產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
國產超大功率高壓變頻器在煉鐵高爐鼓風機中的應用
1 引言
山西永恒工貿有限公司始建于1998年，是由原“稷山縣地方國營煉鐵廠”改建而成，屬于私營股份制企業。現在有450m3煉鐵高爐一座，220m3煉鐵高爐兩座，燒結機兩臺，JN4340型焦爐一座，水泥生產線一條。年生產生鐵90萬噸。近年來，公司積極響應國家產業政策，加快技術進步的同時，積極進行節能減排，實現廢氣（物）循環再利用，形成了煤-焦-化和煤-焦-鐵-電（水泥）兩條循環生產線。
永恒工貿450m3煉鐵高爐風機采用6500kW/10kV三相異步電動機，定子串水電阻方式啟動，啟動時沖擊電流大，持續時間長。而且受電網容量的限制，在每次啟動時均需將廠內其它所有用電設備停掉，在此臺高爐風機起動后才能起動其他設備，操作比較麻煩，因此有些時候在設備檢修不出鐵的時候也是盡量不停高爐風機，且風量調節采用風門調節，這樣就造成了電能的浪費。由于變頻器具有軟啟動、軟停止功能，啟動電流小，可解決高爐風機啟動時的大問題，再就是變頻器可以節約電能，因此山西永恒工貿有限公司廠領導決定實行變頻改造。
2 高爐鼓風機工藝
高爐因具有煉鐵技術經濟指標良好，工藝簡單，生產量大，勞動生產效率高，能耗低等優點，這種方法生產的鐵占世界鐵總產量的絕大部分。高爐為煉鐵環節中最主要的設備之一，它為橫斷面為圓形的煉鐵豎爐，生產時從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑（石灰石），從位于爐子下部的風口吹入經預熱的空氣。在高溫下焦炭中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣，在爐內上升過程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵。鐵水從鐵口放出，生成的爐渣，從渣口排出。煤氣從爐頂排出，作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等燃料。
高爐鼓風機是高爐最重要的動力設備之一。高爐冶煉流程如圖1所示，它首先通過空氣過濾器在大氣中收集干凈的空氣，由高爐鼓風機加壓后經熱風爐進風口送入熱風爐，再由熱風爐對空氣進行加熱后經高爐下部風口吹入，以保證高爐中燃燒的焦炭和噴吹的燃料所需的氧氣，另外還要有一定的風壓克服整個系統和料柱的阻損，并使高爐保持一定的爐頂壓力。現代大、中型高爐所用的鼓風機，大多用三相異步電機驅動的離心式鼓風機和軸流式鼓風機。鼓風機耗電雖多，但啟動方便，易于維修，投資較少。十分受用戶的青睞。高爐冶煉要求鼓風機能供給一定量的空氣，以保證燃燒一定的碳；其所需風量的大小不僅與爐容成正比，而且與高爐強化程度有關。一般按單位爐容2.1～2.5m3／min的風量配備。但實際上不少的高爐考慮到生產的發展，配備的風機能力都大于這一比例。
3高爐鼓風機改造方案
高爐鼓風機是高爐生產系統的動力中樞，一旦風機不能正常運行，不但影響生產，而且容易造成重大損失；另外，調速系統工作的環境比較惡劣；所以，和高爐風機配套的高壓調速系統方案應周密細致，經過雙方技術人員的合作，制定了高爐鼓風機的技術改造方案。
3.1 450m3煉鐵高爐風機及配套電機參數
3.2高爐變頻改造技術方案
圖2旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構，實現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。
