微能变频，谁与争锋？——微能8000kW/10kV超大容量变频器在炼铁高炉鼓风机改造上的应用

 
图1 鼓风机工艺流程图

    高炉鼓风机由于风门的损耗，风机的效率低、电能损耗大，因此采用高压变频器改造的节能空间巨大。但是由于高炉鼓风机作为高炉生产的最关键设备，不仅电动机功率容量大，且需保证连续运行。如在高炉生产过程中鼓风机发生故障特别是在出铁水时，将造成灌渣事故，导致高炉堵炉、停产、焦比上升，造成巨大的经济损失，因此目前国内冶金行业生产厂家对高炉鼓风机进行高压变频改造的案例极少，主要原因是用户对目前高压变频器的运行可靠性存在疑虑。
    深圳市微能科技有限公司积聚二十余年的变频器设计、生产经验，基于对电机控制理论的透彻了解，电力电子和微电子技术的纯熟掌握，微处理技术的融会贯通，独立开发了具有自主知识产权的超大容量高压变频器，率先打破了国产高压超大容量高压变频调速系统的设计、生产记录。微能公司研发技术人员与甲方生产工艺及技术人员一道，本着高度负责任的原则，实事求是，精诚合作，多次深入现场生产一线调查，获得了生产过程的详实数据。以保障用户安全生产为前提的指导思想，制订了双方认可的周到、全方位故障处理备份方案；微能公司的规模化的生产制造，严密的质量控制体系，大量稳定可靠的冶金行业运行业绩，获得了甲方的认可和信任，进一步坚定了用户的改造决心。用户决定对该厂的2＃炼铁高炉鼓风机进行了高压变频调速改造，以达到降低生产成本，改善生产工艺的目地。
3   微能WIN-HV系列高压变频调速系统技术介绍
3.1 WIN-HV系列高压变频调速系统原理与结构介绍
3.1.1 系统原理
    如图2所示，WIN-HV系列高压变频调速系统采用多个功率单元串联的形式。对于10kV系统，每相9单元串联（6kV系统每相6个单元串联），每个功率单元输出交流有效值Vo为640V，相电压为5760V，线电压为10000V。

 
图2 电压叠加形成高压输出原理

3.1.2  功率单元结构
    如图3所示，功率单元主要由三相桥式整流桥、滤波电容器、IGBT逆变桥构成，以及功率器件的驱动、保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，如图4所示的输出PWM电压波形。每个电流大小相同的功率单元在结构及电气性能上完全一致，可以互换。

                              图3  功率单元电路结构                              图4  单元输出PWM波形
3.1.3 输入侧
    WIN-HV系列高压变频调速系统在10kV电源侧采用多达54脉冲移相整流技术，电网侧谐波污染小，功率因数高，无需功率因数补偿及谐波抑制装置，对同一电网上用电的其它电气设备不产生谐波干扰。
3.1.4 输出侧
    在输出侧由每个单元的L1、L2输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，由于采用多重化的正弦脉宽调制SPWM技术，输出谐波非常小，可消除叶片与轴承的振动，无需谐波抑制装置可直接适配各种电机。
3.1.5 控制器
    主控制部分采用专用DSP(数字信号处理器)加可编程逻辑器件为控制核心，实现SPWM波形控制及各种信号的检测、分析判断和处理。控制器由中文显示，具有频率、电流、电压、故障等显示。控制电源采用两路电源自动切换技术，保证供电的可靠性。另外，当控制电源掉电后，可由系统配备的UPS继续供电。
    主控制部分和单元控制部分通过光纤进行信号传输，可有效避免电磁干扰，增强系统的可靠性。
3.2 WIN-HV系列高压变频调速系统功能
3.2.1 启动方式
    WIN-HV系列高压变频调速系统具有正常启动和软起动两种启动方式：正常启动方式：调速系统按正常方式启动后，闭环或开环运行于设定值。
    软启动方式：对于大功率电机，采用此调速系统对电机进行无冲击电流启动，启动完成后电机切换至工频电源，完成电机的软启动。
3.2.2 运行方式
    闭环控制：检测回路获得被控制量的实际值，与设定值比较，得到偏差信号。偏差信号经过PID调节来控制电机转速，调节被控制量，使之与设定值一致。
    开环控制：选择开环控制，频率控制信号由频率设定方式给定，输出按照负载特性设定的几种压频比曲线方式控制电机运行。
3.2.3  频率设定功能
    运行频率设定方式包括：工控机LCD触摸屏数字设定、外部4～20mA、0～20mA或0～10V、0～5V模拟信号输入给定、开关量频率上升/下降给定、上位机给定多种给定方式，满足与现场DCS系统的所有信号类型的连接需求。
3.2.4  控制方式
    本地控制：利用系统工控机触摸屏上的按钮实现就地控制。
    远方控制：系统提供数字和RS-485通讯接口，由DCS或上位机实现控制。
3.2.5 参数设定功能
    可以设定转矩提升、U/f加速曲线以适应不同的负载情况,可以设定多达2个共振频率躲避区域,可以按现场情况需要设定电机保护参数、输出量功能定义设置等。
3.2.6 故障报警与查询功能
    具有故障报警和故障查询功能，提高故障排除效率，为用户维护提供方便。
3.2.7 运行状态记录与显示
    WIN-HV系列高压变频调速系统具有自动记录运行状态和进行显示的功能，并对显示数据分类，方便日常维护。同时可通过串行通信与上位机连接，将运行状态信息上传到上位机，对记录数据进行分析、报表打印等。
3.2.8 旁路功能
    工频旁路：当变频调速系统发生故障停机或对变频调速系统进行检修时，电动机直接切换到电网工频运行，以提高整个系统的适应能力，保证用户负荷的连续运行要求。
    单元旁路：WIN-HV系列高压变频调速系统还设计有功率单元旁路功能。当某个单元发生过热、单元短路、单元充电等故障时，控制系统自动将该功率单元从系统切除，同时将另外两相的同电位的单元切除，保证系统在一定的带载能力下继续运行。
3.2.9 其他功能
    联动控制：WIN-HV系列高压变频调速系统可以根据用户需要提供联动控制功能，控制生产流程中其他部件。
3.3 WIN-HV系列高压变频调速系统产品特点
    WIN-HV系列高压变频调速系统适用于标准中高压（3kV，6kV，10kV）三相交流电动机，具有以下的特点：
3.3.1 适用中国电网，抗电压波动能力强
    网侧电压在 85％额定值至115％额定值内不停机，保证电机持续运行。
3.3.2 软启动、无冲击电流
    WIN-HV高压变频调速系统对电机进行软启动，具有线性和二次方曲线形式来控制电压－频率比，每种曲线形式有多条曲线供用户选择。起动时间由用户设定，内部设有加速过流限速功能，以确保电机启动的冲击电流，保证电机的安全运行。启动过程中自动搜索电机转速，不必保证电机停转，能够实现对电网和电动机无过流冲击的快速启动。
3.3.3 控制电源的隔离技术
    在系统不接入高压电的情况下，就可进行整机调试。
4  高炉鼓风机改造方案
    2#炼铁高炉（为内燃式热风炉）鼓风机采用定子串水阻启动，通过调整风机入口风门和出口放风管风门开度，实现对风量、风压进行调节。
4.1    2# 450m3高炉鼓风机及配套电机参数：
       2# 450m3高炉鼓风机及配套电机参数如表1所示。