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【摘  要】：本文介紹了高壓變頻器在鋼鐵行業除塵風機上的應用情況，介紹了除塵風機變頻調速的運行工藝及變頻改造后的節能效果及工藝改善情況。

【關鍵詞】：高壓變頻器、變頻調速、節能、除塵風機

1、概述

鋼廠的冶煉過程耗電較大，耗電在煉鋼成本中是不可忽視的一部分，河北某鋼鐵有限公司系中外合資企業，于1993年成立，1994年10月正式投產，總資產11億元。有中型軋鋼生產線四條(800#軋機生產線一條, 650#軋機生產線一條和500#軋機生產線兩條),年生產能力70萬噸。 公司堅持面向未來，以可持續發展為主題，以實施產業結構調整，構筑新的競爭優勢為目標，實現工藝升級、產品更新，全面提高公司的運營水平與核心競爭力，走新型工業化道路，打造行業和產品優勢，加快用高新技術改造鋼鐵業的步伐，建設高科技的鋼鐵企業。公司響應國家的節能減排的政策方針，配置有三套除塵系統。根據生產工藝的要求，邀請我公司（深圳市英威騰電氣股份有限公司）技術人員到廠內的對#3除塵系統的除塵風機進行分析，對節能方面做評估。根據現場的運行數據及實際工藝的要求，我公司技術人員對其進行全面分析，有較大的節能空間。

2、設備參數及工藝要求

鋼廠整個系統共有3套除塵系統，#3除塵系統容量比較大，在生產過程中是主要的除塵設備，其電機及風機的參數如下表所示：

正常情況下，該鍋爐每55分鐘為一個生產周期，生產過程的不同階段，電爐產生的煙氣量不同，因此需要調節除塵風機的風量。按照正常的生產過程，為滿足生產工藝的要求，除塵系統的除塵量可以按如圖一所示調節。一個周期可分為4個階段：1、加料A～B，9分鐘；2、供電供氧高速C～D，15分鐘， 3、供電供氧中速E～F，25分鐘；4、出爐低速G～H，6分鐘。

除塵系統的監控采用工控機控制，工控機與變頻器通過硬接線的方式連接。操作室內的工控機可以實現對變頻器的啟動、停機、復位和高壓分斷等控制，調節變頻器給定頻率，并實時監視變頻器的運行工況。變頻器輸出頻率和輸出電流，以4-20mA方式反饋到DCS系統。

3、設備選型及系統方案

我公司技術人員根據現場設備的參數及工藝要求，結合我公司的CHH100系列高壓變頻器在其它工程地應用情況，我公司為其配置了一臺10KV/2500KW的CHH100系列的高壓變頻器，變頻器主要技術參數如下表

根據現場的運行工藝要求，考慮到變頻器退出運行后，為了不影響生產，確保除塵系統正常工作，我公司為系統配置工頻旁路，保留了以前的工頻啟動的軟啟動裝置，同時按照以往的保護定值進行整定，當變頻器出現異常時，將電機投切到工頻下運行。整個調速系統的一次回路圖如下所示：：

圖二  變頻系統一次回路圖

變頻調速系統由用戶開關、軟啟動器、手動旁路柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機組成。手動旁路柜是由三個高壓隔離開關QS1、QS2、QS3組成。電機以變頻方式運行時， QS2、QS3閉合，QS1斷開；電機以工頻方式運行時，QS1閉合， QS2、QS3斷開。手動旁路柜嚴格按照“五防”聯鎖要求設計，變頻輸出開關QS3和工頻開關QS1互鎖，完全能夠保證變頻調速系統安全運行。

旁路柜與上級高壓開關QF連鎖，旁路柜隔離開關未合到位時，不允許高壓開關合閘，QF合閘時，絕對不允許操作高壓隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。

CHH100系列高壓變頻器的接口比較靈活，有多種控制方式，有modbus通訊接口方式,也有硬接線控制方式，根據該工程的系統控制接口形式，選擇了硬接線的方式進行遠程控制。變頻器及現場的除塵風機如下圖所示。