保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
4高壓變頻器的制造
4.1 單元級聯式多電平變頻器
6500kW/10kV高壓變頻器采用單元級聯式多電平方式。因為此種變頻器采用多個功率單元串聯的方法來實現高壓輸出，所以具有以下優點：
（1）其輸出通常采用多電平移相式PWM，可以實現較低的輸出電壓諧波，較小的du/dt和共模電壓。
（2）輸入通常采用移相隔離變壓器實現多重化整流，以達到抑制輸入諧波的目的。
4.2 雙移相變壓器結構
6500kW/10kV高壓變頻器的輸入變壓器采用干式移相變壓器，考慮到如果只做一個變壓器，容量會比較大，體積也會很大，受變頻器的搬運、安裝以及安裝空間所限；且由于變壓器為干式的，散熱處理也比較困難，因此6500kW/10kV高壓變頻器采用雙變壓器結構。每臺變壓器的容量為4000kVA，各自承擔50%功率單元的供電。
4.3 功率單元結構
在普通10kV高壓變頻器的設計上一般采用24功率單元結構，每相8個功率單元，每個單元輸出的功率為整機功率的1/24，由于6500kW/10kV高壓變頻器運行時輸出功率太大，如果采用24功率單元結構，那么單個功率單元內要求的濾波電容就會很多，功率單元的體積就會很大，綜合考慮6500kW/10kV高壓變頻器采用30功率單元結構，單元輸入電壓為525V。這樣不僅會使變頻器的高壓輸出更接近于正弦波使輸入諧波更低。而且單個單元承受的電壓更低，更易于控制。
4.4 功率單元的冗余設計及“星點漂移”
（1）30個功率單元結構上完全一致，可以互換，其電路結構如圖3所示，為基本的交 - 直 - 交單相逆變電路，整流側為二極管實現三相全波整流，通過對 IGBT 逆變橋進行正弦 PWM 控制。每個功率單元完全一樣，可以互換，這不但調試、維修方便，而且備份也十分經濟。假如一個功率單元發生故障，該單元的輸出端能自動旁路而整機可以正常運行。
（2）星點漂移
30個功率單元分為3組，每10個單元為一相。在正常情況下，三相輸出A、B、C平衡，中性點即星點在O點。如圖4所示，當A相有一個單元故障時，把星點由O點轉移到O1點，而B相和C相經過運算，對O1的輸出要與A相一致。使整機的三相輸出依然平衡。此功能稱為“星點漂移”。
當出現2個或3個單元故障時，同樣要經過復雜的運算使三相平衡。現最多可做到3個單元故障的星點漂移功能。這種單元的冗余設計大大的提高了變頻器的穩定性。
4.5 6500kW/10kV高壓變頻調速系統的可靠性設計
為保證6500kW/10kV高壓變頻調速系統的高可靠性，在提高系統各組單元的內在可靠性和系統抵抗外部故障因素的能力方面，主要采用以下設計措施：
（1）上位操作計算機采用與主控計算機基本相同的軟硬件配置，當主控計算機發生故障時，可以在不停機的狀態下，迅速替換，保證系統的可靠性運行。
（2）控制系統由主控單元、PLC（西門子S7-200）、主控計算機組成，在主控計算機發生故障時，系統不停機，確保生產的進行。
（3）為了提高系統的抗干擾能力，所有的功率模塊與主控單元之間通過光纖通訊，低壓和高壓部分完全可靠隔離，所有I/O板全部采用了隔離措施，將通道上竄入的干擾源拒絕在系統之外。
（4）控制器結構上采用箱體結構，各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規模集成電路和表面焊接技術，系統具有極高的可靠性。
（5）盡量采用低功耗的CMOS元器件提高系統的溫度適應能力，降低功耗。
（6）電源系統完全采用開關電源技術，各部分功能單元采用獨立的供電措施，保證在某一部分發生故障時，其他部分仍能可靠運行。
