利德华福高压变频调速技术在电炉除尘风机中的应用

    1引言
    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。
    3高压变频调速系统的装置设计
    3.1高压变频器系统原理及其参数
    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图如图1所示。
    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。
    图2中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。
    图3中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。