高壓變頻器在煉鐵廠除塵系統(tǒng)中的應用

1、技師專業(yè)論文工種：維修電工題目：高壓變頻器在高爐除塵風機中的應用及節(jié)電效果目 錄摘要1關鍵詞1一、引言二、高爐除塵風機、主電機參數(shù)介紹以及除塵風機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀1三、高壓變頻調速系統(tǒng)組成結構與工作原理2四、系統(tǒng)調試中的問題及解決辦法5五、使用操作與檢修維護6六、風機變頻調速的應用分析6結束語9參考文獻9高壓變頻器在高爐除塵風機中的應用及節(jié)電效果作者：牛小慶【摘 要】本文詳細介紹了ZINVERT系列智能高壓變頻器在高爐除塵風機中的應用，分析了高壓變頻器的工作原理與性能特點。并結合在除塵風機上的應用，論述這種控制方案的優(yōu)點和巨大的經(jīng)濟效益?！娟P鍵詞】高壓變頻器 除塵風機 變頻調速 節(jié)能環(huán)保一、引言

2、在高爐煉鐵過程中，由于高爐炮泥潮濕或高溫的鐵水會同空氣發(fā)生劇烈的化學反應會產(chǎn)生大量的煙氣，這些煙氣一方面對現(xiàn)場操作的工人的健康很不利，另一方面也對環(huán)境造成了巨大的污染。所以各種高爐都配有大功率的除塵風機以改善這種惡劣的環(huán)境。然而大功率的高壓除塵風機其能量消耗是相當驚人的，在我國能源環(huán)境非常嚴峻的今天，節(jié)能減排成了必須的措施。傳統(tǒng)的除塵風機采用三相交流恒頻率供電，電機本身的轉速無法改變，通過調整風機擋板開度、利用液力耦合器和其它機械方式調速，能量損失很大且調速范圍和總體性能并不理想。利用普通變頻器調速又面臨高壓和嚴重諧波干擾的問題，本文以龍鋼公司煉鐵廠高爐除塵風機的改造項目為背景，介紹一種轉速開

3、環(huán)恒壓頻比控制的調速方案，以達到高性能調速和節(jié)能環(huán)保的目的。二、高爐除塵風機、主電機參數(shù)介紹以及除塵風機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀1、除塵風機、電機主要參數(shù)出鐵場除塵風機設計風量：90萬m3/h；除塵風機主電機的技術參數(shù)如下：電機型號： YPTKK800-6額定功率： 2000kW 額定電壓：10000V額定電流：142.5A功率因數(shù)：0.85額定轉速 997r/min2、除塵風機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀2.1 除塵風機采用水阻起動柜啟動，就是在電機定子回路（籠型電機）或轉子回路（對繞線電機）中串入液態(tài)電阻，電機在起動過程中液態(tài)電阻阻值在預定的時間內自動無級減小，直至阻值接近為零，將液阻自動切除，電機投入正常運行。

4、然而水阻的效率低，只能做軟啟動，且起動電流倍數(shù)在額定電流的23.5倍之間。如果作為調速，必須將水阻柜箱體（液體電阻部分）長期帶電，一旦出現(xiàn)箱體漏液或者液體電阻減少或者干枯，必出現(xiàn)生產(chǎn)事故或者安全事故。并且由于箱體液體電阻長期帶電，發(fā)熱嚴重，要有外圍散熱設備才能維持運行。所以相對人力維護成本也會增加。2.2除塵風機通過調節(jié)液力耦合器進行調速，由于液力耦合器屬于機械性調速，在調速范圍和調速響應上都有缺陷。就調速效率上，不如變頻器從電能本身來改變轉速的效率高，液力耦合器本身自損較大，一般丟轉較多，而且需要專門的油冷卻系統(tǒng)來進行冷卻，故障率高，增加了設備維護量。2.3除塵風機工作時，靠手動調整風門的開