4、變頻器工作原理

CHH100系列高壓變頻器一體化設計，系統屬于高—高結構方式，變頻裝置逆變主電路拓撲采用單元串聯多電平電壓源型變頻器，由變壓器柜、功率柜、控制柜、自動旁路柜四個部分組成，通過將多個低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出，可以直接配套異步鼠籠電機。CHH100系列高壓大功率變頻器的原理結構如圖三所示。電網送來的三相10KV交流電，經移相變壓器，由其副邊每相的9個二次線圈電壓逐個移相6.5°，供電給9個功率單元，三相共27個功率單元，形成Y聯結結構。變頻器控制部分采用DSP處理器對調制波形進行空間向量的優化處理，控制IGBT的通斷，即可在單元輸出兩點之間得到PWM波形，9個功率單元相疊加進行波形合成，可輸出高壓正弦波給感應電動機，因而形成近似正弦波大大降低了輸出諧波含量，不需輸出升壓變壓器和濾波裝置，可直接驅動普通高壓電機，而不會增加電機升溫而降低電機容量。因此，無需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對電機沒有特殊要求，可以使用普通異步電機，電機不必降額使用；具有軟啟動功能，沒有電機啟動沖擊引起的電網電壓下跌，可確保電機安全、長期運行在20-100%的帶載調速范圍內，變頻系統的不加任何功率因數補償的情況下輸入端功率因數能達到0.95以上。輸入電流諧波畸變<4%,輸出電流諧波畸變<2%

圖三  CHH100系列變頻系統圖

5、變頻器功能特點

1） 變頻調速系統的啟停方式

啟動方式：

（1) 直接啟動；

（2) 先直流制動再啟動(對于風機類可能由負載帶動反轉場合，可以先通過直流制動把電機剎住車再啟動，從而避免啟動時產生巨大的沖擊電流)；

（3) 轉速追蹤啟動。變頻調速系統首先追蹤電機的當前轉速，然后在當前電機的轉速的基礎上直接啟動。
停車方式：

（1) 減速停車(控制電機速度按照減速曲線減小，到零頻后停車)

（2) 自由停車(直接封脈沖，電機按照自己的慣性停車)

2） 頻率設定方式

（1) LED 鍵盤給定

（2) 通訊給定(觸摸屏采用這種方案)

（3) 模擬信號輸入給定

（4) 高速脈沖給定

（5) PID控制調節給定：通過PID給定與反饋的比較，自動調節頻率，在恒壓供水系統上應用尤其方便。

（6) 多段速給定：變頻調速系統可以設置多個頻率段，以及加減速時間，由端子靈活的選擇在這些頻率段時間切換。

（7) 同時為了運行頻率控制更加靈活，CHH系列變頻器支持兩個頻率源，實際運行頻率可以取這兩個頻率源的任意一個，或者對兩個頻率源進行和、差，以及最大值的組合。

（8) 用戶除了使用頻率源控制頻率以外，還可以通過up/down按鍵或者數字量端子靈活的對運行頻率進行增加、減小的微調。

3） 電壓自動調解功能。

由于我方提供的高壓變頻器有一級功率模塊的富裕量，高壓變頻調速系統可以根據母線電壓的波動自動調節輸出PWM信號的占空比，從而減輕電網電壓波動對于輸出電壓波動的影響。在母線電壓波動情況和功率模塊旁路的情況可以自動調解輸出電壓，保證輸出電壓的穩定。

4） V/F曲線選擇方式

有些負載(比如風機、水泵)都不是恒轉矩負載(風機水泵的轉矩與速度的二次方成正比)。為了適應這種變轉矩的負載特性，CHH系列高壓調速系統提供了多點V/F曲線，1.3次冪、1.7次冪、2.0次冪V/F曲線可供選擇。并且在可以在V/F的啟動低頻段進行電壓提升，滿足現場實際的調速需求。

5） 可編程用戶端子

高壓變頻調速系統提供豐富的端子功能給用戶，這些端子都是可通過功能碼進行設定，不需要更改系統的程序，便于現場調試,從而保證系統有靈活的可擴展性,完全能夠滿足DCS控制的要求。

