產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
國產(chǎn)超大功率高壓變頻器在煉鐵高爐鼓風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用
1 引言
山西永恒工貿(mào)有限公司始建于1998年,，是由原“稷山縣地方國營煉鐵廠”改建而成，屬于私營股份制企業(yè)?，F(xiàn)在有450m3煉鐵高爐一座,，220m3煉鐵高爐兩座，燒結(jié)機(jī)兩臺,，JN4340型焦?fàn)t一座,，水泥生產(chǎn)線一條,。年生產(chǎn)生鐵90萬噸。近年來,，公司積極響應(yīng)國家產(chǎn)業(yè)政策,，加快技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，積極進(jìn)行節(jié)能減排,，實(shí)現(xiàn)廢氣（物）循環(huán)再利用,，形成了煤-焦-化和煤-焦-鐵-電（水泥）兩條循環(huán)生產(chǎn)線。
永恒工貿(mào)450m3煉鐵高爐風(fēng)機(jī)采用6500kW/10kV三相異步電動機(jī),，定子串水電阻方式啟動,，啟動時(shí)沖擊電流大，持續(xù)時(shí)間長,。而且受電網(wǎng)容量的限制,，在每次啟動時(shí)均需將廠內(nèi)其它所有用電設(shè)備停掉,，在此臺高爐風(fēng)機(jī)起動后才能起動其他設(shè)備,，操作比較麻煩，因此有些時(shí)候在設(shè)備檢修不出鐵的時(shí)候也是盡量不停高爐風(fēng)機(jī),，且風(fēng)量調(diào)節(jié)采用風(fēng)門調(diào)節(jié),，這樣就造成了電能的浪費(fèi)。由于變頻器具有軟啟動,、軟停止功能,，啟動電流小，可解決高爐風(fēng)機(jī)啟動時(shí)的大問題,，再就是變頻器可以節(jié)約電能,，因此山西永恒工貿(mào)有限公司廠領(lǐng)導(dǎo)決定實(shí)行變頻改造。
2 高爐鼓風(fēng)機(jī)工藝
高爐因具有煉鐵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好,，工藝簡單,，生產(chǎn)量大，勞動生產(chǎn)效率高,，能耗低等優(yōu)點(diǎn),，這種方法生產(chǎn)的鐵占世界鐵總產(chǎn)量的絕大部分。高爐為煉鐵環(huán)節(jié)中最主要的設(shè)備之一,，它為橫斷面為圓形的煉鐵豎爐,，生產(chǎn)時(shí)從爐頂裝入鐵礦石、焦炭,、造渣用熔劑（石灰石）,，從位于爐子下部的風(fēng)口吹入經(jīng)預(yù)熱的空氣。在高溫下焦炭中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣,，在爐內(nèi)上升過程中除去鐵礦石中的氧,，從而還原得到鐵,。鐵水從鐵口放出，生成的爐渣,，從渣口排出,。煤氣從爐頂排出，作為熱風(fēng)爐,、加熱爐,、焦?fàn)t、鍋爐等燃料,。
高爐鼓風(fēng)機(jī)是高爐最重要的動力設(shè)備之一,。高爐冶煉流程如圖1所示，它首先通過空氣過濾器在大氣中收集干凈的空氣,，由高爐鼓風(fēng)機(jī)加壓后經(jīng)熱風(fēng)爐進(jìn)風(fēng)口送入熱風(fēng)爐,，再由熱風(fēng)爐對空氣進(jìn)行加熱后經(jīng)高爐下部風(fēng)口吹入，以保證高爐中燃燒的焦炭和噴吹的燃料所需的氧氣,，另外還要有一定的風(fēng)壓克服整個系統(tǒng)和料柱的阻損,，并使高爐保持一定的爐頂壓力。現(xiàn)代大,、中型高爐所用的鼓風(fēng)機(jī),，大多用三相異步電機(jī)驅(qū)動的離心式鼓風(fēng)機(jī)和軸流式鼓風(fēng)機(jī)。鼓風(fēng)機(jī)耗電雖多,，但啟動方便,，易于維修，投資較少,。十分受用戶的青睞,。高爐冶煉要求鼓風(fēng)機(jī)能供給一定量的空氣，以保證燃燒一定的碳,；其所需風(fēng)量的大小不僅與爐容成正比,，而且與高爐強(qiáng)化程度有關(guān)。一般按單位爐容2.1～2.5m3／min的風(fēng)量配備,。但實(shí)際上不少的高爐考慮到生產(chǎn)的發(fā)展,，配備的風(fēng)機(jī)能力都大于這一比例。
3高爐鼓風(fēng)機(jī)改造方案
高爐鼓風(fēng)機(jī)是高爐生產(chǎn)系統(tǒng)的動力中樞,，一旦風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行,，不但影響生產(chǎn)，而且容易造成重大損失,；另外,，調(diào)速系統(tǒng)工作的環(huán)境比較惡劣；所以,，和高爐風(fēng)機(jī)配套的高壓調(diào)速系統(tǒng)方案應(yīng)周密細(xì)致,，經(jīng)過雙方技術(shù)人員的合作,，制定了高爐鼓風(fēng)機(jī)的技術(shù)改造方案。
