產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在黃原膠發酵中的應用
1引言
黃原膠又名漢生膠，是由野油菜黃單胞桿菌以碳水化合物為主要原料（如玉米淀粉），經發酵工程生產的一種作用廣泛的微生物胞外多糖。它具有獨特的流變性，良好的水溶性，對熱及酸堿的穩定性，與多種鹽類有很好的相容性，作為增調劑、懸浮劑、乳化劑、穩定劑，可廣泛應用于食品、石油、醫藥等20多個行業，是目前世界上生產規模較大且用途極為廣泛的微生物多糖。
2國內黃原膠的前期生產工藝現狀
發酵行業是現代生物工程重要組成部分，特別是黃原膠等新型發酵行業，近幾年來得到迅速的發展，眾所周知，發酵工業離不開發酵罐，隨著生產工藝的不斷改進，發酵的不同階段，對發酵罐的攪拌速度需要不斷調整。而目前在國內黃原膠的生產中，大多數廠家的前期生產工藝，發酵罐采用傳統的恒定轉速攪拌器來攪拌發酵液。這種攪拌器的轉速是根據菌種特性與參照菌種在不同生長代謝階段的攝氧要求的最高轉速設定的，這種定速攪拌方式限制了發酵工藝流程的改進，同時也浪費了大量能源。
3發酵罐攪拌器的轉速與黃原膠菌種生長代謝的關系
3.1攪拌器
黃原膠生產發酵工藝是黃原膠菌種在適合的培養基、PH值、溫度、通氣和攪拌等條件下進行生長與合成黃原膠的代謝活動。發酵工藝的持續時間與發酵液內氧的傳遞能力、營養物質的消耗程度、有毒性和有抑制性化合物的形成及菌種的物質特性有關。其中通氣和攪拌功能是對黃原膠菌種提供生長代謝活動的氧源，而攪拌器的功能則是在發酵液通氣的條件下，將空氣打碎成小氣泡，使其均勻分布在發酵液的各個角落，增加氣液接觸的有效面積，使發酵液隨攪拌葉轉動形成渦流并提高其湍動程度，減少菌絲因缺氧而產生結團現象，使氧的傳遞面積增大，延長氧在發酵液中的停留時間，達到增加黃原膠產量的目的。
3.2攪拌器轉速對黃原膠發酵工藝的影響
發酵罐的罐壓維持微正狀態，雖然可以避免負壓時造成的染菌和延長氧在發酵液中的停留時間，但是還應當考慮到，如將罐壓從微正狀態提高時，既不利于黃原膠菌種代謝時廢氣的排除與氧在發酵液內的傳遞，又增加了設備的負載，同時提高了有害氣體的溶解度。在這種情況下，如果單一考慮增大空氣流量來提高供氧濃度，將會加快發酵液水分蒸發，隨之也會帶走更多的揮發性有機酸等其他的中間產物，對黃原膠菌種的代謝十分有利。同時，發酵液的黏度也會上升，還會影響液體的湍動程度和氧從氣相傳遞到發酵液中的液膜阻力，使氧的傳遞阻力增大。此外，發酵液粘度較大時，泡沫將劇增而穩定，且不易破裂，使氣液接觸的總面積降低。因此，為了消除過多的泡沫就要耗用大量的消沫劑。但是，消沫劑用量過多時，不但不能消除泡沫，反而引起泡沫調節失控，PH值波動，最終導致異常發酵，造成不可挽回的黃原膠生產損失。由于空氣在發酵液中滯留的時間有限，對溶氧濃度的影響也將遠小于攪拌器轉速的影響。由此可見，在黃原膠發酵工藝中，并不提倡一味地增大空氣流量，而應適當調整攪拌器的轉速，以滿足不同黃原膠菌種及其在不同生長代謝階段對溶氧的需求，同時可以改進黃原膠發酵工藝，達到節約能源的目的。
根據黃原膠的菌種在不同生長代謝階段，對攝氧量的不同要求及攪拌器轉速對溶氧濃度占據的主導地位，對黃原膠發酵罐的傳統攪拌器進行調速技術改造非常必要，而變頻調速是眾多調速方案中的較佳選擇。通過發酵罐變頻改造工程，使黃原膠發酵工藝中攪拌器轉速、通氣量、溶氧濃度和罐壓等工藝參數有機結合，促使黃原膠菌種的生長代謝條件達到較佳狀態。
在黃原膠的生產成本中，電和蒸氣成本約占總成本的40%，為了降低發酵電耗成本，改善工藝流程，山東某生物發酵公司領導決定對黃原膠發酵罐攪拌機，進行變頻調速改造，基于山東新風光電子科技發展有限公司在發酵行業的良好表現，該公司通過招標方式選擇了我公司生產的風光牌JD-BP38型高壓變頻器對其進行改造，改造達到了預期的目的。
4現場負載工況
負載名稱：黃原膠發酵罐攪拌機
電機參數
額定功率
450kW
額定電流 29A
額定電壓 10kV
額定頻率 50Hz
功率因數
0.89
電機啟動方式為直接啟動，電機運行電流一般為24～33A，一次發酵周期為69～72h。
5風光公司高壓變頻調速系統技術特點
風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。具體來說，風光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點：
（1）采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
（2）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。
（3）完整的工頻/變頻自動互切技術。現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
（4）旋轉中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s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。
（5）線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出較大且不相等的前提下保證較大的線電壓均衡輸出。
（6）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。
（7）單元內電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高1倍。
（8）
散熱結構設計合理，單元串聯多重化并聯結構，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。
