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摘 要：本文结合6500kW/10kV高压变频器实际运行工况，介绍了国产超大功率高压变频器在高炉鼓风机上的应用。通过改造，实现了高炉的工艺优化，也体现了国产基于单元级联式多电平高压变频器的制造能力。
关键词：高压变频器 高炉鼓风机 单元级联式多电平
1 引言
山西永恒工贸有限公司始建于1998年，是由原“稷山县地方国营炼铁厂”改建而成，属于私营股份制企业。现在有450m3炼铁高炉一座，220m3炼铁高炉两座，烧结机两台，JN4340型焦炉一座，水泥生产线一条。年生产生铁90万吨。近年来，公司积极响应国家产业政策，加快技术进步的同时，积极进行节能减排，实现废气（物）循环再利用，形成了煤—焦—化和煤—焦—铁—电（水泥）两条循环生产线。
永恒工贸450m3炼铁高炉风机采用6500kW/10kV三相异步电动机，定子串水电阻方式启动，启动时冲击电流大，持续时间长。而且受电网容量的限制，在每次启动时均需将厂内其它所有用电设备停掉，在此台高炉风机起动后才能起动其他设备，操作比较麻烦，因此有些时候在即使设备检修不出铁的时候也是尽量不停高炉风机，且风量调节采用风门调节，这样就造成了电能的浪费。由于变频器具有软启动、软停止功能，启动电流小，可解决高炉风机启动时的大问题，再就是变频器可以节约电能，因此山西永恒工贸有限公司厂领导决定实行变频改造。
2 高炉鼓风机工艺
高炉因具有炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点，这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分。高炉为炼铁环节中最主要的设备，它为横断面为圆形的炼铁竖炉，生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。铁水从铁口放出，生成的炉渣，从渣口排出。煤气从炉顶排出，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等燃料。
高炉鼓风机是高炉最重要的动力设备。高炉冶炼流程如下图1所示，它首先通过空气过滤器在大气中收集干净的空气，由高炉鼓风机加压后经热风炉进风口送入热风炉，由热风炉对空气进行加热后经高炉下部风口吹入，以保证高炉中燃烧的焦炭和喷吹的燃料所需的氧气，另外还要有一定的风压克服整个系统和料柱的阻损，并使高炉保持一定的炉顶压力。现代大、中型高炉所用的鼓风机，大多用三相异步电机驱动的离心式鼓风机和轴流式鼓风机。鼓风机耗电虽多，但启动方便，易于维修，投资较少。十分受用户的青睐。高炉冶炼要求鼓风机能供给一定量的空气，以保证燃烧一定的碳；其所需风量的大小不仅与炉容成正比，而且与高炉强化程度有关。一般按单位炉容2.1～2.5m3／min的风量配备。但实际上不少的高炉考虑到生产的发展，配备的风机能力都大于这一比例。 （图片）
1、料车 2、上料斜桥 3、高炉 4、铁、渣口 5、高炉鼓风机进风口 6、热风炉 7、重力除尘 8、文氏管 9、洗涤塔 10、烟囱 11、热风炉进风口
图1 高炉冶炼流程示意图 3高炉鼓风机改造方案
高炉鼓风机是高炉生产系统的动力中枢，一旦风机不能正常运行，不但影响生产，而且造成重大损失；另外，调速系统工作的环境比较恶劣；所以，和高炉风机配套的高压调速系统方案应周密细致，经过双方技术人员的合作，制定了高炉鼓风机的技术改造方案。
3.1 450m3炼铁高炉风机及配套电机参数表1高炉风机基本参数
（图片）3.2高炉变频改造技术方案
图2旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当K1、K3闭合，K2断开时，电机变频运行；当K1、K3断开，K2闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。（图片）
图2 手动旁路柜一次回路图 旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁，DL合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。
故障分闸：将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下，当变频器出现故障时，分断变频器高压输入；旁路投入状态下，变频器故障分闸无效。
保护：保持原有对电机的保护及其整定值不变。
高压变频器设备现场运行照片如图3所示。（图片）
图3 高压变频器现场运行照片 4高压变频器的制造
4.1 单元级联式多电平变频器
6500kW/10kV高压变频器采用单元级联式多电平方式。因为此种变频器采用多个功率单元串联的方法来实现高压输出，所以具有以下优点：
（1）其输出通常采用多电平移相式PWM，可以实现较低的输出电压谐波，较小的du/dt和共模电压。
（2）输入通常采用移相隔离变压器实现多重化整流，以达到抑制输入谐波的目的。
4.2 双移相变压器结构