5、口大小來調節(jié)用風量，根據(jù)流體力學我們可以知道，在風門沒有完全開放的狀態(tài)下，大量的動能損失在風門擋板中。由于風門處存在阻力，引起設備振動、現(xiàn)場噪音較大，影響了設備壽命和現(xiàn)場工作人員。鑒于此，在2013年節(jié)能改造中，公司領導決定對部分除塵風機進行改造，采用ZINVERT系列智能高壓變頻器對除塵風機進行調速控制。三、高壓變頻調速系統(tǒng)組成結構與工作原理ZINVERT系列智能高壓變頻調速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)技術解決器件耐壓問題，同時由于同相各級功率單元輸出SPWM信號通過移相后進行疊加，提高了輸出電壓諧波性能、降低輸出電壓的dv/dt；通過電流多重化技術提高輸入側諧波性能，減小對電網(wǎng)的諧波污染；主控制器

6、采用雙數(shù)字信號處理器（DSP）、超大規(guī)模集成電路可編程門列陣（CPLD和FPGA）為核心，配合數(shù)據(jù)采集單元、單元控制器和光纖通信回路以及內置的可編程邏輯控制器（PLC）構成控制系統(tǒng)。1、系統(tǒng)組成與原理 ZINVERT系列智能高壓變頻調速成套系統(tǒng)主要該設備主要由ZINVC-02-1009-20AR控制器、SIEMENS-S7-200CN的PLC、ZGHVC-2500/10F-9移相變壓器、ZINVU-150/17B1-69C-B1-ZH功率單元體等組成。在本次改造中保留了原來的水阻柜及液力耦合器可實現(xiàn)旁路切換。該方案中一次旁路接線采用自動相互閉鎖邏輯，保證電源輸入與輸出的唯一性，能夠實現(xiàn)工頻與變

7、頻之間的倒閘操作，控制操作靈活、可靠。10kV電源經(jīng)刀閘到高壓變頻裝置接至電動機，正常時先將水阻柜旁路再進行變頻啟動電動機。一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開高壓變頻裝置輸入側及輸出側開關，將變頻裝置隔離，切換至工頻側，把水阻柜投入，在工頻電源下通過串水阻降壓起動電動機。2、移相變壓器移相變壓器主要為各功率單元箱提供獨立的三相交流50Hz電源，該移相變壓器具有多個獨立的二次繞組，并采用移相延邊三角形接法與各功率單元相連通過它繞組的移相，可以顯著減小輸入電流中的諧波。如圖1-1所示。 圖1-1 系統(tǒng)控制原理圖3、功率單元電氣原理圖1-2功率單元電氣原理圖功率單元主要由三相橋式整流器、濾波電容器組

8、、IGBT逆變橋（H橋）構成，同時還包括功率器件驅動、保護、信號采集、光纖通訊等功能組成的控制電路。通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。對于10KV電壓等級ZINVERT調速裝置，每相由9個功率單元串聯(lián)疊加而成，電壓疊加原理類同于“電池組疊加”技術。其功率單元電氣原理如圖1-2 所示。單元輸出電壓如圖1-3所示。4、控制系統(tǒng)圖1-3單個功率單元輸出電壓波形圖ZINVERT系列智能高壓變頻調速系統(tǒng)的控制采用開環(huán)恒壓頻比控制，主控制部分以雙數(shù)字信號處理器（DSP）為控制核心，輔以可編程邏輯器件（CPLD/FPGA）、AD采樣和模擬輸入輸出單元、數(shù)字量輸入輸出接口。由液晶（LCD）顯示器

