高压变频器在高炉除尘风机中的应用
The Application of High Voltage Inverter to Remove-Dust Fans in the Blast Fumance System
山东新风光电子科技发展有限公司 赵树国 郭培彬
通化钢铁集团有限责任公司炼铁厂 李洪远
Zhao Shuguo Guo Peibin Li Hongyuan
摘 要：本文着重介绍了国产多电平高压变频器在通化钢铁集团炼铁厂的应用情况。变频器现场运行情况表明，冶金行业采用国产高压变频器对高炉除尘风机进行调速节能，改造是成功的，节能效果是明显的。
关键词： 多电平 高压变频器 节能
Abstract: The paper introduces the application of multi-level high voltage inverter in Tonghua Steel Factory. The running result indicates that the adoption of high voltage inverter to Remove-Dust is successful and the effect of saving energy is distinct.
Key words: Multi-level High voltage inverter Saving energy
1.引言
通化钢铁集团有限责任公司是吉林省省属最大的国有工业企业和唯一的大型钢铁联合企业集团。随着世贸组织的加入和市场竞争的加剧，为提高产品市场占有率、竞争力，通化钢铁集团深化改革，加快一批项目建设，其中6#高炉为新建项目之一。6#高炉为750m3高炉，6#高炉吸取了以前旧高炉经验的基础上，在建设中采用了大量先进的生产工艺。高炉除尘风机的变频控制就是先进工艺的典型应用。以前旧高炉除尘风机一般工频运行或液力偶合器控制。若电机采用工频运行，通过调节风门的出口挡板调节风量来满足生产工艺要求，大量电能白白浪费在阀门上;若采用液力偶合器调速，则存在以下缺点：
(1)调速范围窄，转速不稳定。
(2)电机的效率低，损耗大。
(3)液力偶合器经常出现故障，不能满足连续生产的需要。
(4)调节精度低，响应慢。
鉴于存在以上诸多问题，因此，通钢集团炼铁厂6#高炉除尘风机改用变频调速控制。
2.对高压变频器的技术要求
众所周知，高炉在生产过程中，产生大量的烟囱，污染环境，根据国家法规，需要除尘处理。除尘风机是除尘系统的关键设备，一旦除尘风机不能正常工作，不但耽误生产，影响产量，还有可能对现场值班人员人身安全造成威胁，因此，和除尘风机配套的高压变频器，要求具有极高的可靠性。对高压变频器的主要要求如下：
(1)要求可靠性高
(2)要求有完善的数字控制功能
(3)技术指标要求高
(4)要求适应恶劣的使用环境
(5)要求标准的数字通信接口
(6)调速范围大，效率要高
(7)要求满足高炉生产工艺调速要求
经过多方考察，比较性价比，决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38型高压变频器，通过双方技术人员的合作，共同制定了6#高炉除尘风机的变频控制方案。
⒊现场除尘风机设备简介
3.1电机及风机参数
1)电机参数
型号 Y560-3-8
额定功率 800KW
额定电压 10KV
额定频率 50HZ
额定电流 59.5A
额定功率因数 0.82
额定转速 745rpm
2)风机参数
型号 Y4-73
额定流量 393797m3/h
额定转速 730rpm
轴功率 800KW
3.2除尘风机工艺要求
高炉生产为周期性间断出铁,高炉在出铁时,产生大量棕红色烟尘,此时要求风机变频高速运行；在不出铁时,只需要很低的转速。利用变频器根据高炉实际需要对除尘风机进行变频调速控制,既保证和改善了工艺,又达到了节能降耗的目的。
通钢6#高炉一个出铁工艺高速时间约40min,每天出铁15炉。出铁时,变频器高速运行,高速定为45HZ(可调)；不出铁时,变频器低速运行,低速定为20HZ(可调)。
4.高压变频器系统介绍
通钢集团有限公司炼铁厂最终选定我公司生产的风光牌JD-BP38-800F功率单元多电平串联高压大功率变频器,对6#高炉除尘风机进行调速控制。
4.1风光牌JD-BP38-800F高压变频器主要性能指标
变频器功率 800KW
