摘 要：本文介紹了河北鋼鐵集團舞鋼公司一煉鋼廠(chǎng)3#LF電爐的增壓風(fēng)機采用北京利德華福高壓變頻調速技術(shù)的理論依據及其調速系統的設計，高壓變頻調速在使用中應注意的一些技術(shù)問(wèn)題，以及產(chǎn)生的較好運行效果和顯著(zhù)經(jīng)濟效益。

   關(guān)鍵詞：高壓變頻器 增壓風(fēng)機 調速技術(shù)

   1引言

    眾所周知，鋼鐵企業(yè)是耗能大戶(hù),而舞鋼公司長(cháng)期以來(lái)都非常重視高耗能用電設備的節能工作。尤其是對除塵風(fēng)機這種用電量大的設備，更是從設計、安裝、使用等方面考慮其節能問(wèn)題，因為除塵風(fēng)機的電耗約為噸鋼20.5kWh，煉鋼的動(dòng)力電耗約為噸鋼6.8 kWh，除塵電耗約占煉鋼用電的75%。因此，舞鋼公司在為3#LF電爐安裝除塵增壓風(fēng)機時(shí)選擇使用高壓變頻調速技術(shù)。  

   2增壓風(fēng)機采用高壓變頻調速技術(shù)的理論依據  

   經(jīng)過(guò)舞鋼公司多位設備技術(shù)人員的論證，認為對除塵風(fēng)機的高壓電機進(jìn)行有效的調速控制，是節約除塵風(fēng)機用電的最佳途徑。因為，由流體力學(xué)的基本定律可知，使用三相異步電動(dòng)機驅動(dòng)的風(fēng)機負載屬于平方轉矩負載，其轉速n與風(fēng)量Q、壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：風(fēng)量Q與轉速n成正比，壓力H與轉速n的平方成正比，軸功率P與轉速n的立方成正比；而電機的轉速與電源的頻率成正比，通過(guò)高壓變頻器來(lái)改變電源輸出的頻率，從而調節電機的轉速，實(shí)現風(fēng)機的平滑無(wú)極調速。離心式風(fēng)機在變速調節的過(guò)程中，如果不考慮管道系統阻力的影響，且壓力H與風(fēng)量Q成平方規律的變化，則風(fēng)機的效率可保持在最高效率的85%左右。

   例如當需要風(fēng)量為風(fēng)機額定風(fēng)量的60%時(shí)，通過(guò)調節電機的轉速至其額定轉速的60%，即通過(guò)高壓變頻器調節電源頻率至額定頻率的60%（30Hz）即可，這時(shí)所需要的軸功率將降至為原來(lái)的30%以下，而風(fēng)機的效率則基本保持在最高效率的85%左右。這樣即使考慮高壓變頻調速裝置本身的損耗等因素，其節電效果也是很明顯的。

   如果采用調節風(fēng)門(mén)開(kāi)度的方式來(lái)控制風(fēng)量，則在系統設計時(shí)必須以最大的負荷量配置電機額定功率，而在實(shí)際生產(chǎn)中很少能夠達到滿(mǎn)負荷運行，且在液力耦合器調速至900r/min時(shí)，風(fēng)機的控制擋板開(kāi)度只有40%,有50%以上的功率消耗在擋板調節閥門(mén)和液力耦合器上。這樣造成了電能的大量浪費，且直接起動(dòng)時(shí)，會(huì )造成電網(wǎng)波動(dòng)嚴重和機械沖擊較大，影響著(zhù)系統的運行可靠性和設備壽命。

   3高壓變頻調速系統的裝置設計 

   3.1高壓變頻器系統原理及其參數 

   北京利德華福高壓變頻器采用性能優(yōu)良、技術(shù)成熟、安全可靠的完美無(wú)諧波功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)。由電網(wǎng)送來(lái)的三相6kV交流電經(jīng)過(guò)隔離移相變壓器變?yōu)?1組440V分別供給21個(gè)功率單元，每相上的7個(gè)功率單元輸出的單相SPWM波相疊加后，采用Y形連接，將形成線(xiàn)電壓為6kV的高質(zhì)量的正弦波輸出供給高壓異步電動(dòng)機驅動(dòng)風(fēng)機。主控柜和功率柜之間采用光纖隔離技術(shù)，防止了電磁干擾，做到了高壓與低壓的完全隔離，具有極高的安全性。功率單元采用交-直-交變頻技術(shù)，單相輸出，IGBT元件采用先進(jìn)高效的熱管散熱技術(shù)，大大提高了的工作可靠性。高壓變頻器系統結構原理圖如圖1所示。
 