3.1 450m3煉鐵高爐風(fēng)機(jī)及配套電機(jī)參數(shù)
3.2高爐變頻改造技術(shù)方案
圖2旁路柜中,，共有3個高壓隔離開關(guān),，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機(jī)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)電磁互鎖,。當(dāng)K1、K3閉合,，K2斷開時(shí),，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K1,、K3斷開,，K2閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行,，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來,，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試,。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖,， DL合閘時(shí)，絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān),，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全,。
故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘柵c旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后,，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下,，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí),，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下,，變頻器故障分閘無效,。
保護(hù)：保持原有對電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變。
4高壓變頻器的制造
4.1 單元級聯(lián)式多電平變頻器
6500kW/10kV高壓變頻器采用單元級聯(lián)式多電平方式,。因?yàn)榇朔N變頻器采用多個功率單元串聯(lián)的方法來實(shí)現(xiàn)高壓輸出,，所以具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）其輸出通常采用多電平移相式PWM,，可以實(shí)現(xiàn)較低的輸出電壓諧波,，較小的du/dt和共模電壓。
?。?）輸入通常采用移相隔離變壓器實(shí)現(xiàn)多重化整流,，以達(dá)到抑制輸入諧波的目的,。
4.2 雙移相變壓器結(jié)構(gòu)
6500kW/10kV高壓變頻器的輸入變壓器采用干式移相變壓器，考慮到如果只做一個變壓器,，容量會比較大,，體積也會很大，受變頻器的搬運(yùn),、安裝以及安裝空間所限,；且由于變壓器為干式的，散熱處理也比較困難,，因此6500kW/10kV高壓變頻器采用雙變壓器結(jié)構(gòu),。每臺變壓器的容量為4000kVA，各自承擔(dān)50%功率單元的供電,。
4.3 功率單元結(jié)構(gòu)
在普通10kV高壓變頻器的設(shè)計(jì)上一般采用24功率單元結(jié)構(gòu),，每相8個功率單元，每個單元輸出的功率為整機(jī)功率的1/24,，由于6500kW/10kV高壓變頻器運(yùn)行時(shí)輸出功率太大,，如果采用24功率單元結(jié)構(gòu)，那么單個功率單元內(nèi)要求的濾波電容就會很多,，功率單元的體積就會很大,，綜合考慮6500kW/10kV高壓變頻器采用30功率單元結(jié)構(gòu)，單元輸入電壓為525V,。這樣不僅會使變頻器的高壓輸出更接近于正弦波使輸入諧波更低,。而且單個單元承受的電壓更低，更易于控制,。
4.4 功率單元的冗余設(shè)計(jì)及“星點(diǎn)漂移”
?。?）30個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換,，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示,，為基本的交 - 直 - 交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管實(shí)現(xiàn)三相全波整流,，通過對 IGBT 逆變橋進(jìn)行正弦 PWM 控制,。每個功率單元完全一樣，可以互換,，這不但調(diào)試,、維修方便，而且備份也十分經(jīng)濟(jì),。假如一個功率單元發(fā)生故障,，該單元的輸出端能自動旁路而整機(jī)可以正常運(yùn)行。
