高壓變頻器系統(tǒng)在4#除塵風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用.doc

高壓變頻器系統(tǒng)在4#除塵風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用（圖）1、引言三鋼煉鋼廠原有15t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐三座，采用“三吹三”方式，轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，爐口會(huì)排出大量棕紅色的煙氣，煙氣溫度高、含有易燃?xì)怏w和金屬顆粒，按照我國1996年頒布的大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB16297一1996），對(duì)煙氣必須冷卻、凈化，由引風(fēng)機(jī)將其排至煙囪放散或輸送到煤氣回收系統(tǒng)中備用。因此，每座轉(zhuǎn)爐需配有一套除塵系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)采用二級(jí)文氏管煙塵凈化方式，煙道直徑1.7m,煙氣輸送管線820mm，風(fēng)機(jī)型號(hào)AI850，電機(jī)功率630KW/6KV。由于轉(zhuǎn)爐周期性間斷吹氧，為滿足節(jié)能和環(huán)保要求,要求風(fēng)機(jī)在整個(gè)煉鋼工作周期內(nèi)變速運(yùn)行，吹氧時(shí)高速運(yùn)行，不吹氧時(shí)低速運(yùn)行。2000年初，煉鋼廠對(duì)三座轉(zhuǎn)爐進(jìn)行擴(kuò)容改造，將風(fēng)機(jī)移至地面，采用液力偶合器調(diào)速，高速2700r/min（設(shè)計(jì)2900r/min），低速1200r/min。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)液力偶合器技術(shù)存在著局限性，主要表現(xiàn)在：1、調(diào)速范圍在30%90%之間，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定；而且低速1200r/min仍然偏高，造成能源浪費(fèi)，高速運(yùn)行時(shí)，液力偶合器有時(shí)失速，轉(zhuǎn)爐爐口冒煙； 2、液力偶合器需經(jīng)常更換軸承，造成轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)，不能滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要。 3、電動(dòng)機(jī)的效率低，損耗大，尤其低速運(yùn)行時(shí)，效率極低； 4、調(diào)節(jié)精度低、線性度差，響應(yīng)慢； 5、啟動(dòng)電流仍比較大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定； 6、液力偶合器故障時(shí)，無法切換至工頻旁路運(yùn)行，必須停機(jī)檢修； 7、漏油嚴(yán)重，對(duì)環(huán)境污染大，地面被油污蝕嚴(yán)重； 鑒于液力偶合器存在上述眾多問題，因此在2001年，煉鋼新上一座30t轉(zhuǎn)爐時(shí)決定不再使用液力偶合器調(diào)速，改用高壓變頻器為新轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 2、高壓變頻器技術(shù)要求及改造方案 除塵風(fēng)機(jī)是除塵凈化系統(tǒng)的動(dòng)力中樞，一旦除塵風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還有可能威脅到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員的人身安全；另外，調(diào)速系統(tǒng)工作的環(huán)境比較惡劣；同時(shí)轉(zhuǎn)爐又周期性間斷吹氧；所以，和除塵風(fēng)機(jī)配套的高壓調(diào)速系統(tǒng)，要求具有極高的可靠性?；谝陨瞎ぷ魈攸c(diǎn)，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要要求如下： 1、要求變頻器要有高可靠性，長期運(yùn)行無故障。 2、要求變頻器有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可使電機(jī)切換到工頻運(yùn)行。3、調(diào)速范圍要大，效率要高。 4、具有邏輯控制能力，可以自動(dòng)按照吹氧周期升降速。 5、有共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)設(shè)置，能使電機(jī)避開共振點(diǎn)運(yùn)行，讓風(fēng)機(jī)不喘震。 經(jīng)過多方調(diào)研、比較，最后決定采用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器，通過雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了4#轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)的變頻改造方案，改造方案如下：2.1 設(shè)備配置 KM：變頻器供電的高壓真空斷路器KG1、KG2、KG3：高壓變頻器內(nèi)置真空接觸器，由廠家提供BPQ：HARSVERT-A06/076變頻器DJ：630KW/6KV異步電動(dòng)機(jī)。KM為原有高壓真空開關(guān)。 DJ保留原有異步電機(jī) 要求可以遠(yuǎn)程和本機(jī)控制。風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，如果變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障，變頻器自動(dòng)停機(jī)。