                     
                                          圖1 高壓變頻器系統結構原理圖

   現場(chǎng)設備參數如下：高壓變頻器參數：額定容量 350kVA、主變壓器類(lèi)型：干式移相變壓器容量400kVA，變比6kV/21×440V，輸入電壓 6000V+15%-30%，高壓電網(wǎng)頻率50~60Hz，輸出電壓0~6000V，輸出頻率0~50Hz，調速范圍0~1000r/min，輸出電壓諧波含量<4%，功率因數96%，過(guò)載能力150%（3s），效率96%，控制柜與功率單元的傳輸：光纖傳輸,冷卻方式為超導熱管強制冷卻，工作環(huán)境，溫度-20°C~+45°C；電機參數：額定電壓6kV，額定功率280kW，額定電流35.2A，額定轉速988r/m，功率因數82%。

   3.2變頻調速系統組成及各部件的功能

   增壓風(fēng)機的高壓變頻調速系統屬于高-高電壓源型變頻器，直接6kV高壓輸入，直接6kV高壓輸出。變頻器主要由高壓開(kāi)關(guān)柜、移相變壓器柜、功率模塊柜和控制器柜共4部分組成，如圖2所示。
 
                         
                                  圖2 高壓開(kāi)關(guān)柜

   圖2中QF為帶綜合繼保的高壓斷路器，QS1、QS2、QS3采用手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，電機可以實(shí)現手動(dòng)旁路。如果QS1、QS2閉合，QS3斷開(kāi)時(shí)，電機可由變頻器控制調速運行；如果QS1、QS2斷開(kāi)，QS3閉合時(shí)，電機工頻運行，可由QF直接啟停并進(jìn)行保護。變頻器可完全和電網(wǎng)脫離，便于維護與檢修。
 
                   
                                圖3 變頻器功率模塊圖

   圖3中功率模塊為基本的交—直—交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過(guò)對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到單相交流輸出。每個(gè)功率單元額定輸出電壓為490V，串聯(lián)后輸出相電壓3430V，線(xiàn)電壓達到6kV。每個(gè)功率模塊結構及電氣性能上完全一致，可以互換 。

   4增壓風(fēng)機采用變頻調速的經(jīng)濟效益

   4.1從理論上分析節電效果

   目前舞鋼公司一煉鋼廠(chǎng)3#LF電爐與1#LF電爐使用的增壓風(fēng)機型號完全一樣，現在3#LF電爐所使用的風(fēng)機高壓變頻調速運行下的功率為P3，轉速為n3，系統運行頻率為40Hz；以前安裝的1#LF電爐使用的風(fēng)機使用液力耦合器（因為以前高壓變頻技術(shù)不成熟且價(jià)格極貴），工頻運行狀態(tài)下的功率為P1，轉速為n1，系統運行頻率為50Hz。根據本文的理論依據可得到：P3=(42.5/50)3×P1=0.62P1，當然變頻調速后風(fēng)機的效率大約為工頻的85%，因此變頻調速后的實(shí)際效率為P3=（0.62/85%）×P1=0.72×P1，則節電效率為P=（P1-P3）/P1=28%。

   4.2由實(shí)際功耗測量節電效果

   3#LF電爐變頻增壓風(fēng)機與1#LF電爐液耦增壓風(fēng)機在某日8h的實(shí)際功耗的平均測量數據如附表所示。

   附表 變頻調速與液耦調速的功耗對照表
          
                   

   由表中測量的數據得：變頻調速相比于液耦調速的功耗日平均可節電量為1674kWh，大約節省了24.88%的電量，基本上與理論依據相符合。由此每年節約電量為1674×341=57.08萬(wàn)kWh（全年以341天計算，扣除每月2天的保養維修時(shí)間），考慮到變頻器的效率為96%，則年實(shí)際節電量為54.80萬(wàn)kWh，節約資金為54.80×0.50=27.40萬(wàn)元。

   使用變頻調速后，每年還可以節約液耦油660kg、約8000元，節約冷卻水、節省維修費用約3000元。所使用高壓變頻器的成本約50萬(wàn)元，設備總體投資成本可在2年時(shí)間內可全部收回。

