攀成钢100吨转炉一次除尘风机变频调速系统

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摘要：本文介绍了高压变频器在攀成钢100吨转炉上的应用，探讨了包括系统配置以及控制思路等基本问题，并且简单的介绍了变频调速实施效果。

关键词：风机 变频 调速 节能 谐波

中图分类号： TE08 文献标识码： A

前言：

能源是国家重要的物质，能源的供需矛盾已成为制约我国社会主义经济建设的主要因素之一。随着市场经济环境的不断变化，市场竞争越来越激烈，节能降耗已成为各个企业提高产品市场占有率和企业竞争力的主要手段。在“节约与开发并重”的方针指导下，依靠科技进步，节约能源成为当前企业经营、管理工作重中之重。

采用调速控制装置，通过改变风机的转速，从而改变风机风量以适应生产工艺的需要，达到节能降耗的目的。交流电机的调速方式有多种，变频调速是高效、便捷的最佳调速方案。它可以实现风机的无级调速，并可方便地组成闭环控制系统、实现恒压或恒流量的控制。尤其在某些特定工艺下，中、高电压、大功率的电机采用高压变频调速装置节能效果尤为明显。

一、转炉炼钢工艺

转炉在炼钢生产过程中，会产生大量的烟尘，污染环境，需要除尘治理。一次除尘风机是一个间隙性的工作制度，即转炉冶炼过程中时使用，其余时间基本不用，使用率大约在50％左右。图1为转炉冶炼工艺周期简易示意图。

图1：转炉冶炼工艺周期示意图

图1中：

A到B、E到F为转炉冶炼工序辅助时间，

B到C、F到G为升速时间，可以调节，

C到D、G到H为转炉吹炼时间，

D到E、H到I为减速时间，可以调节。

每次转炉纯吹炼时间约20分钟（含溅渣护炉时间），为高速段，定为45Hz,可以调节；冶炼辅助时间约25分钟，为低速段，定为25Hz,可以调节。

二、方案选择

1、变频器与液力耦合器在拖动异步电动机中的一些优缺点

（1）启动：

液力耦合器利用能耗转差调节原理，起动时负载与电机主轴脱离，相当于空载全压起动。电机全速运行后，通过调节液力耦合器工作腔内的油量实现柔性连接，逐步升速。即液力耦合器不能实现软启动。变频器可最大限度地限制电动机的起动电流，减少电网压降，可实现恒转矩及变转矩起动。即变频器可实现软启动。

（2）调速范围：

液力耦合器由于其输出转速低于输入转速，调速越深，损耗越大。故其调速范围只能在20%左右，调速范围有限。变频器范围广，可实现全范围调速，且响应速度快。

（3）运行效率：

液力耦合器是一种能耗型的机械调速装置，输出转速低于输入转速。输出转速的降低，实际是输出功率减小，调速越深（转速越低）损耗越大。因此液力耦合器的平均效率在50%左右。而变频器的效率高达95%以上。

（4）自动控制：

液力耦合器不能对电机自动合理调速，存在很大的能源浪费。变频器通过PID及PLC进行闭环调节，这种调节可以是连续的，也可以是跳跃的。并能实现自动控制和手动控制两者之间的方便切换，实现对电机转速的自动调节，以满足现场生产及其它设备设施检修、检查的需要。

（5）故障发生率：

液力耦合器易发生故障，维修费用高。故障率高，将严重影响影响生产的连续性，造成生产中断，造成生产、维护成本的显著上升。并且容易发生、冷却介质泄漏，污染环境。变频器采用过流、过压、瞬时断电、短路、欠压、缺相等多种保护，另采用软启动器工频回路与变频回路互锁控制，作为变频故障应急措施，可以在极短时间内恢复生产。

（6）投资回收期：

液力耦合器投资便宜，回收期短。但变频器比液力耦合器节能效果更加显著，随着国内高压变频器技术趋向成熟，用变频器取代液力耦合器的回收期将缩短到1－2年。

2、方案确定：

除尘风机所配电机为高压电机，不允许频繁启停。即生产过程中，电机始终带动风机运转，电能消耗量极大。

经过分析、对比，既要满足工艺要求，又要达到调速、节能的目的，100吨提钒转炉一次除尘风机，采用高压变频装置驱动除尘风机变频调速运行，系统配置方式为“一拖一”配置。

