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摘要：本文结合高炉炼铁生产的实际工况，介绍了北京利德华福电气技术有限公司研制生产单元串联多电平高压大功率变频器在重钢炼铁厂750高炉除尘风机中的应用。
关键词：高压大功率变频器 单元串联多电平 远程监控 节能
引言
重钢炼铁厂750m3高炉为新建高炉(新高炉)。鉴于原高炉出铁过程中，炉口会排放大量红棕色烟气，一方面对环境造成污染；另一方面原运行方式为电机工频运行，通过调节风门的出口挡板调节风量来满足出铁工艺，大量电能在阀门上白白浪费。为解决该问题，降低损耗，我方决定对新高炉的除尘风机进行调速控制。
2 高压变频器技术要求及改造方案
2.1 对变频器的技术要求
除尘风机是除尘净化系统的动力中枢，一旦除尘风机不能正常运行，不但影响生产，造成巨大的经济损失，还有可能威胁到现场生产人员的人身安全；另外，调速系统工作的环境比较恶劣；同时高炉又周期性间断出铁；所以，和除尘风机配套的高压变频调速系统，要求具有极高的可靠性。基于以上工作特点，对变频调速系统的主要要求如下：
(1) 中文操作界面；
(2) 具有高可靠性，长期运行无故障运行的特点；
(3) 具有旁路功能，一旦出现故障，可使电机切换到工频运行；
(4) 调速范围大，效率高；
(5) 具有逻辑控制能力，可以自动按照吹氧周期升降速；
(6) 具有共振点跳转设置，能使电机避开共振点运行，让风机不喘振；
(7) 具有远程上位机监控功能。
经过多方调研、比较，最后炼铁厂同北京利德华福电气技术有限公司合作，共同制定了750高炉除尘风机的变频改造方案，改造方案如下。
2.2 设备配置
如图1所示，系统旁路开关柜为一拖一手动旁路系统(用于变频/工频切换)。它是由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成。要求QS1、QS2和QS3不能同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。
为了实现变频器故障的保护，变频器对用户开关QF进行连锁，一旦变频器故障，变频器跳开QF，要求用户对QF的合分闸电路进行适当改造。工频旁路时，变频器应允许撤消对QF的跳闸信号，使QF合闸，电机能正常通过QF合闸工频启动。 （图片）
图1变频/工频切换电路图
图1中，QF：高压真空断路器(为变频器提供6kV高压电)；
QS1、QS2、QS3：手动隔离刀闸；
BPQ：HARSVERT-A06/085变频器；
M：630kW/6kV异步电动机。 2.2 电机及风机参数
电机参数： 风机参数：
型号：YKK560-10 额定流量：410000m3/h
额定功率：630kW 主轴转速：595r/min
额定电压：6kV 轴功率：630kW
额定频率：50Hz
额定电流：82.9A
额定转速：595r/min
2.3 除尘风机工艺要求
(1) 出铁工艺周期
除尘风机在不出铁时，只需要很低的转速(甚至为零)，根本不需要满负荷运转，如图2所示。利用高压变频器根据实际需要对除尘风机进行变频运行，既保证和改善了工艺，又达到了节能降耗的目的和效果。
整个出铁工艺高速时间约45min，高速定为50Hz(可以调节)；低速定为0Hz(可以调节)。（图片）
图2 出铁工艺周期 (2) 监控和操作
采用高压变频调速系统对除尘风机进行高压变频改造的具体实现过程如下：变频器操作可以在本机控制，也可以远程操作。变频器包括一台内置的PLC，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(如RS-485)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。变频器也可由控制室的上位机或操作台进行操作，出铁时，变频器高速运行，不出铁时，变频器低速运行(甚至不运行)。可以根据工况需要自由设定，完全可以满足工艺要求。
(3) 可以通过上位机进行远程监控，一方面便于用户随时了解设备运行情况，另一方面，也有利于设备的远程诊断和维护，故障问题可以及时得到解决。
(4) 变频器技术指标
输入电压 三相交流有效值6.0kV±10％
输入频率 50±5Hz
输出电压 三相正弦波电压0~6kV
输出频率 0~50Hz
频率分辨率0.01Hz
加速时间 可按工艺要求设定
减速时间可按工艺要求设定
频率设定方式高低两级速度,可在0~50Hz范围内调整
故障诊断及检测 自动检测，自动定位
网侧功率因数0.95(高速时)
过载保护 120％lmin(每10min),150％立即保护
防护等级 IP20
环境温度 0~40℃
环境湿度 90%,无凝结
海拔高度1000m以下
3 高压变频调速系统原理
HARSVERT系列高压变频调速系统采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，总体谐波畸变THD小于4%，可满足IEEE519-1992的谐波抑制标准；输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，其工作原理如下：
(1) 电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。高压变频调速系统每相由7个功率单元串联而成，输出相电压最高可达3500V，线电压达6kV左右，每个功率单元承受全部的电机电流，但只提供1/7相电压和1/21的输出功率。
(2) 每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，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，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。给功率单元供电的二次绕组每3个一组，分为7个不同的相位组。输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真小于1%，输入的综合功率因数可达0.95以上。