9、、LED指示和鍵盤組成的人機界面。單元的控制部分以可編程邏輯器件為核心，配合專用的IGBT驅動和保護模塊和檢測回路。主控制部分和單元控制部分的控制信號通過光纖進行信號傳輸，有效避免電磁干擾，增強系統(tǒng)的可靠性。5、控制方式根據(jù)異步電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，只要保證電動機反電動勢和定子頻率比值恒定，就可以使電機運行在額定磁通的情況下，達到效率最優(yōu)點。同時，在忽略定子電阻和漏感的情況下，電機的反電動勢等于定子機端電壓。由于反電動勢難以直接控制，所以在近似的情況下，采取保證機端電壓和定子恒定（簡稱U/f控制）的方式，通過控制轉差頻率來控制電機的轉矩和轉速，從而實現(xiàn)電機在較大范圍內的平滑調速運行。U/f控制

10、與矢量控制等高性能控制方案比較，具有軟硬件實現(xiàn)簡單、性價格比較合理等優(yōu)點。ZINVERT系列智能高壓變頻調速系統(tǒng)在恒壓頻比控制的基礎上，提供兩種類型（直線和二次方曲線，）V/F曲線，兩種基本的V/F曲線見圖1-4示。由用戶根據(jù)現(xiàn)場情況設置功能參數(shù)，選擇合適的V/F曲線，以補償定子電壓，并能根據(jù)負載類型選擇效率更優(yōu)的曲線。內部設有加速過流限速功能，以確保電機啟動的沖擊電流，保證電機的安全運行，減輕了啟動機械轉矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。啟動過程自動搜索電機轉速，停機前不必保證電機停轉，能夠實現(xiàn)對電網(wǎng)和電動機無過流沖擊的快速啟動。圖1-4三種基本的V/F曲線6、主要技術參數(shù)電壓等

11、級10kV過載能力100%額定電流連續(xù)；130%額定電流1min；180%額定電流0sec；輸出電壓SPWM疊加波形，標準正弦，0VUn(標稱額定輸出電壓值)連續(xù)可調頻率分辨率0.01Hz電流諧波THD小于2%（滿載時）輸入允許頻率波動頻率：-5 +5%波動電壓波動電壓：-15 +15%以內正常運行；-15% -35%降額連續(xù)運行功率因數(shù)0.96（20%負荷以上）控制啟動頻率0.110Hz（可設定）精度頻率穩(wěn)定精度0.1%；電壓精度2%輸入/輸出接口16數(shù)字量輸入/16數(shù)字量輸出2模擬量輸入/2模擬量輸出（420mA或05V/10V信號）效率額定輸出時97%，額定輸出20%88%時95%，轉矩

12、提升10%額定電壓（可設定）加減速時間03000sec可設定瞬時掉電再啟動再啟動方式可選，等待時間0.130秒（可設定）。自整定內置PLC采用自適應模糊控制，智能調節(jié)，系統(tǒng)響應速度快，精度高，穩(wěn)定性好，PID參數(shù)自動調節(jié)，大大簡化了現(xiàn)場調試工作量最小分辨率傳感器量程1%穩(wěn)態(tài)精度由設定精度誤差及傳感器精度決定顯示LCD顯示輸出頻率、電壓、電流、功率、功率因數(shù)；輸入電壓、電流、功率、功率因數(shù)；故障/報警及其記錄；參數(shù)設定；波形顯示、諧波分析等保護功能過流、短路、接地、過壓、欠壓、過載、過熱、電動機過載、缺相、IGBT擊穿或短路、單元故障等故障切換系統(tǒng)旁路切換功能，單元旁路功能噪聲電磁噪聲小于70d

13、B，總噪聲小于90dB四、系統(tǒng)調試中的問題及解決辦法1、在高壓變頻器通電之前，對進線變壓器進行耐壓實驗，可分三次以上不同的時間進行，完成之后，才能對高壓變頻器通電進行調試。調試時的速度由變頻器直接輸出，從10%到100%的額定速度，分段進行速度給定，這期間注意高壓變頻器及電機等設備運行情況。當運行正常后，即可開始連接風機帶負荷運行，速度也是由10%到100%的額定速度給定分階段進行升、降速。在此階段必須調節(jié)好高壓變頻器的升、降速時間，不能過快，否則變頻器會報故障而停機，甚至會燒壞IGBT模塊。針對除塵風機情況，一般升速時間在120秒左右，降速時間在100秒左右，這樣即保證了生產(chǎn)工藝要求的快速升

