摘 要：本文結合電爐生產的實際工況，介紹了山東新風光電子科技發(fā)展有限公司研制生產的單元串聯多電平高壓大功率變頻器在湖北新冶鋼鐵廠4#電爐除塵風機中的應用。通過改造，實現了電爐除塵風機的高效運行，達到了節(jié)能降耗的目的。
關鍵詞：高壓大功率變頻器 單元串聯多電平 節(jié)能
Abstract: The paper introduces the application of the cell cascaded high voltage inverter produced by Shandong Xin Fengguang Electronic Technology Develops Co.,Ltd, and in the No 4 electric cooker fan of Hubei Xinye Steel Factory. The reconstruction realizes high effect of the electric cooker fans, achieves the purpose retrenching energy.
Key words: High voltage high power inverter Multi-level inverter cell cascaded Energy-saving
1．引言：
隨著世貿組織的加入和市場經濟的不斷加劇，節(jié)能降耗、提高生產效率成為企業(yè)提高產品市場占有率、競爭力的有效手段之一。而高壓大功率變頻調速技術的日益成熟，使得該項技術廣泛應用于冶金、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)進行高壓變頻技術研究改造的。
電爐主要是通過用廢鋼、鐵合金和部分渣料進行配料冶煉，根據不同的鋼種要求，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。電爐在生產過程中，產生大量煙塵，污染環(huán)境，根據國家法規(guī)，需除塵處理。電爐冶煉一般分熔化期、氧化期和還原期，其中氧化期強化脫炭，在上述三個冶煉期中，氧化期產生的煙氣量最大，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行設計，吹氧時期占整個煉鋼周期的40％左右。此時風機處于滿載運行，而其它時間風機處于輕載工況。改造前，不論電爐處于哪一個冶煉周期中，除塵風機均全速運行，風量調節(jié)采用入口擋板開度調節(jié)，效率低，功耗大，大量的電能白白浪費在擋板上，急需對原電爐除塵風機進行節(jié)能改造。
2．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，在電爐不同的生產階段，電爐產生的煙氣量和煙氣溫度不同，且差異較大。加料過程中，主要是裝料時廢鋼及渣料產生的揚塵，需要的除塵風量不大，要求粉塵不擴散，不污染環(huán)境為標準。送電過程中是原料送電拉弧加熱，引發(fā)可燃廢棄物燃燒產生廢氣。此時，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態(tài)，要求煙塵能夠及時排出，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，主要排放物是沖渣產生的水蒸氣和少量廢氣。
該電爐除塵系統(tǒng)工藝流程如下圖1示：
圖1 電爐除塵系統(tǒng)工藝流程
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)中除塵風機的運行方式和設備特點，對除塵風機的控制制定了改造方案。原系統(tǒng)設備參數如下：
2.1原系統(tǒng)設備參數
除塵風機參數：
型號 CTY20-246-12
流量 380000m3/h
風壓 37000Pa
軸轉速 730r/min
軸功率 630KW
電動機參數
型號 YKS500-8-8
額定功率 630KW
額定電壓 6000V
額定電流 76.5A
額定轉速 740r/min
額定功率因數 0.82
額定頻率 50Hz
熱變電阻柜參數
型號 HTR3-100/6
額定電壓 6000V
額定電流 90A
額定頻率 50Hz
額定功率 700KW
3．高壓變頻調速系統(tǒng)
湖北新冶鋼鐵有限公司經多方考察，比較性價比，最終選定我公司生產的風光牌JD-BP37-800F功率單元串聯多電平高壓大功率變頻器，對4#電爐除塵風機進行調速改造。
3.1 風光牌JD-BP37-800F高壓變頻器主要性能指標：
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 ≥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
加速時間 可由用戶生產工藝設定
減速時間 可由用戶生產工藝設定
變頻器效率 ≥96%
過載能力 100%連續(xù) 160%連續(xù)1min 220%允許1.5S
防護等級 IP20
3.2 JD-BP37型高壓變頻調速器主要技術性能
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濾波器，適配于普通高壓電動機，對電機、電纜絕緣無損害。
3.2.2 輸入功率因數高，電流諧波小，無須功率因數補償、諧波抑制裝置。
3.2.3 單元電路模塊化設計，維護簡單，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，精確的故障保護及準確的定位顯示和報警。
3.2.7 內置PLC，易于改變控制邏輯關系，可靈活選擇現場控制/遠程控制，適應現場多變需求。
3.2.8 采用載波移相控制技術，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立，無高壓可以檢測變頻器輸出，便于現場調試以及培訓操作人員，便于維護。
3.2.10 采用準優(yōu)化SPWM調制技術，電壓利用率高。
3.2.11 功率單元經24小時高溫老化、150％負載試驗，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（商用PC機）、下位機（工控機）、單片機。其中單片機給用戶提供一個4位LED數碼顯示屏和一個12鍵的小鍵盤操作平臺，可對變頻器進行全部操作，包括參數設置和各種運行指令。工控機用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺，其功能更齊全，包括參數設定、功能設定、運行操作、運行數據打印、故障查詢等等。上位機（商用PC機）放在總控室，可對多臺變頻器進行遙測、遙控。若只有一臺變頻器，上位機可省，或讓客戶自定。
3.2.13 可接收和輸出多路工業(yè)標準信號。
3.2.14 可打印輸出運行報表。
3.3 高壓變頻調速系統(tǒng)
風光牌JD-BP37型高壓變頻調速系統(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方式，以最新型西門子IGBT為主控器件，全數字化控制，彩色液晶觸摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能為設計目標的優(yōu)質變頻調速器。它對電網諧波污染小，輸入電流諧波畸變小于1%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置；輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動、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。