遠(yuǎn)程控制時(shí)，通過操作臺(tái)工頻/變頻旋鈕把電機(jī)切換到工頻電網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)吹煉周期結(jié)束后，檢修變頻器。變頻器檢修完畢后，通過把操作臺(tái)工頻/變頻旋鈕打到變頻位置，返回變頻調(diào)速狀態(tài)。本機(jī)控制時(shí)，通過變頻器控制柜工頻/變頻旋鈕把電機(jī)切換到工頻電網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)吹煉周期結(jié)束后，檢修變頻器。變頻器檢修完畢后，通過把變頻器工頻/變頻旋鈕打到變頻位置，返回變頻調(diào)速狀態(tài)。2.2 電機(jī)及風(fēng)機(jī)參數(shù)1）電機(jī)參數(shù)： 2）風(fēng)機(jī)參數(shù)：型 號(hào)： Y4004-2型號(hào)：AI850額定功率： 630KW 進(jìn)氣容積流量：850m3/min(混合煤氣)額定電壓： 6KV 壓力增加值： 2600mmH2O額定頻率： 50Hz進(jìn)氣溫度： 35額定電流： 73A 主軸轉(zhuǎn)速： 2975rpm額定效率： 92.5% 額定功率因數(shù)：0.89額定轉(zhuǎn)速： 2970rpm 軸功率： 500kw2.3 除塵風(fēng)機(jī)工藝要求 1）吹煉工藝周期 A到B為兌鐵加廢鋼時(shí)間,約1分鐘。B到C為風(fēng)機(jī)升速時(shí)間，暫定1分鐘，可以調(diào)節(jié)。C到D為吹氧時(shí)間，約14分鐘。D點(diǎn)風(fēng)機(jī)開始減速，暫定3分鐘，可以調(diào)節(jié)。D到E為倒?fàn)t測(cè)溫取樣時(shí)間，約2分鐘。E到F為出鋼時(shí)間，約2分鐘。F到G為濺渣時(shí)間，約3分鐘。整個(gè)吹煉工藝周期約26分鐘，其中高速時(shí)間（C到D）12分鐘。高速定為45Hz,可以調(diào)節(jié)；低速定為20Hz,可以調(diào)節(jié)。2）變頻器和現(xiàn)場(chǎng)接口在B點(diǎn)，將爐前、爐后和氧氣流量信號(hào)送到4#爐電磁站PLC電氣站，通過用戶程序處理后，輸出到繼電器，由繼電器提供一對(duì)閉合節(jié)點(diǎn)（繼電器吸合時(shí)，變頻器高速運(yùn)轉(zhuǎn)；繼電器釋放時(shí)，變頻器低速運(yùn)行），當(dāng)在爐前操作并有氧流量時(shí)，繼電器吸合，變頻器開始從低速向高速升速，在C點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作工進(jìn)行吹煉。在D點(diǎn)，準(zhǔn)備出鋼，爐前工轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到爐后或沒有吹煉的時(shí)間超過15分鐘，繼電器釋放，變頻器開始降速，降速時(shí)間不作具體要求，但在減速過程中如果需要提速，變頻器應(yīng)能滿足提速要求。爐前、爐后和氧氣流量信號(hào)組合圖PLC程序如下圖所示。程序控制說明：爐前操作吹煉時(shí)，接點(diǎn)M20.1和M2.0通，將置位復(fù)位觸發(fā)器RS置位，此時(shí)Q20.2有輸出，同時(shí)由Q20.2輸出驅(qū)動(dòng)中間繼電器，從而由繼電器接點(diǎn)送給高壓變頻器高低速信號(hào)（繼電器通為高速，斷為低速）；當(dāng)爐前工轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到爐后或沒有吹煉的時(shí)間超過15分鐘時(shí)，T44或T45或M20.2通，置位復(fù)位觸發(fā)器RS復(fù)位，Q20.2沒有輸出，繼電器釋放，變頻器降速。 3）變頻器技術(shù)指標(biāo)輸入電壓：三相交流有效值 6.3KV10%輸入頻率：505Hz輸出電壓：三相正弦波電壓0-6KV輸出頻率：0-50Hz頻率分辨率：0.01HZ加速時(shí)間：可按工藝要求設(shè)定減速時(shí)問：可按工藝要求設(shè)定頻率設(shè)定方式：高低兩級(jí)速度，可在0-50Hz范圍內(nèi)調(diào)整故障診斷及檢測(cè)：自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)定位網(wǎng)側(cè)功率因素：0.95（高速時(shí)）過載保護(hù)：120%l分鐘（每10分鐘）、150%立即保護(hù)防護(hù)等級(jí)：IP20環(huán)境溫度：0-40環(huán)境濕度：90%,無凝結(jié)海拔高度：1000米以下3、高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng) 3.1 監(jiān)控和操作除塵風(fēng)機(jī)在不吹煉時(shí)，只需要很低的轉(zhuǎn)速，根本不需要滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際需要對(duì)除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻運(yùn)行，既保證和改善了工藝，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的和效果。采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻改造具體實(shí)現(xiàn)過程如下：變頻器操作可以在本機(jī)控制，也可以遠(yuǎn)程操作。變頻器包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)(如RS485)的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)展控制開關(guān)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。