额定输出电流 69A
输入频率 50HZ±5HZ
额定输入电压 10KV
允许电压波动 ±20%
输入功率因数 ≥0.98
输出频率范围 0~50HZ
输出电压范围 0~10KV
变频器效率 ≥96%
过载能力 100%连续 160%连续1min 220%允许1.5S
4.2 JD-BP38-800F高压变频器主要技术性能
4.2.1 高——高电压源型变频器，直接10KV输入，直接10KV输出，无须任何输出变压器或滤波器，适配于普通高压电动机，对电机、电缆绝缘无损害。
4.2.2 输入功率因数高，电流谐波小，无须功率因数补偿、谐波抑制装置。
4.2.3 单元电路模块化设计，维护简单，互换性好。
4.2.4 输出阶梯正弦PWM波形。
4.2.5 高压主回路与控制器之间为光纤连接，强弱电隔离，安全可靠。
4.2.6 完善的故障检测，精确的故障保护及准确的定位显示和报警。
4.2.7 内置PLC，易于改变控制逻辑关系，可灵活选择现场控制/远程控制，适应现场多变需求。
4.2.8 采用载波移相控制技术，大大抑制了输出电压的谐波成分，保证输出波形是完美正弦波。
4.2.9 控制电源与高压电相互独立，无高压可以检测变频器输出，便于现场调试以及培训操作人员，便于维护。
4.2.10 采用准优化SPWM调制技术，电压利用率高。
4.2.11 功率单元经24小时高温老化、150％负载试验，可靠性高。
4.2.12 中文Windows 操作界面，彩色液晶触摸屏操作。用户操作监控系统界面十分友好和完善，系统包括上位机（商用PC机）、下位机（工控机）、单片机。其中单片机给用户提供一个4位LED数码显示屏和一个12键的小键盘操作平台，可对变频器进行全部操作，包括参数设置和各种运行指令。工控机用触摸屏和通用键盘给用户提供操作平台，其功能更齐全，包括参数设定、功能设定、运行操作、运行数据打印、故障查询等等。上位机（商用PC机）放在总控室，可对多台变频器进行遥测、遥控。若只有一台变频器，上位机可省，或让客户自定。
4.2.13 可接收和输出多路工业标准信号。
4.2.14 可打印输出运行报表。
4.3高压变频系统介绍
风光牌JD-BP38型高压变频系统采用直接“高-高”变换方式，属电压源型，采用功率单元多电平串联方式，以最新型西门子IGBT为主控器件，全数字化控制，彩色液晶触摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标的优质变频调速器。
4.3.1JD-BP38型高压变频调速系统
其系统结构如图1示。由移相变压器，功率单元和控制器组成。风光10KV高压变频器，变压器有30组付边绕组，分为10个功率单元/相，三相共30个单元，采用36脉冲整流，输入端的谐波成分远低于国标规定。
图1 高压变频调速系统的结构图
4.3.2功率单元电路
每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构如图2示，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为六支二极管实现三相全波整流，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制。每个功率单元完全一样，可以互换，这不但调试、维修方便，而且备份也十分经济。假如一单元发生故障，该单元的输出端能自动通过可控硅旁路而整机可以暂时降额工作，直到缓慢停止运行。
图2 单元电路主电路图
4.3.3输入侧结构
输入侧由移相变压器给每个单元供电，每个功率单元都承受电机电流、1/10的相电压、1/30的输出功率。30个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。
本机中移相变压器的副边绕组分为三组，构成36脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1，输入电流谐波成分低。实测输入电流总谐波成分小于5%。
4.3.4输出侧结构
输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图3所示的阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。
图3变频器输出的相电压阶梯PWM波形图