   5高壓變頻器調速在使用中應注意的一些技術(shù)問(wèn)題

  高壓變頻調速技術(shù)在除塵風(fēng)機中應用，不僅能提高經(jīng)濟效益，而且能產(chǎn)生很大的社會(huì )效益，促進(jìn)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。但在技術(shù)上，要根據不同的生產(chǎn)設備，選擇相應特性的變頻器，如在對除塵風(fēng)機進(jìn)行變頻調速中，注意除必須考慮變頻器的提速、降速特性是否滿(mǎn)足除塵工藝的要求以外，還同時(shí)在技術(shù)上必須要考慮下列問(wèn)題，以免帶來(lái)投資的損失。 

   （1）電動(dòng)機的安全運行是全廠(chǎng)除塵的根本保證，雖然變頻調速裝置是可靠的，但一旦出現問(wèn)題，必須確保電動(dòng)機安全運行，所以，必須實(shí)現工頻--變頻運行的切換系統（旁路系統），在生產(chǎn)過(guò)程中，采用手工切換如能滿(mǎn)足設備運行工藝要求，建議盡量不要選用自動(dòng)旁路，對一般的小功率電機，采用雙投閘刀方式作為手動(dòng)、自動(dòng)切換手段也是比較理想的方法。

   （2）對于大容量負荷的電機（如2000kW電機），在變頻改造后，要注意風(fēng)機可能存在共振現象，運行中，一旦發(fā)生共振，將嚴重損壞風(fēng)機和拖動(dòng)電機。所以，必須計算或測量風(fēng)機--電機連接軸系扭振臨界轉速以及采取相應的技術(shù)措施（如設置頻率跳躍功能避開(kāi)共振點(diǎn)、軟連接及機座加震動(dòng)吸收橡膠等）。

   （3）采用變頻調速控制后，如果變頻器長(cháng)時(shí)間運行在1/2工頻（25Hz）以下，隨著(zhù)電機轉速的下降，電機散熱能力也下降，同時(shí)電機發(fā)熱量也隨之減少。所以電機的本身溫度其實(shí)是下降的，仍舊能夠正常運行而不至溫度過(guò)高。

   （4）變頻器不能由輸出口反向送電，在電氣回路設計中必須注意，如高壓變頻器的高壓開(kāi)關(guān)柜接線(xiàn)圖中，要求QS2和QS3不能同時(shí)閉合，不僅要求在電氣二次回路中實(shí)現電氣的聯(lián)鎖，同時(shí)要求在機械上實(shí)現機構互鎖，以確保變頻器的運行安全。 

   （5）對于高壓變頻器系統，體積相對較大，一般由4~5面柜體組成，對改造項目來(lái)講，一般都需要重新建造變頻器室。因此，選擇變頻器室位置，既要考慮離電機設備不能太遠，又要考慮周?chē)h(huán)境對變頻器運行可能造成的影響。變頻器的安裝和運行環(huán)境要求較高，為了使變頻器能長(cháng)期穩定和可靠運行，對安裝變頻器室的室內環(huán)境溫度要求最好控制在40℃以下，如果溫度超過(guò)允許值，應考慮配備相應的空調設備。同時(shí)，室內不應有較大灰塵、腐蝕或爆炸性氣體、導電粉塵等。

   （6）要保證變頻器柜體和廠(chǎng)房大地的可靠連接，保證人員和設備安全。為防止信號干擾，控制系統最好埋設獨立的接地系統，對接地電阻的要求不大于4Ω。到變頻器的信號線(xiàn)，必須采用屏蔽電纜，屏蔽線(xiàn)的一端要求可靠接地。

   （7）變頻器開(kāi)機調試前必須根據負載特點(diǎn)，將所有參數設定好，檢查無(wú)錯誤方可開(kāi)機運行，特別注意變頻器輸出電流，在起動(dòng)過(guò)程中，恒轉速過(guò)程中，減速過(guò)程中，都要認真觀(guān)察，如果第一次設定的參數不是十分理想時(shí)，應逐步接近。

   6結束語(yǔ)

   此次北京利德華福高壓變頻調速技術(shù)在3#LF電爐增壓風(fēng)機的實(shí)踐應用表明，電機在啟動(dòng)和調節過(guò)程中，轉速平穩變化，電流沒(méi)有任何沖擊，解決了電機啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題，消除了大啟動(dòng)電流對電機、傳動(dòng)系統和主機的沖擊應力，大大降低了日常的維護保養費用，并且取得了較好的運行效果和顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。由此可見(jiàn)，高壓變頻調速技術(shù)在電爐除塵風(fēng)機中的使用對其它用電量大的設備進(jìn)行變頻改造也起到了示范作用，尤其是可以探索在公司其他的除塵風(fēng)機中進(jìn)行推廣使用。