【方案探讨】关于《利德华福HARSVERT-S系列高压变频器在冶金行业的应用》的讨论

                     北京利德华福电气技术有限公司　供稿
一、引言
      冶金工业是国民经济生产中的能源消耗大户，已被列为国家节约资源的重点领域之一。在国务院提出加快建设节约型社会的政策环境下，提高冶金行业的节能技术和应用水平，建立节约型冶金工业体系意义重大。在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下，冶金生产企业必须通过各种途径降低能耗，以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率。
   在冶金的生产中，风机大马拉小车现象严重，同时由于工况、产量的变化，系统所需求的风量也随之变化。大部分风机采用传统做法，即调节进、出风口挡板开度大小来实现风量调节，而该方法是以增加风阻、牺牲风机的效率来达到要求的，损耗严重。风机电动机如果利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节风量的大小，可以既满足生产要求，又达到节约电能，同时减少因调节挡板而造成挡板和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。在冶金行业中电动机负载电耗就占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，目前，行业普遍认为高压风机电动机的变频调速改造是降耗增效的主要措施。
二、项目介绍
2.1项目简介
某钢铁公司二期烧结有两条240㎡烧结机生产线，有四台烧结主抽风机。有四台烧结主抽风机，电机都是4800KW的同步机。烧结主抽风机是烧结生产的主要设备，担负着烧结燃烧过程中持续送风功能，并产生负压，使烧结混匀矿在台车中至上而下充分燃烧，从而形成烧结矿。由于受烧结生产中诸多因素（料层厚度、设备漏风等）的影响，在生产过程中常常需要根据烧结机的实际情况不断调整主抽风机的风量、负压等风系统参数，使之满足烧结生产。原来为满足不同的进料量和工艺指标，要靠调节风门挡板开度调节风量。采用此方法调节精度低，能耗高，启动冲击大。用户经过多方调研，将这4台烧结主抽风机改造为用高压变频调速系统进行调速，节能效果非常显著，调节风量方便，精度高，启动平滑无冲击，用户非常认可。
  2.2电机参数：
参数名称
数   值
单位
电机型号
T4800-6/1730

出品编号
08T0610

电机额定电压
10000
V
电机额定电流
319
A
电机额定频率
50
Hz
电机额定功率
4800
kW
电机额定转速
10000
rpm
电机极对数
3
对极
电机额定效率
0.9

额定励磁电流
395
A
额定励磁电压
67
V

 
2.3运行工况： 传统形式的烧结主抽风系统为，主抽风机电机始终工作在工频电网下，对烧结生产中的风量、负压的调节仅通过改变风机挡板开度来实现，此种方式已沿用多年，并逐渐暴露出了其内在的不足：
1、对风机挡板控制相对粗略，无法较准确地调整风机的风量等系统参数。
2、风机始终工作在工频状态，无节能效果，提高了烧结矿成本。
3、风机功率巨大，配套软启动器无法完全解决电机启动时对电网的冲击，且连续启动次数仅局限在3次以下。
       采用高压变频器之后，对于烧结风系统参数的调节，完全可以通过调整主抽电机转速来完成，并能实时修改电动机的转速，非常平滑地实现烧结生产中风、负压的调节功能。与传统的控制系统相比，其主要优势在于：
1、风机挡板可开至100%，生产中仅需调节风机转速即可满足烧结生产所需系统参数，满足生产。
2、由于设计风机时均考虑了功率的富裕量，故在实际生产中，风机仅工作在工频以下便能满足生产，从而节省大量电能，降低烧结矿吨耗成本。
3、高压变频启动风机电机，对电网无冲击，启动曲线平滑，延长电机寿命，在启动条件允许的情况下，重复启动次数不受任何限制。
     
三、利德华福高压变频器原理及主要功能
  3.1原理简介：HARSVERT-s系列高压变频调速系统采用单元串联多电平技术，属“高-高”电压源型变频器，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，总谐波畸变小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用于普通的同步电机， 10kV每个系统共有24个功率单元，每8个功率单元串连构成一相，其系统结构如图1所示。