（7）選用各種電阻、電容器及集成電路、隔離器件時，對其耐壓能力留有較大的余量，對集成電路的拉電流、灌電流能力使用，也留有足夠的余量。
（8）輸入干式變壓器免維護，可靠性高。
（9）多級模塊串聯，器件工作在低壓狀態，便于采用成熟技術，不易發生故障。
軟件可靠性措施：整個軟件開發過程按正向設計進行，底層實時控制系統為自行設計和編寫，確保整個系統中沒有不清楚的部分，資源分配留出很大裕度。整個系統的組成軟件經過嚴格測試，窮盡各種故障可能，確保系統不死機，不出故障。對所有接口關系嚴格定義，且均設立非法進入和退出處理措施。
5 變頻器的安裝
高爐鼓風機作為鋼鐵廠最為關鍵的設備之一，它的停機輕則會導致鐵廠的停產，重則會導致事故發生，所以必須要保證高爐鼓風機的穩定運行。
5.1 變頻器的現場散熱處理
大功率變頻器作為一個比較大的發熱源，它運行時的散熱就顯的尤為重要。高爐鼓風機位于高爐附近，周圍的粉塵量比較大，特別是導電性粉塵，所以在選擇變頻器的冷卻方式上只有以下兩種：（1）風冷和空調配合使用；（2）為液體冷卻（一般為水冷）。
由于高壓變頻器中需要冷卻的元器件均為導電體，因此在設計液體冷卻系統時必須采用間接液體冷卻，這使得冷卻系統的設計極為復雜，且成本高；又因為液體冷卻系統一處出問題有可能導致整個冷卻系統的癱瘓，所以穩定性也低。
相反，風冷具有：（1）設計簡單；（2）可以采用冗余設計；（3）與空調冷卻配合使用，可以使變頻器的運行環境相對封閉，保證變頻器的衛生。
綜合考慮，我們在6500kW/10kV變頻器的冷卻方式上選擇了風冷，并配合空調冷卻使用。
一臺完整的高壓變頻器分為四部分：旁路柜、變壓器柜、功率單元柜和控制柜。變壓器柜和功率單元柜幾乎占了整機全部的發熱量。變壓器柜相對于功率單元柜所要求的運行環境要低的多，而且這么大的變頻器，里面移相變壓器的發熱量也不小，為了節省空調使用數量，在變頻器結構設計上采用變壓器柜和功率單元柜分開放置的方法。
具體方法為：變壓器柜與功率單元柜中間隔開700mm的距離，變頻器安裝完成后中間采用隔熱材料隔開，這樣就使得一臺變頻器放在兩間房子里了。變壓器柜與旁路柜在一起并采用強迫風冷，然后再在變壓器柜頂安裝風道，收集變壓器的產熱直接排到安裝環境之外；功率單元柜與控制柜在一起安裝在一個相對獨立且封閉的房間里，也采用強迫風冷，并在房間內安裝空調來降低環境溫度，保證功率單元柜及控制柜的運行環境。
安裝空調時為了保證變頻器的安全運行要求空調有足夠的制冷量且有余量。因為沒有變壓器的熱量，所以按照變頻器額定功率3%的發熱量來設計空調：
6500×0.03=195（kW）
現場實際安裝空調數量為8臺制冷量為24kW的空調，單臺空調是獨立的，這樣保證單臺空調出現問題是不會影響機器的運行。
實際運行情況為在夏天天氣最熱的幾天里，同時7臺空調運行，就能把環境溫度控制在27℃左右。
5.2上位機控制
因為高爐鼓風機壓力操作比較頻繁且精度要求比較高，綜合考慮后變頻器控制方式采
用上位機控制，采用RS-485網絡與變頻器通訊。上位機控制方式控制變頻器的運行頻率比模擬量控制更準確，使高爐壓力的調節更加精確，做到高爐壓力完全無波動調節，且能實時記錄變頻器的運行數據并保存以供需要時查詢。進一步保證高爐的穩定運行。
5.3 故障自復位
為了在變頻器故障時能最大限度的減少損失，變頻器增加了故障自復位功能，在變頻器不斷高壓電的情況下，通過軟件或故障復位按鈕設置能讓變頻器故障自復位。這可以使變頻器出現故障后以最快的速度再次投入運行。
6變頻器的使用效果
6500kW/10kV高壓變頻器在山西永恒工貿高爐鼓風機正式投產日期為2010年5月5日，至本文完成時已安全無故障運行半年有余。高爐鼓風機變頻改造后顯示出以下優點：
