的電能計算如下：

根據(jù)實際運行的時間，高速運行15分鐘左右，中速運行有25分鐘左右，低速運行有15分鐘左右，所以綜合節(jié)電率為：

                370.71×15+585.90×25+260.07×15

系統(tǒng)節(jié)電率 =                                                     ×100%

                      765.41×15+1522.05×25+1980.63×15

             =30.42%

系統(tǒng)節(jié)電功率為:438.35KW

一天節(jié)電量：438.35×24 = 10520.57 度/天
按電價0.35元/度計算，一天節(jié)約電費：10520.57 × 0.35 = 3682.19元/天

7、 變頻調(diào)速優(yōu)點  

變頻器改造后，對整個控制工藝有較大改善，對生產(chǎn)成本也有一定的降低，綜合考慮，變頻改造具有以下幾方面的優(yōu)點：

1) 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高：原電機直接由工頻驅(qū)動時，滿載時功率因數(shù)為0.84左右。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，電源側(cè)的功率因數(shù)可提高到0.95以上，無需無功補償裝置就能大大的減少無功功率，滿足電網(wǎng)要求，可進一步節(jié)約上游設備運行費用。

2)   設備運行與維護費用下降：采用變頻調(diào)節(jié)后，可以根據(jù)現(xiàn)場的實際除塵風量進行調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，由于通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)節(jié)能，在負荷率較低時，電機、風機轉(zhuǎn)速也降低，主設備及相應輔助設備磨損較前減輕，維護周期可加長，設備運行壽命延長；并且變頻改造后擋板開度可達100％，運行中不承受壓力，可顯著減少擋板的維護量。變頻器運行中，只需定期對變頻器除塵，不用停機，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。

3) 用變頻調(diào)速裝置后，可對電機實現(xiàn)軟啟動，啟動時電流不超過電機額定電流的1.2倍，對電網(wǎng)無任何沖擊，電機使用壽命延長。在整個運行范圍內(nèi)，電機可保證運行平穩(wěn)，損耗減小。風機啟動時的噪音和啟動電流非常小，無任何異常振動和噪音。

4)   與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升等多項保護功能，更完善地保護了電網(wǎng)和電機。

5)   操作簡單、靈活，運行方便，可通過計算機遠程給定等參數(shù)，變頻調(diào)速系統(tǒng)將會始終保持在0.01～0.1HZ頻率調(diào)整精度范圍內(nèi)工作，為實現(xiàn)除塵系統(tǒng)的自動化創(chuàng)造優(yōu)越條實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。

6)   適應電網(wǎng)電壓波動能力強，電壓工作范圍寬，電網(wǎng)電壓在-10%～+10%之間波動時，系統(tǒng)均可正常運行。

7)   變頻改造后，系統(tǒng)節(jié)能效果比較顯著，可提高系統(tǒng)運行效率，降低了公司的生產(chǎn)成本，提高了公司在市場上的競爭力。

 參考文獻：

【2】CHH100系列高壓變頻器說明書，深圳市英威騰，2007；

 
【1】胡先  主編  高爐爐前操作技術  冶金工業(yè)出版社，2006；