其系統(tǒng)由移相變壓器，功率單元和控制器組成。其結構如圖2示。其工作原理如下：
圖2高壓變頻調速系統(tǒng)的結構圖
?。?）電網電壓經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電壓源型逆變結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。高壓變頻調速系統(tǒng)每相由6個功率單元串聯而成，每個功率單元承受全部的電機電流、提供1/6相電壓和1/18的輸出功率。
（2）每個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，實現多重化，以達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個一組，分為6個不同的相位組。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可達0.98以上。
?。?）逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定的電角度，實現多電平PWM，輸出電壓非常接近于正弦波，每個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頻率，以降低開關損耗，提高效率，由于采用移相式PWM，電機電壓的等效開關頻率大大提高，且輸出電平數增加。風光牌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，輸出等效開關頻率為6kHz，電平數和等效開關頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機發(fā)熱、噪音和轉矩脈動都大大降低，因此對電機沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機。
4．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，配套除塵風機一臺（功率為630KW）。除塵風機為滿足電爐不同運行工況下的風量調節(jié)，對除塵風量的控制采用分段調速的方式，分六段進行控制。變頻器運行頻率分別設定為20Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz。
除塵風機電氣系統(tǒng)主回路接線圖如圖3示，為一拖一控制，設置工/變頻切換柜，以保證除塵風機安全可靠運行。
圖3 電氣系統(tǒng)主回路接線圖
DL 高壓斷路器
K11、K12、K21、K22 隔離開關
BPQ JD-BP37-800F高壓變頻器
RZ 高壓熱變電阻起動柜
M 高壓電動機
當系統(tǒng)變頻運行時，斷開隔離開關K21、K22，合隔離開關K11、K12，由變頻器起停風機，進行變頻變風量調節(jié)；當變頻線路檢修時，系統(tǒng)切換到工頻運行方式，斷開隔離開關K11、K12，合隔離開關K21、K22，由原系統(tǒng)高壓熱變電阻起動柜啟動風機，入口擋板控制風量。
變頻器實現就地/遠程調速控制。當選擇遠程操作時，控制權交給電爐現場操作室；當選擇就地時，控制權交給變頻器，可實現多段速調節(jié)，各種參數均可在觸摸屏上顯示，操作簡單明了。
5．現場運行情況
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，調試完畢；2004年3月23日，正式投入運行，整個變頻器安裝調試周期都很短，為4#電爐正常生產提供了有利的保證。
高壓變頻器控制除塵風機，與原電爐除塵風機比較，主要有以下優(yōu)點：
（1）提高了電爐除塵風機系統(tǒng)運行效率，實現了除塵系統(tǒng)的最佳工況運行。
（2）提高了產品質量，根據電爐生產工藝的要求，可適時改變除塵風量，有助于改善爐內吹煉工況，提高出鋼品質。
（3）縮短煉鋼時間，提高了出鋼產量。據實測，每煉鋼周期平均比以前減少了10分鐘左右，提高了生產效率。
（4）減少了維護工作量和維護費用，延長了設備的使用壽命。
原舊電爐除塵風機在運行過程中，風機和電機始終滿負荷運行，維護工作量大，檢修費用高。采用變頻技術調速后，除塵設備隨生產工藝變負荷運行，大大降低了除塵設備負荷率，延長了除塵風機、電機、除塵器等設備的使用壽命。
（5）變頻器具有多項保護功能，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、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。
（6）調速范圍寬，調速精度高。
除塵風機的風量經常需要根據工藝的需要變化，與過去擋板調節(jié)風量相比較，采用變頻拖動風機可以在2~50Hz范圍內任意調節(jié)，調節(jié)精度高，調節(jié)頻率波動可保持在0.1~0.01Hz范圍內，便于實現除塵系統(tǒng)自動化控制。
（7） 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行評價，在系統(tǒng)投入正常運行一年后對設備實際使用和節(jié)電情況進行了測定和數據分析。隨機抽取一個正常工作日，將系統(tǒng)切換工頻運行采用入口擋板調節(jié)風量，網側計量耗電量，然后將系統(tǒng)切換變頻運行，，計量耗電量，具體數據如下表：
|
參 數 狀 態(tài) |
累計電量 （ KW·h ） |
產鋼量 ( t ) |
噸鋼除塵電耗 ( KW·h/t ) |
|
工 頻 |
16088.92 |
200.66 |
80.18 |
|
變 頻 |
8783.66 |
210.69 |
41.69 |
通過上表可以得出通過上表可以得出以下結論：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48％，節(jié)能效果顯著。
６．結束語
總之，山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的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#號電爐除塵風機上的改造是成功的，它不僅滿足了電爐除塵系統(tǒng)生產工藝的要求，改善了電爐炊煉工藝，節(jié)能效果顯著，而且性能穩(wěn)定，運行可靠。鑒于風光牌JD-BP37型高壓大功率變頻器在冶金行業(yè)的出色表現，同時改造的１#電爐、3#電爐、6#電爐除塵風機系統(tǒng)，湖北新冶鋼鐵公司也采用我公司生產的高壓大功率變頻器。
參考文獻
[1]山東新風光電子 高壓變頻器用戶使用手冊[Z]. 山東新風光電子科技發(fā)展有限公司。
[2]山東新風光電子科技發(fā)展有限公司新冶鋼高壓變頻器調試大綱。
[3]山東新風光電子科技發(fā)展有限公司新冶鋼高壓變頻器驗收報告。
[4]沈才芳等編著，電弧爐煉鋼工藝與設備（第2版）．北京：冶金工業(yè)出版社，2001。
劉海鵬（1975-） 男 工程師 山東新風光電子科技發(fā)展有限公司技術支持部部長
（轉載）