14、降速度，又保護了變頻器不會損壞。2、變頻器的速度輸出是由外部給定的模擬信號來控制的，因此，在調試中必須確保模擬信號的穩(wěn)定性。變頻器設備會產(chǎn)生較大的電磁干擾信號，對于模擬信號的傳輸影響很大。因此，設計、施工時做好接地工作、選用屏蔽電纜之外，最好對信號電纜穿鐵管加以屏蔽。信號類型選擇電流信號而不要選用電壓信號。五、使用操作與檢修維護高壓變頻器旁路柜內有隔離開關K1、K2，真空接觸器J1、J2、J3實現(xiàn)電氣互鎖，防止誤操作將工頻電源反送到變頻器輸出側而導致變頻器損壞。變頻運行：隔離開關K1、K2，真空接觸器J1、J2處于合閘狀態(tài)，真空接觸器J3處于斷開狀態(tài)。由合閘斷路器DL為變頻器供電，再通過變頻器

15、本地或遠程啟動電機變頻運行；工頻定速運行：隔離開關K1、K2，真空接觸器J1、J2處于合閘狀態(tài)處于斷開狀態(tài)，真空接觸器J3處于閉合狀態(tài)，由合閘斷路器DL通過高壓水阻柜直接啟動電機定速運行。變頻器維護、檢修K1、K2、J1、J2斷開，變頻器與高壓電源完全隔離。變頻器發(fā)生故障停機的緊急處理變頻器發(fā)生故障停機，原因是多方面的。第一，可能是高雅變頻柜發(fā)生故障；第二，可能是電機過載或電機損壞；第三、可能是高壓電源波動等故障。如果能夠確定判斷是由于高壓變頻柜發(fā)生故障造成停機，可以馬上變頻倒工頻操作。六、風機變頻調速的應用分析1、節(jié)能分析1. 1電機運行控制除塵風機主要將高爐出鐵場產(chǎn)生的煙氣、灰塵吸入布袋除

16、塵處理、過濾，廢氣排向大氣。除塵系統(tǒng)在設計時首先要滿足高爐在出鐵時最大負荷的需求及運行情況下電機和負載都是按照最大負荷的1.25倍來設計的，由于煉鐵出鐵場除塵風機基本上額定轉速工頻運行,而高爐的整個煉鐵流程:煉鐵過程占整個流程的三分之一,出鐵過程占整個流程的三分之二,即只有出鐵時才需要風機滿負荷工作,在煉鐵時風機基本上處于輕載運行。這樣可以節(jié)約能源，也可減小對除塵風機及電機造成無謂的磨損。ZINVERT智能化節(jié)能設備通過對高爐出鐵口進行遠程控制，在出鐵場加裝紅外線檢測儀，及時檢測出鐵口狀況，控制電機在出鐵時以40Hz運行，而不出鐵時控制風機保持在25Hz運行，既能保持設備運行狀況良好，又能達到

17、高效節(jié)能的目的。1. 2風門調節(jié)與變頻調節(jié)的區(qū)別圖中曲線1為風機在恒速下壓力H和流量Q的特性曲線，曲線2是管網(wǎng)風阻特性（閥門開度為100%）。假設風機在設計時工作在A點的效率最高，輸出風量Q1為100%，此時的軸功率P1=Q1H1，與面積AH10Q1成正比。根據(jù)工藝要求，當風量需從Q1減少到Q2（例如70%）時，如采用調節(jié)閥門的方法，相當于增加了管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性曲線2變到曲線3，系統(tǒng)由原來的工況A點變到新的工況B點運行，由圖中可以看出，風壓反而增加了，軸功率P2與面積BH20Q2成正比，減少不多。 如果采用變頻調速控制方式，將風機轉速由N1降到N2，根據(jù)風機的比例定律，可以畫出在轉速N

