本文結(jié)合電爐生產(chǎn)的實(shí)際工況，介紹了山東新風(fēng)光公司研制生產(chǎn)的單元串聯(lián)多電平高壓大功率變頻器在湖北新冶鋼鐵廠4#電爐除塵風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用。通過改造，實(shí)現(xiàn)了電爐除塵風(fēng)機(jī)的高效運(yùn)行，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。
關(guān)鍵詞:高壓大功率變頻器 單元串聯(lián)多電平 節(jié)能
一 ．引言：
隨著世貿(mào)組織的加入和市場經(jīng)濟(jì)的不斷加劇，節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率成為企業(yè)提高產(chǎn)品市場占有率 、 競爭力的有效手段之一。而高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，使得該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、電力、水泥、給排水、制藥、造紙、污水處理等各個(gè)行業(yè)。湖北新冶鋼鐵有限公司二煉鋼廠正是在這種形勢下，對電爐除塵系統(tǒng)進(jìn)行高壓變頻技術(shù)研究改造的。電爐主要是通過用廢鋼、鐵合金和部分渣料進(jìn)行配料冶煉，根據(jù)不同的鋼種要求，可以接受高炭鉻鐵水，然后熔制出碳鋼或不銹鋼鋼水供煉鑄用。電爐在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生大量煙塵，污染環(huán)境，根據(jù)國家法規(guī)，需除塵處理。電爐冶煉一般分熔化期、氧化期和還原期，其中氧化期強(qiáng)化脫炭，在上述三個(gè)冶煉期中，氧化期產(chǎn)生的煙氣量最大，含塵濃度和煙氣溫度最高。 因此，電爐除塵系統(tǒng)按照氧化期的最大煙塵排量進(jìn)行設(shè)計(jì)，吹氧時(shí)期占整個(gè)煉鋼周期的 40％左右。此時(shí)風(fēng)機(jī)處于滿載運(yùn)行，而其它時(shí)間風(fēng)機(jī)處于輕載工況。改造前，不論電爐處于哪一個(gè)冶煉周期中，除塵風(fēng)機(jī)均全速運(yùn)行，風(fēng)量調(diào)節(jié)采用入口擋板開度調(diào)節(jié)，效率低，功耗大，大量的電能白白浪費(fèi)在擋板上，急需對原電爐除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。
二．原系統(tǒng)工藝簡介:
湖北新冶鋼鐵有限公司二煉鋼廠 4# 電爐為 10t 偏芯交流電爐，除塵器系統(tǒng)采用 TFMC 布袋式除塵器。 4# 電爐的煉鋼周期為 2 小時(shí) 20 分鐘，其中裝料 5～10 分鐘，送電熔化 40～60 分鐘，吹氧 50～80 分鐘，出鋼 3～5 分鐘，在電爐不同的生產(chǎn)階段，電爐產(chǎn)生的煙氣量和煙氣溫度不同，且差異較大。加料過程中，主要是裝料時(shí)廢鋼及渣料產(chǎn)生的揚(yáng)塵，需要的除塵風(fēng)量不大，要求粉塵不擴(kuò)散，不污染環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)。送電過程中是原料送電拉弧加熱，引發(fā)可燃廢棄物燃燒產(chǎn)生廢氣。此時(shí)，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態(tài)，要求煙塵能夠及時(shí)排出，又不能過多的帶出爐體熱量，以保證煉鋼周期。而在吹氧周期，不僅要求除塵系統(tǒng)能夠及時(shí)將煙塵排出，又必須保證爐體有合適的吹煉溫度，在沖渣出鋼時(shí)，主要排放物是沖渣產(chǎn)生的水蒸氣和少量廢氣。通過對 4# 電爐冶煉工藝分析：電爐在煉鋼不同的階段對除塵風(fēng)量的大小有明顯的不同，以吹氧冶煉最大，加料除塵為最小，鑒于電爐除塵系統(tǒng)中除塵風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式和設(shè)備特點(diǎn)，對除塵風(fēng)機(jī)的控制制定了改造方案。原系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)如下： 2 .1原系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)
除塵風(fēng)機(jī)參數(shù): 電動機(jī)參數(shù): 熱變電阻柜參數(shù)
型號 CTY20-246-12 型號 YKS 500-8-8 型號 HTR3-100/6
流量 380000m 3 /h 額定功率 630KW 額定電壓 6000V
風(fēng)壓 37000Pa 額定電壓 6000V 額定電流 90A
軸轉(zhuǎn)速 730r/min 額定電流 76 .5 A 額定頻率 50HZ
軸功率 630KW 額定轉(zhuǎn)速 740r/min 額定功率 700KW
電動機(jī)參數(shù) 額定功率因數(shù) 0 . 82
型號 YKS 500-8-8 額定頻率 50HZ
三．高壓變頻調(diào)速系統(tǒng):
湖北新冶鋼鐵有限公司經(jīng)多方考察，比較性價(jià)比，最終選定我公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌 JD-BP37 -800F 功率單元串聯(lián)多電平高壓大功率變頻器，對 4# 電爐除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速改造。
3 .1 風(fēng)光牌 JD-BP37 -800F 高壓變頻器主要性能指標(biāo)
變頻器功率 800KW 額定輸出電流 100A
輸入頻率 50HZ ± 5HZ 額定輸入電壓 6KV
允許電壓波動 ±20% 輸入功率因數(shù) ≥ 0.98
輸出頻率范圍 0～50HZ 輸出電壓范圍 0～6KV
頻率分辨率 0 .01HZ 加速時(shí)間可由用戶生產(chǎn)工藝設(shè)定
減速時(shí)間 可由用戶生產(chǎn)工藝設(shè)定 變頻器效率 ≥96%