（2）星點(diǎn)漂移
30個功率單元分為3組,，每10個單元為一相,。在正常情況下，三相輸出A,、B,、C平衡，中性點(diǎn)即星點(diǎn)在O點(diǎn),。如圖4所示,，當(dāng)A相有一個單元故障時(shí)，把星點(diǎn)由O點(diǎn)轉(zhuǎn)移到O1點(diǎn),，而B相和C相經(jīng)過運(yùn)算,，對O1的輸出要與A相一致。使整機(jī)的三相輸出依然平衡,。此功能稱為“星點(diǎn)漂移”,。
當(dāng)出現(xiàn)2個或3個單元故障時(shí)，同樣要經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算使三相平衡?，F(xiàn)最多可做到3個單元故障的星點(diǎn)漂移功能,。這種單元的冗余設(shè)計(jì)大大的提高了變頻器的穩(wěn)定性。
4.5 6500kW/10kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)
為保證6500kW/10kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的高可靠性,，在提高系統(tǒng)各組單元的內(nèi)在可靠性和系統(tǒng)抵抗外部故障因素的能力方面,，主要采用以下設(shè)計(jì)措施：
（1）上位操作計(jì)算機(jī)采用與主控計(jì)算機(jī)基本相同的軟硬件配置,，當(dāng)主控計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí),，可以在不停機(jī)的狀態(tài)下，迅速替換,，保證系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行,。
（2）控制系統(tǒng)由主控單元,、PLC（西門子S7-200）、主控計(jì)算機(jī)組成,，在主控計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí),，系統(tǒng)不停機(jī)，確保生產(chǎn)的進(jìn)行,。
?。?）為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，所有的功率模塊與主控單元之間通過光纖通訊,，低壓和高壓部分完全可靠隔離,，所有I/O板全部采用了隔離措施，將通道上竄入的干擾源拒絕在系統(tǒng)之外,。
?。?）控制器結(jié)構(gòu)上采用箱體結(jié)構(gòu),，各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù),，系統(tǒng)具有極高的可靠性,。
（5）盡量采用低功耗的CMOS元器件提高系統(tǒng)的溫度適應(yīng)能力,，降低功耗,。
（6）電源系統(tǒng)完全采用開關(guān)電源技術(shù),，各部分功能單元采用獨(dú)立的供電措施,，保證在某一部分發(fā)生故障時(shí)，其他部分仍能可靠運(yùn)行,。
?。?）選用各種電阻、電容器及集成電路,、隔離器件時(shí),，對其耐壓能力留有較大的余量，對集成電路的拉電流,、灌電流能力使用,，也留有足夠的余量。
?。?）輸入干式變壓器免維護(hù),，可靠性高。
?。?）多級模塊串聯(lián),，器件工作在低壓狀態(tài)，便于采用成熟技術(shù),，不易發(fā)生故障,。
軟件可靠性措施：整個軟件開發(fā)過程按正向設(shè)計(jì)進(jìn)行，底層實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)為自行設(shè)計(jì)和編寫,，確保整個系統(tǒng)中沒有不清楚的部分,，資源分配留出很大裕度。整個系統(tǒng)的組成軟件經(jīng)過嚴(yán)格測試,，窮盡各種故障可能,，確保系統(tǒng)不死機(jī)，不出故障,。對所有接口關(guān)系嚴(yán)格定義,，且均設(shè)立非法進(jìn)入和退出處理措施。
5 變頻器的安裝
高爐鼓風(fēng)機(jī)作為鋼鐵廠最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，它的停機(jī)輕則會導(dǎo)致鐵廠的停產(chǎn),，重則會導(dǎo)致事故發(fā)生,，所以必須要保證高爐鼓風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。
5.1 變頻器的現(xiàn)場散熱處理
大功率變頻器作為一個比較大的發(fā)熱源,，它運(yùn)行時(shí)的散熱就顯的尤為重要,。高爐鼓風(fēng)機(jī)位于高爐附近，周圍的粉塵量比較大,，特別是導(dǎo)電性粉塵,，所以在選擇變頻器的冷卻方式上只有以下兩種：（1）風(fēng)冷和空調(diào)配合使用；（2）為液體冷卻（一般為水冷）,。