由于转炉及全连铸生产的连续性、快速性等，为保证万无一失，系统辅以一套软启动器控制。以便于在变频系统故障，一时难以恢复的情况下，利用软启动器启动、控制电机带动风机运转，在最短时间内恢复生产。将对生产的影响降到最低。

三、配套的风机电机参数

一次除尘风机系统参数

电网情况 电网电压：6kV±10%

负载情况 负载类型：风机

电机参数 电机类型：鼠笼异步电机电机型号：YBBP5603-4

额定电压：6kV 额定功率：1600kW

额定电流：183.9A功率因数：0.88

额定频率：50Hz额定转速：1487r/min

风机参数 额定流量：150000m3/h 额定压力：28KPa

四、连接方式

变频装置与电动机的连接方式如图2所示：

图2：系统一次接线示意图

QF为高压真空断路器，QS1、QS2、QS3、QS4为手动隔离开关。

五、变频调速系统简介

1、变频器基本结构原理

HARSVERT-A系列高压变频器为交―直―交电压源型变频器，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，输入电流谐波畸变小于4%，电网输入电压谐波畸变小于2%，输入功率因数高，无须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，输出电流谐波畸变小于2%，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，无须加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，变频器每个系统共有15个功率单元，每5个功率单元串连构成一相，其系统结构如图3所示。

图3：高压变频器系统结构

2、变频器提供“就地/远程”控制的控制方式，在变频器本机上选择实现“就地/远程”操作的切换。

3、变频运行

确认断开QS3、QS4，合上QS1、QS2（QS1、QS2与QS3、QS4采取机械、电气双重互锁，保证安全）。合上上级高压开关柜内QF，并观察高压是否显示正常；KM1闭合，控制回路准备就绪，上控制电，进入电压显示界面；解除急停，按复位键；系统自动充电，30S后充电完毕，设备内部接触器合闸；按起动按钮，变频器进入运行状态，通过调节输出频率，实现对风机的工况调节，满足现场工艺设备和系统的要求。

4、工频运行：

当高压变频器需要检修或者故障时，在上级高压开关柜QF断开时，断开QS1及QS2，合上QS3与QS4，再闭合QF，起动软启动器,此时电机工频运行。其中QS1、QS2与QS3、QS4互锁，防止误动作，造成事故。

5、单模块旁路技术

在某一功率模块出现故障时，系统自动旁路该功率模块，通过中性点漂移技术和系统补偿，使变频器自动恢复到使用状态，不至于造成停机。

6、功率单元在线检测技术

功率单元为三相输入单相输出的交－直－交PWM电压源型变频器，移相变压器的副边输出三相交流电经功率单元的三相二极管整流后，经滤波电容形成平直的直流电，再经过由IGBT构成的H型单相逆变桥，实行PWM控制。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电角度，实现多电平PWM，叠加以后输出电压的等效开关频率和电平数大大增加，输出电压非常接近正弦波。每个功率单元脉冲控制都是采用SPWM控制，逆变器的控制脉冲波形，由参考正弦波和三角波比较产生。

变频调速系统在使用过程中，发生过功率单元模块出现故障时，系统并未自动旁路该功率模块，变频器也未报任何故障或发出任何报警信号、报警信号不准确现象，而是变频器继续运转，但风机叶轮损坏严重，基本半月左右，风机振动值就达不到使用要求，必须停机，更换叶轮，严重影响生产。反复多次，风机始终无法正常运行，不得已，一次除尘风机停机做全面检查，重点检查变频系统。经过认真、仔细地排查，检查出某相其中一组功率单元损坏：功率单元输出波形不完全，只有下半部分，缺少上半部分。经过全面分析，大家一致认为，由于功率单元损坏，但一直处于工作状态，产生了大量奇次谐波，谐波引起了电机附加发热和转矩脉动，从而带动风机振动，让大家错误地判断为风机振动超标。后更换损坏的功率单元，风机系统一切恢复正常。

为此，最终在变频器上新增加了功率单元输出波形在线检测手段：安装示波器1套，实时监测，在触控屏上记录功率单元模块输出波形，可以随时调出查看，掌握功率单元运行状态。记录保持一个月，到期自动清除。