18、2下壓力H和風量Q特性如曲線4所示，可見在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H3將大幅度降低，功率P3（相等于面積CH30Q2）也隨著顯著著減少，節(jié)省的功率P2=HQ2與面積BH2H3C成正比，節(jié)能的效果是十分明顯的。風機特性曲線與管網(wǎng)特性曲線由流體力學可知，風量Q與轉速的一次方成正比，風壓H與轉速N的平方成正比，軸功率P與轉速的立方成正比，當風量減少，風機轉速下降時，其功率下降很多。1. 3 液力耦合器調速與變頻調速的區(qū)別液力耦合器是通過控制工作腔內工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量并改變輸出轉速的，電動機通過液力耦合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進行加速，被加速的工作油再帶動液力耦合

19、器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載，這樣，可以通過控制工作腔內的油壓來控制輸出軸的力矩，達到控制負載的轉速的目地。因此液力耦合器也可以實現(xiàn)負載轉速無級調節(jié)，在變頻器未應用以前，液力耦合器不失為一種較為理想的交流電機調速方式。 液力耦合器從電動機輸出軸取得機械能，通過液力變速后送入負載，其效率不可能為1；變頻器從電網(wǎng)取的電能，通過逆變后送入電動機其效率也不可能是1；在全轉速范圍內，變頻器的效率變化不大，變頻器在輸出低轉速下降時效率仍然較高，例如：100%轉速時效率97%，75%轉速時效率大于95%，20%轉速時效率大于90%；液力耦合器的效率基本上與轉速成正比，隨著輸出轉速的降低，效率基

20、本上成正比下降。例如：100%轉速時效率95%，75%轉速時效率約72%，20%轉速時效率約19%。液力耦合器用于風機等負載，由于其軸功率與轉速的三次方成正比，當轉速下降時，雖然液力耦合器效率與轉速成正比下降，但電動機綜合軸功率還是隨著轉速的下降成二次方比例下降，因此在變頻器取代液力耦合器調速時，計算節(jié)能時，電機軸功率與轉速的一次方成正比。1. 4 變頻調速運行效果在交流調速中，交流電機的調速公式N=60f1(1-s)/p,而電機功率P=P(N/N) 當電機頻率下降時，電機的轉速成比例減小，流量按（2）式比例減小，功率按（1）式大大降低，從而達到節(jié)能的目的。其減少的功耗 P=P01-(N1/N

21、0)（1）式 減少的流量 Q=Q01-(N1/N0) （2）式其中N1為改變后的轉速，N0為電機原來的轉速，P0為原電機轉速下的電機消耗功率，Q0為原電機轉速下所產(chǎn)生的流量。 由上式可以看出流量的減少與轉速降低的一次方成正比，功耗的減小與轉速降低的三次方成正比,因此改變頻率，節(jié)能效果顯著。2、經(jīng)濟效益分析安裝使用ZINVERT系列智能高壓變頻調速節(jié)能設備的節(jié)能統(tǒng)計風門開度轉速r/min頻率風量（萬m3/h）電流（A）月耗電（萬度）風機振動值前軸后軸改造前80%9205074112115.710.8/1.10.7/0.5改造后100%74740/259099/6584.350.4/0.30.4/0.2由上表統(tǒng)計分析可見，采用變頻調節(jié)后，電機工作頻率下調，轉速下降，風門開度實現(xiàn)全開，而且增加了除塵風量，確保除塵效果。同時也減小了主設備及相應輔助設備如軸承等磨損、振動值、溫度等相應地延長了許多部件的壽命，同時極大的減輕了對管道的沖擊，有效延長了設備的檢修周期，減小了檢修維護開支，節(jié)約了大量的維護費用。根據(jù)安裝ZINVERT系列智能節(jié)能