由于高壓變頻器中需要冷卻的元器件均為導(dǎo)電體,，因此在設(shè)計(jì)液體冷卻系統(tǒng)時(shí)必須采用間接液體冷卻，這使得冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極為復(fù)雜,，且成本高,；又因?yàn)橐后w冷卻系統(tǒng)一處出問題有可能導(dǎo)致整個冷卻系統(tǒng)的癱瘓，所以穩(wěn)定性也低,。
相反,，風(fēng)冷具有：（1）設(shè)計(jì)簡單；（2）可以采用冗余設(shè)計(jì),；（3）與空調(diào)冷卻配合使用,，可以使變頻器的運(yùn)行環(huán)境相對封閉，保證變頻器的衛(wèi)生,。
綜合考慮,，我們在6500kW/10kV變頻器的冷卻方式上選擇了風(fēng)冷，并配合空調(diào)冷卻使用,。
一臺完整的高壓變頻器分為四部分：旁路柜,、變壓器柜、功率單元柜和控制柜,。變壓器柜和功率單元柜幾乎占了整機(jī)全部的發(fā)熱量,。變壓器柜相對于功率單元柜所要求的運(yùn)行環(huán)境要低的多，而且這么大的變頻器,，里面移相變壓器的發(fā)熱量也不小,，為了節(jié)省空調(diào)使用數(shù)量，在變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用變壓器柜和功率單元柜分開放置的方法,。
具體方法為：變壓器柜與功率單元柜中間隔開700mm的距離，變頻器安裝完成后中間采用隔熱材料隔開,，這樣就使得一臺變頻器放在兩間房子里了,。變壓器柜與旁路柜在一起并采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，然后再在變壓器柜頂安裝風(fēng)道，收集變壓器的產(chǎn)熱直接排到安裝環(huán)境之外,；功率單元柜與控制柜在一起安裝在一個相對獨(dú)立且封閉的房間里,，也采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，并在房間內(nèi)安裝空調(diào)來降低環(huán)境溫度,，保證功率單元柜及控制柜的運(yùn)行環(huán)境,。
安裝空調(diào)時(shí)為了保證變頻器的安全運(yùn)行要求空調(diào)有足夠的制冷量且有余量。因?yàn)闆]有變壓器的熱量,，所以按照變頻器額定功率3%的發(fā)熱量來設(shè)計(jì)空調(diào)：
6500×0.03=195（kW）
現(xiàn)場實(shí)際安裝空調(diào)數(shù)量為8臺制冷量為24kW的空調(diào),，單臺空調(diào)是獨(dú)立的，這樣保證單臺空調(diào)出現(xiàn)問題是不會影響機(jī)器的運(yùn)行,。
實(shí)際運(yùn)行情況為在夏天天氣最熱的幾天里,，同時(shí)7臺空調(diào)運(yùn)行，就能把環(huán)境溫度控制在27℃左右,。
5.2上位機(jī)控制
因?yàn)楦郀t鼓風(fēng)機(jī)壓力操作比較頻繁且精度要求比較高,，綜合考慮后變頻器控制方式采
用上位機(jī)控制，采用RS-485網(wǎng)絡(luò)與變頻器通訊,。上位機(jī)控制方式控制變頻器的運(yùn)行頻率比模擬量控制更準(zhǔn)確,，使高爐壓力的調(diào)節(jié)更加精確，做到高爐壓力完全無波動調(diào)節(jié),，且能實(shí)時(shí)記錄變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)并保存以供需要時(shí)查詢,。進(jìn)一步保證高爐的穩(wěn)定運(yùn)行。
5.3 故障自復(fù)位
為了在變頻器故障時(shí)能最大限度的減少損失,，變頻器增加了故障自復(fù)位功能,，在變頻器不斷高壓電的情況下，通過軟件或故障復(fù)位按鈕設(shè)置能讓變頻器故障自復(fù)位,。這可以使變頻器出現(xiàn)故障后以最快的速度再次投入運(yùn)行,。
6變頻器的使用效果
6500kW/10kV高壓變頻器在山西永恒工貿(mào)高爐鼓風(fēng)機(jī)正式投產(chǎn)日期為2010年5月5日，至本文完成時(shí)已安全無故障運(yùn)行半年有余,。高爐鼓風(fēng)機(jī)變頻改造后顯示出以下優(yōu)點(diǎn)：
6.1節(jié)電效果明顯
在變頻器沒有安裝以前高壓電機(jī)采用定子串水電阻啟動,，風(fēng)壓通過風(fēng)門調(diào)節(jié)。這樣電機(jī)始終運(yùn)行在額定狀態(tài),，變頻器安裝以后風(fēng)門全開,，風(fēng)壓通過調(diào)節(jié)變頻器頻率實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)了節(jié)電的目的,，下面對節(jié)電量作定量分析,。
定量計(jì)算：電價(jià)按0.45元計(jì)算，一年運(yùn)行時(shí)間按330天,。
電機(jī)工頻年耗電量：
W工=1.732×10×366×0.9×24×330
=45185247.36（度）
變頻器耗電量：