图1：高压变频器系统结构

逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt 很小。功率单元采用相对较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率，变频器额定效率可达98%，考虑输入变压器后的总体效率仍在97%以上
3.2高压变频调速系统和用户励磁柜的协调控制
a、高压变频调速系统提供给励磁系统的开关量输出3路：
■励磁启动/停止指令：表示励磁系统在接受到此信号后，以当前设定的励磁电压、励磁电流、工作方式立即投入运行，无此信号时励磁系统应处于停止状态，此信号为连续信号。
■ 增加励磁信号：表示励磁系统接受到此信号后，以一定的斜率增大励磁电压或励磁电流，此信号为脉冲信号。
■ 减少励磁信号：表示励磁系统接受到此信号后，以一定的斜率减少励磁电压或励磁电流，此信号为脉冲信号。
以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为AC220V、3A/DC24V，1A。
b、高压变频调速系统提供给励磁系统的模拟量1路：
■变频运行功率因数（需要在励磁系统柜体上安装一块数字显示的仪表, 显示范围可设定）。
变频器提供1路4～20mADC的电流源输出（变频器供电），带负载能力均为250Ω。
c、励磁系统提供给高压变频调速系统的开关量输出3路：
■励磁系统就绪：表示励磁系统处于待机状态，收到启动信号后即可立即投入运行，此信号为连续信号。
■励磁系统运行/停止：0表示励磁系统处于停止状态，1表示励磁系统处于运行状态，此信号为连续信号。
■ 励磁系统故障：表示励磁系统有故障，处于停止状态时不能启动，处于运行状态时需要立即停机，此信号为连续信号。
经过上面的于励磁系统的改造后，变频器可以根据电机运行的实际功率因数自动调节励磁电流。原来励磁系统的自动调节功能取消，励磁系统根据变频调速系统的增励磁信号和减励磁信号来做相应的调整即可。因此用户调节风量时，只要调节变频调速系统的运行频率即可，变频调速系统会自动调节励磁电流。此种方法简单可靠，操作方便，应用效果良好。


3.3上位机控制：上位机控制系统，采用RS485通讯。可靠性高，不受现场复杂环境的干扰，传输距离远，运行稳定，得到用户的好评。操作员可以在上位机上时刻监视变频运行情况，并可在上位机进行启动、停机、复位、调频等操作。此系统操作简单，中文界面，人机会话功能实用可靠。

四、现场应用效果

  （1）变频器采用触摸式人机界面，可随时显示电压、电流、频率、电机转速，可非常直观地显示电机在任何时间的实时状态。可以查看输出电压及输出电流波形，及时掌握运行情况。
   （2）精确的频率分辨率和调速精度，完全可以满足生产工艺工况的需要。
   （3）采用自主研发的上位机控制系统，可靠性高，不受现场复杂环境的干扰，传输距离远，运行稳定，得到用户的好评。
   （4）具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电机在正常运行和故障时安全可靠。由于变频调速系统设置的保护值较小，所以用户对其电机的保护非常放心。
   （5）电机可实现软启动、软制动；启动电流小，小于电机的额定电流；电机启动的时间连续可调，减少了对电网的影响。
   （7）减少配件损耗，提高劳动生产效率。
   （8）系统效率得到提高，消除了风门挡板的损失，取得节能效果。
   （9）由于风机采用转速调节后，工作特性改变，设备工况得到改善，延长设备使用寿命。
五、结论
  变频调速系统在主抽风机上的应用，又一次证明了高压风机电动机的变频调速是降耗增效的主要措施。对冶金行业烧结主抽风机进行高压变频调速节能改造，将使企业改善工艺，提高调速精度，使生产线设备利用率得到保证，降低设备运行与维护费用，延长电机等设备使用寿命，获得显著的经济效益。