高压变频器的输入变压器采用干式移相变压器，考虑到如果只做一个变压器，容量会比较大，体积也会很大，受变频器的搬运、安装以及受变频器安装空间所限；且由于变压器为干式的，散热处理比较困难，高压变频器采用双变压器结构。每台变压器的容量为4000kVA,各自承担功率单元50%的供电。
4.3 功率单元结构
在普通10kV高压变频器的设计一般采用24功率单元结构，每相8个功率单元，每个单元输出的功率为整机功率的1/24，由于6500kW/10kV高压变频器运行时输出功率太大，如果采用24功率单元结构，那么单个功率单元内要求的滤波电容就会很多，功率单元的体积就会很大，综合考虑6500kW变频器采用30功率单元结构，单元输入电压为525V。这样不仅会使变频器的高压输出更接近于正弦波使输入谐波更低。而且单个单元承受的电压更低，更易于控制。
4.4 功率单元的冗余设计及“星点漂移”
（1）30个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构如图4所示，为基本的交- 直- 交单相逆变电路，整流侧为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。假如一个功率单元发生故障，该单元的输出端能自动旁路而整机可以正常运行。
（图片）
图4 功率单元原理图 （2）星点漂移
30个功率单元分为3组，每10个单元为一相。在正常情况下，三相输出A、B、C平衡，中性点即星点在O点。如图5所示，当A相有一个单元故障时，把星点由O点转移到O1点，而B相和C相经过运算，对O1的输出要与A相一致。使整机的三相输出依然平衡。此功能称为“星点漂移”。（图片）
图5 星点漂移示意图 当出现2个或3个单元故障时，同样要经过复杂的运算使三相平衡。现最多可做到3个单元故障的星点转移功能。这种单元的冗余设计大大的提高了变频器的稳定性。
4.5 JD-BP38高压变频调速系统的可靠性设计
为保证JD-BP38高压变频调速系统的高可靠性，在提高系统各组单元的内在可靠性和系统抵抗外部故障因素的能力方面，主要采用以下设计措施：
（1）上位操作计算机采用与主控计算机基本相同的软硬件配置，当主控计算机发生故障时，可以在不停机的状态下，迅速替换，保证系统的可靠性运行。
（2）控制系统由主控单元、PLC(西门子S7-200)、主控计算机组成，在主控计算机发生故障时，系统不停机，确保生产的进行。
（3）为了提高系统的抗干扰能力，所有的功率模块与主控单元之间通过光纤通讯，低压和高压部分完全可靠隔离，所有I/O板全部采用了隔离措施，将通道上窜入的干扰源拒绝在系统之外。
（4）控制器结构上采用箱体结构，各控制单元板采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。
（5）尽量采用低功耗的CMOS元器件提高系统的温度适应能力，降低功耗。
（6）电源系统完全采用开关电源技术，各部分功能单元采用独立的供电措施，保证在某一部分发生故障时，其他部分仍能可靠运行。
（7）选用各种电阻、电容器及集成电路、隔离器件时，对其耐压能力留有较大的余量，对集成电路的拉电流、灌电流能力使用，也留有足够的余量。
（8）输入干式变压器免维护，可靠性高。
（9）多级模块串联，器件工作在低压状态，便于采用成熟技术，不易发生故障。
软件可靠性措施：整个软件开发过程按正向设计进行，底层实时控制系统为自行设计和编写，确保整个系统中没有不清楚的部分，资源分配留出很大裕度。整个系统的组成软件经过严格测试，穷尽各种故障可能，确保系统不死机，不出故障。对所有接口关系严格定义，且均设立非法进入和退出处理措施。
5 变频器的安装
高炉鼓风机作为钢铁厂最为关键的设备，它的停机轻则会导致铁厂的停产，重则会导致事故发生，所以必须要保证高炉鼓风机的稳定运行。
5.1 变频器的现场散热处理
大功率变频器作为一个比较大的发热源，它运行时的散热就显的尤为重要。高炉鼓风机位于高炉附近，周围的粉尘量比较大，特别是导电性粉尘，所以在选择变频器的冷却方式上只有以下两种：（1）风冷和空调配合使用；（2）为液体冷却（一般为水冷）。
由于高压变频器中需要冷却的元器件均为导电体，因此在设计液体冷却系统时必须采用间接液体冷却，这使得冷却系统的设计极为复杂，且成本高；有因为液体冷却系统一处出问题有可能导致整个冷却系统的瘫痪，所以稳定性也低。
相反，风冷具有：（1）设计简单；（2）可以采用冗余设计；（3）与空调冷却配合使用，可以使变频器的运行环境相对封闭，保证变频器的卫生。
综合考虑，我们在6500kW/10kV变频器的冷却方式上选择了风冷，并配合空调冷却使用。
一台完整的高压变频器分为四部分：旁路柜、变压器柜、功率单元柜和控制柜。变压器柜和功率单元柜几乎占了整机全部的发热量。变压器柜相对于功率单元柜所要求的运行环境要低的多，而且这么大的变频器变压器的发热量也不小，为了节省空调使用数量，在变频器结构设计上采用变压器柜和功率单元柜分开放置的方法。
具体方法为：变压器柜与功率单元柜中间隔开700mm的距离，变频器安装完成后中间采用隔热材料隔开，这样就使得一台变频器放在两间房子里了。变压器柜与旁路柜在一起并采用强迫风冷，然后再在变压器柜顶安装风道，收集变压器的产热直接排到安装环境之外；功率单元柜与控制柜在一起安装在一个相对独立且封闭的房间里，也采用强迫风冷，并在房间内安装空调来降低环境温度，保证功率单元柜及控制柜的运行环境。