(3) 逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定的电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波，每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小，功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率，由于采用移相式PWM，电机电压的等效开关频率大大提高，且输出电平数增加。以6kV输出电压等级的高压变频调速系统为例，输出相电压均为11电平，线电压均为21电平，输出等效开关频率为6kHz，电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热、噪音和转矩脉动都大大降低，因此对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机。6kV高压变频器电路原理图如3所示。（图片）
图3 6kV高压变频器电路原理图 4 设备运行情况
2003年中我公司向北京利德华福电气技术有限公司定购了一台型号为HARSVERT-A06/085的高压变频器，2003年6月20日变频器开始安装就位，6月24日调试完毕，2003年11月9日正式投入使用，笔者认为该变频器的安装、调试周期都很短，总共仅有5天的时间，为750高炉按时投产提供了有力的保证。
同原来老高炉除尘风机比较，引进北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频器有以下优点：
(1) 运行稳定，安全可靠。2003年11月正式投产以来至今，连续无故障运行一年多，为750高炉安全可靠生产提供了强有力的保障。HARSVERT-A变频器具有免维护的特点，只需定期更换柜门上的通风滤网，不用停机，保证了生产的连续性。
(2) 节能效果显著，大大降低了电耗。
(3) 电动机实现了真正的软启动、软停运，变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦波电流，降低了电机的故障次数。同时，变频器设置共振点跳转频率，避免了风机长期在共振点运行，使风机工作平稳，风机轴承磨损减少，延长了电机、风机的使用寿命和维修周期，提高了风机的利用率。
(4) 变频器自身保护功能完善，同原来继电保护比较，保护功能更多，更灵敏，大大加强了对电机的保护。
(5) 变频器同现场信号的无缝接口，满足生产的需要。变频器内置PLC，现场信号接入灵活。变频器自带转速和电流测定，可以为现场直接提供电机转速及电流指示。
(6) 适应电网电压波动能力强，有时电网电压高达6.6kV，变频器仍能正常运行。
5 节能分析
5.1 节能原理
当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变风机的性能曲线，使风机的额定参数满足工艺要求，根据风机的相似定律，变速前后风量、压力、功率与转速之间关系为：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=(n1/n2)2
P1/P2=(n1/n2)3
Q1、H1、P1—风机在n1转速时的风量、压力、功率；
Q2、H2、P2—风机在n2转速时相似工况条件下的风量、压力、功率。
假如转速降低一半，即：n2/n1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。
当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为0.96，工作电流比电机额定电流值要低许多，电流降为52A。由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。
(3) 节能计算
根据变频器的运行记录，统计风机在一天中高低速度段的运行时间(风机高速运行时间占40%)，全年工作时制按8600h计算,得到如下运行数据：
P高速=1.732×6×52×0.96×8600×40%=178.4
P原来=1.732×6×82.9×0.8×8600=592.7
年节电率：(P原来-P高速)÷P原来=69.8%
6 应用高压变频调速系统产生的其他效果
(1) 改善了工艺
投入变频器运行后除尘风机可以非常平滑稳定的调整风量，运行人员可以自如的调控，除尘风机运行参数得到了改善，提高了效率。
(2) 延长电机和风机的使用寿命
一般除尘风机均为离心式风机，启动时间长，启动电流大(约6～8倍额定电流)，对电机和风机的机械冲击力很大，严重影响其使用寿命。而采用变频调速后，可以实现软起动和软停车，对电机几乎不产生冲击，可大大延长机械的使用寿命。
(3) 减少磨损
减少阀门机械和风机叶轮的磨损。减少了风机振动和轴承磨损。延长风机的大修周期，节省检修费用和时间。
(4) 减少了维护费用和检修工作量
原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。自改变频调节后保证了风机在正常范围内运行。
(5) 便于实现除尘控制系统自动化。
除尘系统的风量经常需要根据工艺的要求变化，在过去用挡板调节时，存在执行机构的开度与流量的关系曲线的线性问题。往往由于执行机构的磨损量过大，阀门特性发生变化，出现非线性问题，致使调节过程失误，自动控制系统无法正常工作。而变频调速始终保持在0.1～0.01Hz的高精度范围内工作，为实现除尘系统的自动化创造优越条件。
7 结束语
HARSVERT-A系列高压变频器在重钢炼铁厂750高炉除尘风机的调速改造中应用是相当成功的。该系列变频器的先进性、可靠性已得到许多工业应用的证实。在各行各业，对于许多高压大功率的辅机设备推广和采用高压变频调速技术，不仅可以取得相当显著的节能效果，而且也得到国家产业政策的支持。
11/14/2005
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