6） 豐富的實時監控功能

系統參數：運行頻率、給定頻率、母線電壓、輸出電壓、輸出電流、運行速度、輸出轉矩、PID給定、PID反饋、端子狀態、摸擬量的值以及時間。

模塊參數：模塊電壓、模塊的溫度。

用戶可以通過功能碼選擇所需要顯示的監控對象。也可以通過觸摸屏查看相關的參數，變頻器有異常時，不但可以查看故障類型及處理方式，還可以查看故障時的變頻器運行狀態，便于快速排除故障。

7）  多段速控制功能

針對有頻繁變速要求系統，高壓調速系統可以提供多段速度調制模式。用戶可以通過端子靈活的選擇當前的運行速度段。

8）  Modbus通訊功能

高壓變頻調速系統提供對外的modbus通訊接口。用戶可以使用自己的系統通過modbus協議對變頻器進行控制，設置。

6、節能效果  

變頻器3月2日安裝完畢。根據現場的生產要求，變頻器于4月14日調試完畢，于4月15日對除塵風機變頻運行方式和工頻方式進行測試，4月15日除塵風機以變頻方式投入運行。在調試和試運行期間，測試的幾個關鍵的運行數據如下：

按照以上的測試數據，對除塵風機工頻運行和變頻運行消耗的電能計算如下：

根據實際運行的時間，高速運行15分鐘左右，中速運行有25分鐘左右，低速運行有15分鐘左右，所以綜合節電率為：

370.71×15+585.90×25+260.07×15

系統節電率 =  765.41×15+1522.05×25+1980.63×15×100%=30.42%

系統節電功率為:438.35KW

一天節電量：438.35×24 = 10520.57 度/天

按電價0.35元/度計算，一天節約電費：10520.57 × 0.35 = 3682.19元/天

7、 變頻調速優點  

變頻器改造后，對整個控制工藝有較大改善，對生產成本也有一定的降低，綜合考慮，變頻改造具有以下幾方面的優點：

1) 網側功率因數提高：原電機直接由工頻驅動時，滿載時功率因數為0.84左右。采用變頻調速系統后，電源側的功率因數可提高到0.95以上，無需無功補償裝置就能大大的減少無功功率，滿足電網要求，可進一步節約上游設備運行費用。

2)   設備運行與維護費用下降：采用變頻調節后，可以根據現場的實際除塵風量進行調節風機轉速，由于通過調節電機轉速實現節能，在負荷率較低時，電機、風機轉速也降低，主設備及相應輔助設備磨損較前減輕，維護周期可加長，設備運行壽命延長；并且變頻改造后擋板開度可達100％，運行中不承受壓力，可顯著減少擋板的維護量。變頻器運行中，只需定期對變頻器除塵，不用停機，保證了生產的連續性。

3) 用變頻調速裝置后，可對電機實現軟啟動，啟動時電流不超過電機額定電流的1.2倍，對電網無任何沖擊，電機使用壽命延長。在整個運行范圍內，電機可保證運行平穩，損耗減小。風機啟動時的噪音和啟動電流非常小，無任何異常振動和噪音。

4)   與原來舊系統相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升等多項保護功能，更完善地保護了電網和電機。

5)   操作簡單、靈活，運行方便，可通過計算機遠程給定等參數，變頻調速系統將會始終保持在0.01～0.1HZ頻率調整精度范圍內工作，為實現除塵系統的自動化創造優越條實現智能調節。

6)   適應電網電壓波動能力強，電壓工作范圍寬，電網電壓在-10%～+10%之間波動時，系統均可正常運行。

7)   變頻改造后，系統節能效果比較顯著，可提高系統運行效率，降低了公司的生產成本，提高了公司在市場上的競爭力。

 參考文獻：

【2】CHH100系列高壓變頻器說明書，深圳市英威騰，2007；

【1】胡先  主編  高爐爐前操作技術  冶金工業出版社，2006；