變頻器也可由控制室的上位機(jī)或操作臺(tái)進(jìn)行操作，吹煉時(shí)（B到D），變頻器高速運(yùn)行，不吹煉時(shí)，變頻器低速運(yùn)行?？梢愿鶕?jù)工況需要自由設(shè)定，完全可以滿足工藝要求。變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)圖如下：現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以通過上位機(jī)或操作臺(tái)對(duì)變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作并監(jiān)控變頻器運(yùn)行狀態(tài)。上位機(jī)：可以通過上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，一方面便于用戶隨時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行情況，另一方面，也利于設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)，故障問題可以及時(shí)得到解決。操作臺(tái)：可以通過操作臺(tái)對(duì)變頻器進(jìn)行簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程操作，包括：工頻/變頻切換。3.2 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)原理 HARSVERT高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串并聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入電流諧波畸變小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，630kW/6kV變頻系統(tǒng)共有21個(gè)功率單元，每7個(gè)功率單元串連構(gòu)成一相。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置圖如圖（a）、（b）：其系統(tǒng)工作原理如下： （1）功率單元每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。單元旁路功能：當(dāng)某個(gè)功率模塊發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)旁路運(yùn)行，變頻裝置不停機(jī)，但需降額使用，即在每個(gè)功率單元輸出端之間并聯(lián)旁路電路，當(dāng)功率單元故障時(shí)，封鎖對(duì)應(yīng)功率單元IGBT的觸發(fā)信號(hào)，然后讓旁路SCR導(dǎo)通，保證電機(jī)電流能通過，仍形成通路。為保證三相輸出電壓對(duì)稱，在旁路故障功率單元的同時(shí)，另外兩相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)功率單元也同時(shí)旁路。對(duì)于6kV的變頻器每相由7個(gè)功率單元串聯(lián)而成，當(dāng)每相1個(gè)單元被旁路后，每相剩下6個(gè)功率單元，輸出最高電壓為額定電壓的85%，輸出電流仍可達(dá)到100%，輸出功率仍可達(dá)到85%左右，對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載轉(zhuǎn)速仍可達(dá)92%以上，基本能維持生產(chǎn)要求，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。（2）變壓器柜主要包括為功率單元供電的移相變壓器，還有輸入側(cè)的電壓、電流檢測(cè)器件電壓互感器和電流互感器，以及溫度檢測(cè)器件溫控器。（3）功率柜柜內(nèi)主要對(duì)功率單元進(jìn)行組合，通過每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，得到非常好的PWM波形，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器，輸出電纜長度長，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉輪的機(jī)械應(yīng)力。柜內(nèi)還附帶輸出電流和電壓檢測(cè)功能。（4）風(fēng)機(jī)變壓器柜配置6臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，由溫控儀控制其起停，當(dāng)變壓器負(fù)荷增大，運(yùn)行溫度上升，繞組溫度達(dá)80時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻；當(dāng)繞組溫度低至70時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止風(fēng)機(jī)。當(dāng)變壓器繞組溫度繼續(xù)升高，若達(dá)到110時(shí)，系統(tǒng)輸出超溫報(bào)警信號(hào)；若溫度繼續(xù)上升達(dá)130，變壓器迅速跳閘。柜體上還設(shè)置了溫度顯示系統(tǒng)。功率柜根據(jù)功率大小配置2臺(tái)具有世界領(lǐng)先技術(shù)，德國進(jìn)口EBM后向離心式冷卻風(fēng)機(jī)(裕量大，單臺(tái)容量占總排量的50%)；如需將熱量直接排至室外，可增設(shè)風(fēng)道。