過載能力 100% 連續(xù) 160% 連續(xù) 1min 220% 允許 1.5S
防護(hù)等級 IP20
3.2 JD-BP37 型高壓變頻調(diào)速器主要技術(shù)性能
3.2.1 高——高電壓源型變頻器，直接 6KV 輸入，直接 6KV 輸出，無須任何輸出變壓器或?yàn)V波器，適配于普通高壓電動機(jī)，對電機(jī)、電纜絕緣無損害。
3.2.2 輸入功率因數(shù)高，電流諧波小，無須功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波抑制裝置。
3.2.3 單元電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡單，互換性好。
3.2.4 輸出階梯正弦 PWM 波形。
3.2.5 高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強(qiáng)弱電隔離，安全可靠。
3.2.6 完善的故障檢測，精確的故障保護(hù)及準(zhǔn)確的定位顯示和報(bào)警。
3.2.7 內(nèi)置 PLC ，易于改變控制邏輯關(guān)系，可靈活選擇現(xiàn)場控制 / 遠(yuǎn)程控制，適應(yīng)現(xiàn)場多變需求。
3.2.8 采用載波移相控制技術(shù)，大大抑制了輸出電壓的諧波成分，保證輸出波形是完美正弦波。
3.2.9 控制電源與高壓電相互獨(dú)立，無高壓可以檢測變頻器輸出，便于現(xiàn)場調(diào)試以及培訓(xùn)操作人員，便于維護(hù)。
3.2.10 采用準(zhǔn)優(yōu)化 SPWM 調(diào)制技術(shù)，電壓利用率高。
3.2.11 功率單元經(jīng) 24 小時(shí)高溫老化、 150 ％負(fù)載試驗(yàn)，可靠性高。
3.2.12 中文 Windows 操作界面，彩色液晶觸摸屏操作。用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)界面十分友好和完善，系統(tǒng)包括上位機(jī)（商用 PC 機(jī)）、下位機(jī)（工控機(jī)）、單片機(jī)。其中單片機(jī)給用戶提供一個(gè) 4 位 LED 數(shù)碼顯示屏和一個(gè) 12 鍵的小鍵盤操作平臺，可對變頻器進(jìn)行全部操作，包括參數(shù)設(shè)置和各種運(yùn)行指令。工控機(jī)用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺，其功能更齊全，包括參數(shù)設(shè)定、功能設(shè)定、運(yùn)行操作、運(yùn)行數(shù)據(jù)打印、故障查詢等等。上位機(jī)（商用 PC 機(jī)）放在總控室，可對多臺變頻器進(jìn)行遙測、遙控。若只有一臺變頻器，上位機(jī)可省，或讓客戶自定。
3.2.13 可接收和輸出多路工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號。
3.2.14 可打印輸出運(yùn)行報(bào)表 。
3.3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)
風(fēng)光牌 JD-BP37 型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接 “高 -高”變換方式，屬電壓源型，采用功率單元多電平串聯(lián)方式，以最新型西門子IGBT為主控器件，全數(shù)字化控制， 彩色液晶觸摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器。 它對電網(wǎng)諧波污染小，輸入電流諧波畸變小于 1% ，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、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) 其系統(tǒng)由移相變壓器，功率單元和控制器組成。其工作原理如下：
（ 1 ）電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交 PWM 電壓源型逆變結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成 Y 接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機(jī)。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)每相由 6 個(gè)功率單元串聯(lián)而成，每個(gè)功率單元承受全部的電機(jī)電流、提供 1/6 相電壓和 1/18 的輸出功率。
（ 2 ）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。給功率單元供電的二次繞組每 3 個(gè)一組，分為 6 個(gè)不同的相位組。輸入電流波形非常接近于正弦波，總的諧波電流失真小于 1% ，輸入的綜合功率因數(shù)可達(dá) 0.98 以上。
（ 3 ）逆變器輸出采用多電平移相式 PWM 技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定的電角度，實(shí)現(xiàn)多電平 PWM ，輸出電壓非常接近于正弦波，每個(gè)電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以 dv/dt 很小，功率單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，提高效率，由于采用移相式 PWM ，電機(jī)電壓的等效開關(guān)頻率大大提高，且輸出電平數(shù)增加。風(fēng)光牌 JD-BP37 -800F 高壓變頻器，輸出相電壓均為 13 電平，線電壓均為 25 電平，輸出等效開關(guān)頻率為 6kHz ，電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱、噪音和轉(zhuǎn)矩脈動都大大降低，因此對電機(jī)沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機(jī)。