7、变频系统主要参数

变频器接受转炉本体提供的炉体倾角转换的开关量，-3至+3度，视为0度角，此时一次除尘风机高速运转。-3至+3度以外的角度为一次除尘风机低速运转。

加速时间：120S

减速时间：180S

低速频率设定：25Hz

高速频率设定：45Hz

低速750r/min―高速1350 r/min

高速1350r/min―低速750 r/min

8、高压变频器基本功能

（1） 三相6kV高压交流电通过高压开关柜送至干式隔离移相变压器，供给每相5个共计15个单相IGBT逆变器功率单元，采用Y形连接，每相上的5个功率单元输出的SPWM波相叠加后，将形成线电压为6kV的高质量的正弦波输出，供给电动机。通过控制此输出正弦波的电压幅值和频率，来控制电动机的转速；

（2） 变频器具有标准的RS-485通讯接口，能够实现系统集中控制；

（3） 除具有远程控制以外变频器还能实现本机控制，即可以通过变频器本机操作面板选择“本机/远程”控制方式；

（4）变频器具有过压保护、欠压保护、过载保护、短路保护、超温保护、输出短路保护等完备的保护功能；

（5）变频器输入电流谐波含量＜4%，输出电压失真畸变率＜2%，输出电流失真畸变率＜2.5%；

（6）变频器接口包括以下内容：

a) 模拟量输入AI（4～20mA）：频率给定

b) 模拟量输出AO（4～20mA）：运行频率、运行电流、运行速度、运行功率

c)输入干接点接口：远程启动、远程停止、远程复位、远程急停、上级高压辅助信号。

d)输出干接点接口：高压跳闸信号、变频器就绪、变频运行、变频器轻故障报警（声光报警装置安装在值班室）、变频器重故障

六、运行效果

1、节约能源

一次除尘风机采用交流变频调速器后，节能效果显著。较之以前采用液力耦合器方式，节约电能35%―40%之间。

2、减少了对电网的冲击

采用变频调速后，系统实现软启动，电机启动电流小，启动平稳，明显减少对电网的冲击，显著改善起动机械转矩对电机、风机等设备的机械冲击、损伤，有效的延长了电机及风机的使用寿命。

3、工作强度降低

由于调速系统实现联锁控制，机组启动后实现自动运行和相应的保护及故障报警，通过人机界面监控设备运行状态，简单、方便，基本实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。

4、维护量减少

采用变频调速后，无论哪种工艺条件，随时可以通过调整转速使系统在接近额定状态下工作。设备寿命提高，同时减少了检修、维护工作量，节约大量维护费用。通过设备运行数据的采集、记录，为设备维护、检修及故障排除提供依据，掌握设备运行状态，制定设备检修周期，及时消除设备隐患、排除故障，节约故障排除时间，为生产顺行提供强有力的设备保障。

5、网侧功率因数明显改善，采用高压变频调速，网侧功率因数由原来的0.88提高到0.98，可大大减少电网容量，节约无功补偿设备的投资。

6、减少污染

采用变频调速后，系统启动平稳，冲击小，可明显减少因启动冲击所带来的噪音污染。根据现场烟尘治理效果，通过调整变频器参数设置，调整风机运行速度，保证烟尘治理效果达到最佳效果，减少环境污染。同时达到深度节能的效果。

七、结束语

谐波是电力系统中的一种能量污染，会导致电动机发热而产生故障、电力保护误动作、电脑通讯设备受干扰等，其危害是很大的。通过在线检测功率单元输出波形，进一步减少了谐波的危害。小投入解决了大问题。

高压变频调速系统以其安全、可靠的运行性能正快速的替代其它调速产品，广泛地应用到各个行业的节能项目中。利用高压变频调速技术通过改变设备的运行速度，以实现现场工艺及设备控制需要，大大提高了系统的自动化程度，既满足了生产要求，又达到了节约电能，同时使维护量、维护费用大大降低，控制环境污染，为企业带来可观的社会效益和经济效益。

参考文献：

[1]TS-HAVF系列高压变频调速系统使用手册

[2]王雪松，赵争鸣.高压变频器在电力和冶金行业的应用现状分析[J].电气技术，2006（8）

[3]张庆，刘振东，王姜骅等.中压变频调速系统试验[J].电气传动，2007,37（8）