（5）控制柜控制器核心由高速單片機(jī)和工控PC協(xié)同運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破鬟€包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)(包括DCS/RS485/Profibus/Modbus/以太網(wǎng)等)的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)展控制開關(guān)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。3.3 保護(hù)功能變頻裝置有過電壓，過電流，欠電壓，缺相，變頻器過載，變頻器過熱，電機(jī)過載等保護(hù)功能變頻： 1）過載保護(hù)。電機(jī)額定電流的120%，每10min允許1min（反時(shí)限特性），超過則保護(hù)。 2）過流保護(hù)。電機(jī)額定電流的150%，允許3s，超過則立即保護(hù)。變頻器輸出電流超過電機(jī)額定電流的200%，在10s內(nèi)保護(hù)。 3）過壓保護(hù)。檢測(cè)每個(gè)功率模塊的直流母線電壓，如果超過額定電壓的115%，則變頻器保護(hù)。此保護(hù)4）實(shí)際上包括了對(duì)電網(wǎng)電壓正向波動(dòng)的保護(hù)。 欠壓保護(hù)：檢測(cè)每個(gè)功率模塊的直流母線電壓，如果低于設(shè)定的數(shù)值，則變頻器先降壓再保護(hù)。此保護(hù)實(shí)際上包括了對(duì)電網(wǎng)電壓負(fù)向波動(dòng)的保護(hù)。 5）過熱保護(hù)。包括兩重保護(hù)：在變頻調(diào)速系統(tǒng)柜體內(nèi)設(shè)置溫度檢測(cè)，當(dāng)環(huán)境溫度超過預(yù)先設(shè)置的值時(shí)，發(fā)報(bào)警信號(hào)；另外，在主要的發(fā)熱元件，即整流變壓器和電力電子功率器件上放置溫度檢測(cè)，一旦超過極限溫度（變壓器130考核、功率器件80），則保護(hù)。如電機(jī)提供溫度接點(diǎn)和溫度模擬信號(hào)輸送到PLC，可進(jìn)行電機(jī)過熱保護(hù)。 6）缺相保護(hù)。缺相保護(hù)設(shè)置在每個(gè)功率模塊上。當(dāng)變頻器輸入側(cè)掉相或功率模塊的保險(xiǎn)熔芯融化時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并保護(hù)。 7）光纖故障保護(hù)。當(dāng)控制器與功率模塊之間的連接光纖出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并保護(hù)。 所有故障，均在中文用戶界面上指定故障確切位置，便于用戶采取應(yīng)對(duì)措施。變頻裝置有隔離變壓器的各種保護(hù)。4、設(shè)備運(yùn)行情況1、運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠。原來使用液力偶合器大概40天左右就必須更換軸承，每次需停爐半天左右，帶來的巨大的經(jīng)濟(jì)損失。HARSVERT-A06/076變頻器具有免維護(hù)的特點(diǎn)，只需定期清洗柜門上的通風(fēng)濾網(wǎng)，不用停機(jī)，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。從1月4日投入運(yùn)行以來，一直正常運(yùn)轉(zhuǎn)，沒有出現(xiàn)故障。2、節(jié)能效果顯著，大大降低了噸鋼電耗。3、電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了真正的軟啟動(dòng)、軟停運(yùn)，變頻器提供給電機(jī)的無諧波干擾的正弦波電流，降低了電機(jī)的故障次數(shù)。同時(shí)，變頻器設(shè)置共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)頻率，避免了風(fēng)機(jī)長期在共振點(diǎn)運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)工作平穩(wěn)，風(fēng)機(jī)軸承磨損減少，延長了電機(jī)、風(fēng)機(jī)的使用壽命和維修周期，提高了風(fēng)機(jī)的利用效率。 4、變頻器自身保護(hù)功能完善，同原來繼電保護(hù)比較，保護(hù)功能更多，更靈敏，大大加強(qiáng)了對(duì)電機(jī)的保護(hù)。 5、變頻器同現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)無縫接口，滿足生產(chǎn)的需要。變頻器內(nèi)置PLC，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接入靈活。4#轉(zhuǎn)爐電磁站PLC電氣站為變頻器提供一對(duì)高速/低速節(jié)點(diǎn)，變頻器按照節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)自動(dòng)高速、低速往復(fù)運(yùn)行；變頻器自帶轉(zhuǎn)速測(cè)定，原來同電機(jī)相連的測(cè)速器也被取消，由變頻器為現(xiàn)場(chǎng)直接提供電機(jī)轉(zhuǎn)速指示。6、適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)，有時(shí)電網(wǎng)電壓高達(dá)6.7KV，變頻器仍能正常運(yùn)行。7、同液力偶合器比較，在加速期間大大減小了噪聲，削弱了噪聲污染。由于不用定期拆換軸承，減少了機(jī)油對(duì)環(huán)境的污染，使風(fēng)機(jī)房的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有了極大改善。 5、節(jié)能分析4#風(fēng)機(jī)高壓變頻器投入使用以來，運(yùn)行情況良好，基本達(dá)到預(yù)期的節(jié)能目的