利德华福高压变频调速技术在电炉除尘风机中的应用

    众所周知，钢铁企业是耗能大户,而舞钢公司长期以来都非常重视高耗能用电设备的节能工作。尤其是对除尘风机这种用电量大的设备，更是从设计、安装、使用等方面考虑其节能问题，因为除尘风机的电耗约为吨钢20.5kWh，炼钢的动力电耗约为吨钢6.8 kWh，除尘电耗约占炼钢用电的75%。因此，舞钢公司在为3#LF电炉安装除尘增压风机时选择使用高压变频调速技术。
    2增压风机采用高压变频调速技术的理论依据
    经过舞钢公司多位设备技术人员的论证，认为对除尘风机的高压电机进行有效的调速控制，是节约除尘风机用电的最佳途径。因为，由流体力学的基本定律可知，使用三相异步电动机驱动的风机负载属于平方转矩负载，其转速n与风量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系：风量Q与转速n成正比，压力H与转速n的平方成正比，轴功率P与转速n的立方成正比；而电机的转速与电源的频率成正比，通过高压变频器来改变电源输出的频率，从而调节电机的转速，实现风机的平滑无极调速。离心式风机在变速调节的过程中，如果不考虑管道系统阻力的影响，且压力H与风量Q成平方规律的变化，则风机的效率可保持在最高效率的85%左右。
    例如当需要风量为风机额定风量的60%时，通过调节电机的转速至其额定转速的60%，即通过高压变频器调节电源频率至额定频率的60%（30Hz）即可，这时所需要的轴功率将降至为原来的30%以下，而风机的效率则基本保持在最高效率的85%左右。这样即使考虑高压变频调速装置本身的损耗等因素，其节电效果也是很明显的。
    如果采用调节风门开度的方式来控制风量，则在系统设计时必须以最大的负荷量配置电机额定功率，而在实际生产中很少能够达到满负荷运行，且在液力耦合器调速至900r/min时，风机的控制挡板开度只有40%,有50%以上的功率消耗在挡板调节阀门和液力耦合器上。这样造成了电能的大量浪费，且直接起动时，会造成电网波动严重和机械冲击较大，影响着系统的运行可靠性和设备寿命。
    北京利德华福高压变频器采用性能优良、技术成熟、安全可靠的完美无谐波功率单元串联多电平技术。由电网送来的三相6kV交流电经过隔离移相变压器变为21组440V分别供给21个功率单元，每相上的7个功率单元输出的单相SPWM波相叠加后，采用Y形连接，将形成线电压为6kV的高质量的正弦波输出供给高压异步电动机驱动风机。主控柜和功率柜之间采用光纤隔离技术，防止了电磁干扰，做到了高压与低压的完全隔离，具有极高的安全性。功率单元采用交-直-交变频技术，单相输出，IGBT元件采用先进高效的热管散热技术，大大提高了的工作可靠性。高压变频器系统结构原理。
    现场设备参数如下：高压变频器参数：额定容量 350kVA、主变压器类型：干式移相变压器容量400kVA，变比6kV/21×440V，输入电压 6000V+15%-30%，高压电网频率50~60Hz，输出电压0~6000V，输出频率0~50Hz，调速范围0~1000r/min，输出电压谐波含量<4%，功率因数96%，过载能力150%（3s），效率96%，控制柜与功率单元的传输：光纤传输,冷却方式为超导热管强制冷却，工作环境，温度-20°C~+45°C；电机参数：额定电压6kV，额定功率280kW，额定电流35.2A，额定转速988r/m，功率因数82%。
    3.2变频调速系统组成及各部件的功能
    增压风机的高压变频调速系统属于高-高电压源型变频器，直接6kV高压输入，直接6kV高压输出。变频器主要由高压开关柜、移相变压器柜、功率模块柜和控制器柜共4部分组成，如图2所示。
    QF为带综合继保的高压断路器，QS1、QS2、QS3采用手动隔离开关，电机可以实现手动旁路。如果QS1、QS2闭合，QS3断开时，电机可由变频器控制调速运行；如果QS1、QS2断开，QS3闭合时，电机工频运行，可由QF直接启停并进行保护。变频器可完全和电网脱离，便于维护与检修。
    功率模块为基本的交—直—交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到单相交流输出。每个功率单元额定输出电压为490V，串联后输出相电压3430V，线电压达到6kV。每个功率模块结构及电气性能上完全一致，可以互换 。
    4增压风机采用变频调速的经济效益
    4.1从理论上分析节电效果