四．系統(tǒng)控制方案:
湖北新冶鋼鐵有限公司二煉鋼廠 4# 煉鋼電爐，配套除塵風(fēng)機(jī)一臺（功率為 630KW ）。除塵風(fēng)機(jī)為滿足電爐不同運(yùn)行工況下的風(fēng)量調(diào)節(jié)，對除塵風(fēng)量的控制采用分段調(diào)速的方式，分六段進(jìn)行控制。變頻器運(yùn)行頻率分別設(shè)定為 20HZ 、 30HZ、35HZ、40HZ、45HZ、50HZ。除塵風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)主回路接線圖如圖 3 示，為一拖一控制，設(shè)置工 / 變頻切換柜，以保證除塵風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行。變頻器實(shí)現(xiàn)就地 / 遠(yuǎn)程調(diào)速控制。當(dāng)選擇遠(yuǎn)程操作時(shí)，控制權(quán)交給電爐現(xiàn)場操作室；當(dāng)選擇就地時(shí)，控制權(quán)交給變頻器，可實(shí)現(xiàn)多段速調(diào)節(jié)，各種參數(shù)均可在觸摸屏上顯示，操作簡單明了。
五．現(xiàn)場運(yùn)行情況:
2004年2月，湖北新冶鋼鐵有限公司和我公司簽定高壓變頻器購貨合同，型號為JD-BP37-800F。
2004 年 3 月 13 日 ，開始安裝就位；
2004 年 3 月 18 日 ，調(diào)試完畢；
2004 年 3 月 23 日 ，正式投入運(yùn)行，整個(gè)變頻器安裝調(diào)試周期都很短，為 4# 電爐正常生產(chǎn)提供了有利的保證。
高壓變頻器控制除塵風(fēng)機(jī)，與原電爐除塵風(fēng)機(jī)比較，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
＊ 提高了電爐除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)了除塵系統(tǒng)的最佳工況運(yùn)行。
＊ 提高了產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)電爐生產(chǎn)工藝的要求，可適時(shí)改變除塵風(fēng)量，有助于改善爐內(nèi)吹煉工況，提高出鋼品質(zhì)。
＊ 縮短煉鋼時(shí)間，提高了出鋼產(chǎn)量。據(jù)實(shí)測，每煉鋼周期平均比以前減少了 10 分鐘左右，提高了生產(chǎn)效率。
＊ 減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用，延長了設(shè)備的使用壽命。原舊電爐除塵風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，風(fēng)機(jī)和電機(jī)始終滿負(fù)荷運(yùn)行，維護(hù)工作量大，檢修費(fèi)用高。采用變頻技術(shù)調(diào)速后，除塵設(shè)備隨生產(chǎn)工藝變負(fù)荷運(yùn)行，大大降低了除塵設(shè)備負(fù)荷率，延長了除塵風(fēng)機(jī)、電機(jī)、除塵器等設(shè)備的使用壽命。
＊ 變頻器具有多項(xiàng)保護(hù)功能，十分完善。與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護(hù)等多項(xiàng)保護(hù)功能，更精確地保護(hù)了電機(jī)。
＊ 調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高。除塵風(fēng)機(jī)的風(fēng)量經(jīng)常需要根據(jù)工藝的需要變化，與過去擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量相比較，采用變頻拖動風(fēng)機(jī)可以在 2～50HZ范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高，調(diào)節(jié)頻率波動可保持在0.1～0.01HZ范圍內(nèi)，便于實(shí)現(xiàn)除塵系統(tǒng)自動化控制。
＊ 節(jié)能效果顯著，大大降低了噸鋼電耗。
為了對除塵系統(tǒng)變頻改造后的效果進(jìn)行評價(jià)，在系統(tǒng)投入正常運(yùn)行一年后對設(shè)備實(shí)際使用和節(jié)電情況進(jìn)行了測定和數(shù)據(jù)分析。隨機(jī)抽取一個(gè)正常工作日，將系統(tǒng)切換工頻運(yùn)行采用入口擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量，網(wǎng)側(cè)計(jì)量耗電量，然后將系統(tǒng)切換變頻運(yùn)行，，計(jì)量耗電量，
具體數(shù)據(jù)如下表：
通過上表可以得出以下結(jié)論：除塵系統(tǒng)在變頻改造后較改造前，噸鋼除塵電耗降低了 38.49 KW·h ，節(jié)電率高達(dá) 48 ％，節(jié)能效果顯著。
六．結(jié)束語:
總之，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 JD-BP37 -800F 高壓大功率變頻器在湖北新冶鋼鐵有限公司二煉鋼廠 4# 號電爐除塵風(fēng)機(jī)上的改造是成功的，它不僅滿足了電爐除塵系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的要求，改善了電爐炊煉工藝，節(jié)能效果顯著，而且性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠。鑒于風(fēng)光牌 JD- BP37 型高壓大功率變頻器在冶金行業(yè)的出色表現(xiàn)，同時(shí)改造的１ # 電爐、 3# 電爐、6# 電爐除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，湖北新冶鋼鐵公司也采用我公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器。