4.3.5控制器
控制器核心由高速32位DSP芯片和工控PC机协同运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。
5.变频控制方案
变频器控制6#高炉除尘风机为一拖一控制，旁路开关柜用于工/变频切换。K1，K2和K3为三个高压隔离开关，要求K2和K3不能同时闭合，在机械上实现互锁。K1和K2闭合，K3断开，风机变频运行；K3闭合，K1和K2断开，风机工频运行。控制方案接线如图4示。
图4控制方案接线图
K0 用户原高压开关
K1、K2和K3 高压隔离开关
BPQ JD-BP38-800F高压变频器
M 高压电动机
6.变频器运行情况
2004年10月，通化钢铁集团有限公司炼铁厂和我公司签定了一台高压变频器,型号为JD-BP38-800F。2004年12月16日，高压变频器开始安装就位；2004年12月20日，调试完毕；2004年12月25日，正式投入运行。整个变频器安装调试周期都很短,为6#750高炉顺利投产提供了有利的保证。
高压变频器控制除尘风机,与原旧高炉除尘风机比较,主要有以下优点:
(1)运行稳定,安全可靠。
从变频器顺利投运近八个月以来,对变频器输入变压器温升、功率单元温升、输出电压、输出电流等各项参数定期巡检，完全正常。变频器运行一直十分稳定，为6#高炉安全可靠生产提供了强有力的保证。对于用户来说,只需定期对变频器除尘,不用停机,保证了高炉生产的连续性。
(2)电机及机组运行平稳,各项指标满足工艺要求。
在整个运行范围内,电机始终运行平稳,温升正常。风机启动时的噪音和启动电流非常小,无任何异常振动和噪音。在调速范围内,轴瓦最高温升允许65℃,实测10℃。
(3)变频器的三相输出波形完美,非常接近于标准正弦波。
经过现场测试,变频器的三相输出电压波形、电流波形非常标准,说明变频器完全可以控制一般的普通电动机运行,对电机无任何特殊要求。
(4)运行工况改善,工人劳动强度降低。
随着高炉生产除尘的需要,调节风机的转速,进而调节风机风量,满足高炉生产工艺的需要,工作强度大大降低。
(5)减少了维护工作量和维护费用。
原旧高炉除尘风机在运行过程中,经常造成风机和电机的损坏,维护工作量大,检修费用高,采用变频技术调速后,减少了机械磨损,保证了风机的正常运行。
(6)调速范围宽，调速精度高。
除尘风机的风量经常需要根据工艺的需要变化，在过去挡板或液力偶合器调节时，出现执行机构的开度与流量的非线形问题，致使调节失误，采用变频拖动风机可以在0～50HZ范围内任意调速，调速精度高，可保持在0.1～0.01HZ范围内工作，便于实现除尘系统自动化控制。
(7)变频器具有多项保护功能，十分完善。
与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升保护等多项保护功能，更精确地保护了电机。
(8)节能效果显著，大大降低了电耗。
该系统生产周期大约为1小时，出铁时间为20分钟，间隔约40分钟，系统配置电机额定电流为59.5A，根据其它生产线的实际运行情况电机运行电流在55A左右。高炉出铁变频高速运行45HZ时，电流为45A左右，在20Hz低速运行时,电流为15A左右。（一天中风机高速运行时间占40%，无停机时间）
P变=1.732×10×（45×0.98×40%＋15×0.98×60％）=458KW
P工=1.732×10×55×0.86=819KW
节电率=（ P工-P变）/ P工=44%
7.结束语
从近8个月的运行情况来看，山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-800F高压大功率变频器性能优越，可靠性高，节能效果显著，变频系统满足了高炉连续生产的需要。风光牌JD-BP38-800F在通钢集团6#750高炉除尘风机的成功运行，说明在高炉除尘风机应用变频调速技术是完全正确的，证明了其性能具有无可比拟的优越性。
参考文献
[1]山东新风光电子使用手册[Z]. 山东新风光电子科技发展有限公司。
[2]山东新风光电子JD-BP38-800F高压变频调速系统通钢调试大纲。
[3]山东新风光电子JD-BP38-800F高压变频调速系统通钢验收报告。
作者简介：赵树国（1978－），男，2002年毕业于海军大连舰艇学院，现在山东新风光电子科技发展有限公司技术部负责高压变频器的工作。