W變=1.732×10×270×0.95×24×330
=35185233.6（度）
空調(diào)最大耗電量：
W空=1.732×380×17.5×0.85÷1000×7×24×330
=542764.807（度）
年節(jié)省費(fèi)用：
F= （W工－W變－W空） ×0.45
=（45185247.36－35185233.6－542764.807） ×0.45
=9457248.953×0.45
=4255762（元）
綜上所述,，變頻改造后,，節(jié)能效果是非常顯著的。
6.2 變頻器軟啟動功能解決鼓風(fēng)機(jī)啟動問題
永恒工貿(mào)一共有三個廠區(qū)：鐵廠,，燒結(jié)車間和鋼廠,。三個廠區(qū)公用一個變壓器，變壓器容量為25000kVA,。而6500kW/10kV高爐鼓風(fēng)機(jī)使用定子串水電阻方式啟動,，啟動時(shí)沖擊電流大，持續(xù)時(shí)間長,，這使得在鐵廠高爐鼓風(fēng)機(jī)啟動時(shí)必須讓燒結(jié)車間與鋼廠停止生產(chǎn),，把所有的大型用電設(shè)備停掉，然后才能啟動,。這樣麻煩的啟動方式致使在設(shè)備檢修不出鐵時(shí)也盡量不讓高爐鼓風(fēng)機(jī)停止,，這不僅讓機(jī)器的檢修不方便也無形中造成了大量電能的浪費(fèi)。
用上變頻器以后,，變頻器帶動電機(jī)從0.5Hz軟啟動,，啟動電流不超過額定電流，不僅讓高爐鼓風(fēng)機(jī)開停機(jī)極為方便,，也節(jié)約了電能,；還減小了啟動時(shí)對電機(jī)、風(fēng)機(jī)及整個高爐系統(tǒng)的沖擊,。
6.3 減小電機(jī)振動及噪音
6500kW電機(jī)因功率大,，運(yùn)行時(shí)噪音污染特別嚴(yán)重。但是高爐鼓風(fēng)機(jī)作為重要環(huán)節(jié)必須24小時(shí)有人監(jiān)護(hù),，這種環(huán)境勢必要給工人的身心健康造成嚴(yán)重傷害,。最大限度的減小電機(jī)、風(fēng)機(jī)的振動,，不但能改善監(jiān)護(hù)人員的工作環(huán)境,，還能延長設(shè)備壽命，減少設(shè)備故障率及維護(hù),、維修費(fèi)用,。
下面表5是用變頻前后高壓電機(jī)軸振動幅值：
由以上數(shù)據(jù)可知，使用變頻器可有效減少設(shè)備振動,，從而降低噪音,，減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。
6.4變頻器的其他優(yōu)點(diǎn)
?。?）飛車啟動功能：能夠識別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動,。
（2）矢量控制技術(shù)和載波移相控制技術(shù)：采用高速DSP作為中央處理器,，運(yùn)算速度更快,，讓控制更精準(zhǔn),。
（3）旋轉(zhuǎn)中再啟動功能：運(yùn)行過程中高壓瞬時(shí)掉電三十秒鐘內(nèi)恢復(fù),，高壓變頻器不停機(jī)，高壓恢復(fù)后變頻自動運(yùn)行到掉電前的頻率,。
?。?）運(yùn)行過程中外部頻率給定信號出現(xiàn)故障（短路或開路），整機(jī)維持故障前的運(yùn)行頻率不變,，給出報(bào)警信號,。
（5）參數(shù)自整定功能：無須手動設(shè)置,，自識別電機(jī)參數(shù),，適配于普通異步電機(jī)。
?。?）整機(jī)旁路功能：在變頻器整機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),，變頻器能提供工頻旁路，讓系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行,。
7 結(jié)束語
高爐鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻改造后,，不僅達(dá)到了良好的節(jié)能效果，并且使整套高爐系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了一個臺階,。這是國內(nèi)為數(shù)不多的超大功率高壓變頻器在高爐風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用,，改造是極為成功的，也說明了國產(chǎn)高壓變頻器已經(jīng)擁有了生產(chǎn)超大功率高壓變頻器的技術(shù),。
隨著國家對節(jié)能減排工作的越來越重視,，企業(yè)通過各種措施降低生產(chǎn)成本，其中變頻技術(shù)起到了關(guān)鍵作用,，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,，適應(yīng)了國家建設(shè)資源節(jié)約型社會的潮流。
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