安装空调时为了保证变频器的安全运行要求空调有足够的制冷量且有余量。因为没有变压器的热量，所以按照变频器额定功率3%的发热量来设计空调：
6500×0.03=195(kW)
现场实际安装空调数量为8台制冷量为24kW的空调，单台空调是独立的，这样保证单台空调出现问题是不会影响机器的运行。
实际运行情况为在夏天天气最热的几天里，同时7台空调运行，就能把环境温度控制在27℃左右。
5.2上位机控制
因为高炉鼓风机压力操作比较频繁且精度要求比较高，综合考虑后变频器控制方式采用上位机控制。运行界面如图6所示，采用RS-485网络与变频器通讯。上位机控制方式控制变频器的运行频率比模拟量控制更准确，使高炉压力的调节更加准确，做到高炉压力完全无波动调节，且能实时记录变频器的运行数据并保存以供需要时查询。进一步保证高炉的稳定运行。（图片）
图6 上位机运行画面 5.3 故障自复位
为了在变频器故障时能最大限度的减少损失，变频器增加了故障自复位功能，在变频器不断高压电的情况下，通过软件或故障复位按钮设置能让变频器故障自复位。这可以使变频器出现故障后以最快的速度再次投入运行。
6 变频器的使用效果
6500kW/10kV高压变频器在山西永恒工贸高炉鼓风机正式投产日期为2010年5月5日，至本文完成时已安全无故障运行半年有余。高炉鼓风机变频改造后有以下优点：
6.1节电效果明显
在变频器没有安装以前高压电机采用定子串水电阻启动，风压通过风门调节。这样电机始终运行在额定状态，变频器安装以后风门全开，风压通过调节变频器频率实现。实现了节电的目的，下面对节电量作定量分析。
定量计算：电价按0.45元计算，一年运行时间按330天
电机工频年耗电量：
W工=1.732×10×366×0.9×24×330
=45185247.36（度）
变频器耗电量：
W变=1.732×10×270×0.95×24×330
=35185233.6（度）
空调最大耗电量：
W空=1.732×380×17.5×0.85÷1000×7×24×330
=542764.807（度）
年节省费用：
F= (W工－W变－W空) ×0.45
=(45185247.36－35185233.6－542764.807) ×0.45
=9457248.953×0.45
=4255762（元）
综上所述，变频改造后，节能效果是非常显著的。
6.2 变频器软启动功能解决鼓风机启动问题
永恒工贸一共有三个厂区：铁厂，烧结车间和钢厂。三个厂区公用一个变压器，变压器容量为25000kVA。而6500kW/10kV高炉鼓风机使用定子串水电阻方式启动，启动时冲击电流大，持续时间长，这使得在铁厂高炉鼓风机启动时必须让烧结车间与钢厂停止生产，把所有的大型用电设备停掉，然后才能启动。这样麻烦的启动方式致使在设备检修不出铁时也尽量不让高炉鼓风机停止，这不仅让机器的检修不方便也无形中造成了大量电能的浪费。
用上变频器以后，变频器带动电机从0.5Hz软启动，启动电流不超过额定电流，不仅让高炉鼓风机开停机极为方便，也节约了电能；还减小了启动时对电机、风机及整个高炉系统的冲击。
6.3 减小电机振动及噪音
6500kW电机因功率大，运行时噪音污染特别严重。但是高炉鼓风机作为重要环节必须24小时有人监护，这种环境势必要给工人的身心健康造成严重伤害。最大限度的减小电机、风机的振动，不但能改善监护人员的工作环境，还能延长设备寿命，减少设备故障率及维护、维修费用。
6.4变频器的其他优点
（1）飞车启动功能：能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。
（2）矢量控制技术和载波移相控制技术：采用高速DSP作为中央处理器，运算速度更快，，让控制更精准。
（3）旋转中再启动功能：运行过程中高压瞬时掉电三十秒钟内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。
（4）运行过程中外部频率给定信号出现故障（短路或开路），整机维持故障前的运行频率不变，给出报警信号。
（5）参数自整定功能：无须手动设置，自识别电机参数，适配于普通异步电机。
（6）整机旁路功能：在变频器整机出现故障时，变频器能提供工频旁路，让系统继续运行。
7 结束语
高炉鼓风机经过变频改造后,不仅达到了良好的节能效果,并且使整套高炉系统的稳定性提高了一个台阶。这是国内为数不多的超大功率高压变频器在高炉风机上的应用，改造是极为成功的，也说明了国产高压变频器已经拥有了生产超大功率高压变频器的技术。
随着国家对节能减排工作的越来越重视，企业通过各种措施降低生产成本，其中变频技术起到了关键作用，取得了明显的经济效益和社会效益，适应了国家建设资源节约型社会的潮流。
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-BP38-6500F高压变频调速系统山西永恒公司调试大纲。
[3]山东新风光电子JD-BP38-6500F高压变频调速系统山西永恒公司验收报告。
1/14/2011
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