    目前舞钢公司一炼钢厂3#LF电炉与1#LF电炉使用的增压风机型号完全一样，现在3#LF电炉所使用的风机高压变频调速运行下的功率为P3，转速为n3，系统运行频率为40Hz；以前安装的1#LF电炉使用的风机使用液力耦合器（因为以前高压变频技术不成熟且价格极贵），工频运行状态下的功率为P1，转速为n1，系统运行频率为50Hz。根据本文的理论依据可得到：P3=(42.5/50)3×P1=0.62P1，当然变频调速后风机的效率大约为工频的85%，因此变频调速后的实际效率为P3=（0.62/85%）×P1=0.72×P1，则节电效率为P=（P1-P3）/P1=28%。
    4.2由实际功耗测量节电效果
    3#LF电炉变频增压风机与1#LF电炉液耦增压风机在某日8h的实际功耗的平均测量数据如附表所示。
    由表中测量的数据得：变频调速相比于液耦调速的功耗日平均可节电量为1674kWh，大约节省了24.88%的电量，基本上与理论依据相符合。由此每年节约电量为1674×341=57.08万kWh（全年以341天计算，扣除每月2天的保养维修时间），考虑到变频器的效率为96%，则年实际节电量为54.80万kWh，节约资金为54.80×0.50=27.40万元。
    使用变频调速后，每年还可以节约液耦油660kg、约8000元，节约冷却水、节省维修费用约3000元。所使用高压变频器的成本约50万元，设备总体投资成本可在2年时间内可全部收回。
    5高压变频器调速在使用中应注意的一些技术问题
    高压变频调速技术在除尘风机中应用，不仅能提高经济效益，而且能产生很大的社会效益，促进企业的技术进步。但在技术上，要根据不同的生产设备，选择相应特性的变频器，如在对除尘风机进行变频调速中，注意除必须考虑变频器的提速、降速特性是否满足除尘工艺的要求以外，还同时在技术上必须要考虑下列问题，以免带来投资的损失。
    （1）电动机的安全运行是全厂除尘的根本保证，虽然变频调速装置是可靠的，但一旦出现问题，必须确保电动机安全运行，所以，必须实现工频--变频运行的切换系统（旁路系统），在生产过程中，采用手工切换如能满足设备运行工艺要求，建议尽量不要选用自动旁路，对一般的小功率电机，采用双投闸刀方式作为手动、自动切换手段也是比较理想的方法。
    （2）对于大容量负荷的电机（如2000kW电机），在变频改造后，要注意风机可能存在共振现象，运行中，一旦发生共振，将严重损坏风机和拖动电机。所以，必须计算或测量风机--电机连接轴系扭振临界转速以及采取相应的技术措施（如设置频率跳跃功能避开共振点、软连接及机座加震动吸收橡胶等）。
    （3）采用变频调速控制后，如果变频器长时间运行在1/2工频（25Hz）以下，随着电机转速的下降，电机散热能力也下降，同时电机发热量也随之减少。所以电机的本身温度其实是下降的，仍旧能够正常运行而不至温度过高。
    （4）变频器不能由输出口反向送电，在电气回路设计中必须注意，如高压变频器的高压开关柜接线图中，要求QS2和QS3不能同时闭合，不仅要求在电气二次回路中实现电气的联锁，同时要求在机械上实现机构互锁，以确保变频器的运行安全。
    （5）对于高压变频器系统，体积相对较大，一般由4~5面柜体组成，对改造项目来讲，一般都需要重新建造变频器室。因此，选择变频器室位置，既要考虑离电机设备不能太远，又要考虑周围环境对变频器运行可能造成的影响。变频器的安装和运行环境要求较高，为了使变频器能长期稳定和可靠运行，对安装变频器室的室内环境温度要求最好控制在40℃以下，如果温度超过允许值，应考虑配备相应的空调设备。同时，室内不应有较大灰尘、腐蚀或爆炸性气体、导电粉尘等。
    （6）要保证变频器柜体和厂房大地的可靠连接，保证人员和设备安全。为防止信号干扰，控制系统最好埋设独立的接地系统，对接地电阻的要求不大于4Ω。到变频器的信号线，必须采用屏蔽电缆，屏蔽线的一端要求可靠接地。
    （7）变频器开机调试前必须根据负载特点，将所有参数设定好，检查无错误方可开机运行，特别注意变频器输出电流，在起动过程中，恒转速过程中，减速过程中，都要认真观察，如果第一次设定的参数不是十分理想时，应逐步接近。
    6结束语
    此次北京利德华福高压变频调速技术在3#LF电炉增压风机的实践应用表明，电机在启动和调节过程中，转速平稳变化，电流没有任何冲击，解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低了日常的维护保养费用，并且取得了较好的运行效果和显著的经济效益。由此可见，高压变频调速技术在电炉除尘风机中的使用对其它用电量大的设备进行变频改造也起到了示范作用，尤其是可以探索在公司其他的除尘风机中进行推广使用。