6.1節電效果明顯
在變頻器沒有安裝以前高壓電機采用定子串水電阻啟動，風壓通過風門調節。這樣電機始終運行在額定狀態，變頻器安裝以后風門全開，風壓通過調節變頻器頻率實現。實現了節電的目的，下面對節電量作定量分析。
定量計算：電價按0.45元計算，一年運行時間按330天。
電機工頻年耗電量：
W工=1.732×10×366×0.9×24×330
=45185247.36（度）
變頻器耗電量：
W變=1.732×10×270×0.95×24×330
=35185233.6（度）
空調最大耗電量：
W空=1.732×380×17.5×0.85÷1000×7×24×330
=542764.807（度）
年節省費用：
F= （W工－W變－W空） ×0.45
=（45185247.36－35185233.6－542764.807） ×0.45
=9457248.953×0.45
=4255762（元）
綜上所述，變頻改造后，節能效果是非常顯著的。
6.2 變頻器軟啟動功能解決鼓風機啟動問題
永恒工貿一共有三個廠區：鐵廠，燒結車間和鋼廠。三個廠區公用一個變壓器，變壓器容量為25000kVA。而6500kW/10kV高爐鼓風機使用定子串水電阻方式啟動，啟動時沖擊電流大，持續時間長，這使得在鐵廠高爐鼓風機啟動時必須讓燒結車間與鋼廠停止生產，把所有的大型用電設備停掉，然后才能啟動。這樣麻煩的啟動方式致使在設備檢修不出鐵時也盡量不讓高爐鼓風機停止，這不僅讓機器的檢修不方便也無形中造成了大量電能的浪費。
用上變頻器以后，變頻器帶動電機從0.5Hz軟啟動，啟動電流不超過額定電流，不僅讓高爐鼓風機開停機極為方便，也節約了電能；還減小了啟動時對電機、風機及整個高爐系統的沖擊。
6.3 減小電機振動及噪音
6500kW電機因功率大，運行時噪音污染特別嚴重。但是高爐鼓風機作為重要環節必須24小時有人監護，這種環境勢必要給工人的身心健康造成嚴重傷害。最大限度的減小電機、風機的振動，不但能改善監護人員的工作環境，還能延長設備壽命，減少設備故障率及維護、維修費用。
下面表5是用變頻前后高壓電機軸振動幅值：
由以上數據可知，使用變頻器可有效減少設備振動，從而降低噪音，減少設備維護費用。
6.4變頻器的其他優點
（1）飛車啟動功能：能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
（2）矢量控制技術和載波移相控制技術：采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準。
（3）旋轉中再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電三十秒鐘內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
（4）運行過程中外部頻率給定信號出現故障（短路或開路），整機維持故障前的運行頻率不變，給出報警信號。
（5）參數自整定功能：無須手動設置，自識別電機參數，適配于普通異步電機。
（6）整機旁路功能：在變頻器整機出現故障時，變頻器能提供工頻旁路，讓系統繼續運行。
7 結束語
高爐鼓風機經過變頻改造后，不僅達到了良好的節能效果，并且使整套高爐系統的穩定性提高了一個臺階。這是國內為數不多的超大功率高壓變頻器在高爐風機上的應用，改造是極為成功的，也說明了國產高壓變頻器已經擁有了生產超大功率高壓變頻器的技術。
隨著國家對節能減排工作的越來越重視，企業通過各種措施降低生產成本，其中變頻技術起到了關鍵作用，取得了明顯的經濟效益和社會效益，適應了國家建設資源節約型社會的潮流。
