摘 要：本文結(jié)合電爐生產(chǎn)的實際工況，介紹了山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司研制生產(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

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(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，在上述三個冶煉期中，氧化期產(chǎn)生的煙氣量*大，含塵濃度和煙氣溫度*高。因此，電爐除塵系統(tǒng)按照氧化期的*大煙塵排量進(jìn)行設(shè)計，吹氧時期占整個煉鋼周期的40％左右。此時風(fēng)機(jī)處于滿載運(yùn)行，而其它時間風(fēng)機(jī)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(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在擋板上，急需對原電爐除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)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(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，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(chǎn)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(fēng)量的大小有明顯的不同，以吹氧冶煉*大，加料除塵為*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，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)：

型號 CTY20-246-12

流量 380000m³/h

風(fēng)壓 37000Pa

軸轉(zhuǎn)速 730r/min

軸功率 630KW

電動機(jī)參數(shù)

型號 YKS500-8-8

額定功率 630KW

額定電壓 6000V

額定電流 76.5A

額定轉(zhuǎn)速 740r/min

額定功率因數(shù) 0.82

額定頻率 50Hz

熱變電阻柜參數(shù)

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(diào)速系統(tǒng)

　　湖北新冶鋼鐵有限公司經(jīng)多方考察，比較性價比，*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

加速時間 可由用戶生產(chǎn)工藝設(shè)定

減速時間 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濾波器，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，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**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(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小時高溫老化、150％負(fù)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(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4位LED數(shù)碼顯示屏和一個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*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)計目標(biāo)的**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。其結(jié)構(gòu)如圖2示。其工作原理如下：

圖2高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

　　（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個功率單元串聯(lián)而成，每個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(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(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，實現(xiàn)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(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)。

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(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。

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(guān)

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(jī)

　　當(dāng)系統(tǒng)變頻運(yùn)行時，斷開隔離開關(guān)K21、K22，合隔離開關(guān)K11、K12，由變頻器起停風(fēng)機(jī)，進(jìn)行變頻變風(fēng)量調(diào)節(jié)；當(dāng)變頻線路檢修時，系統(tǒng)切換到工頻運(yùn)行方式，斷開隔離開關(guān)K11、K12，合隔離開關(guān)K21、K22，由原系統(tǒng)高壓熱變電阻起動柜啟動風(fēng)機(jī)，入口擋板控制風(fēng)量。

　　變頻器實現(xiàn)就地/遠(yuǎn)程調(diào)速控制。當(dāng)選擇遠(yuǎn)程操作時，控制權(quán)交給電爐現(xiàn)場操作室；當(dāng)選擇就地時，控制權(quán)交給變頻器，可實現(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。

5．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：

（1）提高了電爐除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率，實現(xiàn)了除塵系統(tǒng)的*佳工況運(yùn)行。

（2）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)。

（3）縮短煉鋼時間，提高了出鋼產(chǎn)量。據(jù)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(chǎn)效率。

（4）減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費用，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。

（5）變頻器具有多項保護(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)等多項保護(hù)功能，更精確地保護(hù)了電機(jī)。

（6）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)，便于實現(xiàn)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(jìn)行評價，在系統(tǒng)投入正常運(yùn)行一年后對設(shè)備實際使用和節(jié)電情況進(jìn)行了測定和數(shù)據(jù)分析。隨機(jī)抽取一個正常工作日，將系??切換工頻運(yùn)行采用入口擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量，網(wǎng)側(cè)計量耗電量，然后將系統(tǒng)切換變頻運(yùn)行，，計量耗電量，具體數(shù)據(jù)如下表：

　　通過上表可以得出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。

６．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。

參考文獻(xiàn)

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[2]山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司新冶鋼高壓變頻器調(diào)試大綱。

[3]山東新風(fēng)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(shè)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(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司技術(shù)支持部部長