（9）
具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生。
（10）
限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數。
（11）
故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復位，繼續運行。
6改造系統原理圖
改造系統由一次回路進線柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現故障，而不能排除故障時，將電機自動投入到工頻運行，確保生產不受影響。
變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。自動旁路柜接線如圖1所示：
圖1旁路柜在變頻器進、出線端增加了兩個隔離刀閘，以便在變頻器退出后而電機運行于旁路時，能安全地進行變頻器的故障處理或維護工作。
旁路柜主要配置：三個真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和兩個刀閘隔離開關K1、K2。KM2與KM3實現電氣互鎖，當KM1、KM2閉合，KM3斷開時，電機變頻運行；當KM1、KM2斷開，KM3閉合時，電機工頻運行。另外，KM1閉合時，K1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時，K2操作手柄被鎖死，不能操作。
電機工頻運行時，若需對變頻器進行故障處理或維護，切記在KM1、KM2分閘狀態下，將隔離刀閘K1和K2斷開。
合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯于KM1、KM2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時，真空接觸器KM1、KM2合閘不允許；在KM1、KM2合閘狀態下，若變頻器出現故障，則“合閘允許”斷開，KM1、KM2跳閘，分斷變頻器輸入電源。
旁路投入：將變頻器“旁路投入”信號并聯于KM3合閘回路。變頻運行狀態下，若變頻器出現故障且自動投入允許，或者需要將電機從變頻投入到工頻狀態運行（按下“工頻投切”按鈕），系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開關、真空接觸器KM1和KM2，經過一定延時后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開關KM3合閘，電機投入電網工頻運行。
保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
7風光高壓變頻器控制系統
7.1控制方式
風光變頻器有三種控制方式：
本地控制：通過變頻器的人機界面控制電機的啟動和停機，并能完成變頻器的所有控制。
遠程控制：通過內置PLC接受來自現場的開關量控制。
上位控制：通過RS485接口，采用PROFIBUS通訊協議，接收上位DCS系統的控制；或與DCS硬連接。
7.2速度設置方式（或閉環運行時的給定方式）
風光變頻器有多種速度設置方式，在閉環運行時，速度設置方式即為被控量的給定方式：
本地設置：通過薄膜式液晶屏設置運行頻率。
模擬設置：接收DCS系統0～10V或4～20mA模擬信號設置運行頻率或被控量給定值。
通訊設置：通過通訊方式接收來自DCS系統的運行頻率或被控量給定值。
多檔設置：通過開關量設置多檔運行速度或被控量給定值。
閉環調節：由PID自動設置運行頻率。
7.3運行方式
風光變頻器有開環和閉環兩種運行方式。
開環運行：變頻器以設置頻率輸出。頻率（或稱速度）的設置方式有本地設置、模擬設置、通訊設置和多檔設置。
閉環運行：對一個運行參數（如流量、壓力、溫度等，簡稱被控量，此處以壓力為例）實現跟蹤控制。閉環運行時，實際壓力信號來自于現場信號，而壓力期望值有3種設置方式，分別為本地設置、模擬設置、通訊設置。
7.4對外接口
模擬量輸入：2路，4～20mA
或0～5VDC
。4～20mA時輸入阻抗250Ω，0～5VDC電壓輸入時輸入阻抗≥10MΩ。用于接收速度設置或被控量設置的模擬信號。
模擬量輸出：2路，4～20mA
或0～5VDC輸出。4～20mA輸出時最大阻抗500Ω，0～5VDC電壓輸出時最小阻抗5000Ω。以模擬方式輸出變頻器的運行速度、變頻器的輸出電流等變量。
數字量輸入：32路，光電隔離，隔離電壓500VAC。接收遠程控制信號，速度給定開關信號及各開關狀態等。
數字量輸出：16路，中間繼電器隔離，隔離電壓750VAC，接點容量5A。輸出變頻器狀態，控制主電源開斷等。
通訊接口：RS485，PROFIBUS通訊規約，實現與上位系統的通訊。
7.5全中文Windows人機界面
（1）主界面
圖2 主界面
（2）參數設置界面
圖3 參數設置界面
8攪拌機變頻改造使用效果
該公司攪拌機變頻技改工程選用新風光630kW/10kV高壓變頻器，共計10臺，對攪拌罐進行改造，工程于2007年下半年完成。至今運行正常，風光高壓變頻器贏得了用戶的高度評價，改造達到了預期的效果。
變頻器投運后，具有以下優點：
（1）由于發酵罐的攪拌器轉速得以有效地控制與調整，實現了較佳工況運行，與工頻發酵罐相比較，使黃原膠產出的發酵單位提高了6%左右。
（2）在發酵工藝周期內，適當地降低了攪拌器轉速，有效地遏制了發酵液泡沫劇烈地生成，減少了染菌事故率。
（3）減少了維護工作量和維護費用，延長了設備的使用壽命。
由于變頻器采用軟起動、軟停止工作方式，因此避免了電動機全壓啟動時，對電網、電氣設備及機械設備的沖擊，有效地延長了設備的大修期和使用壽命，大大降低了維護工作量和維護成本。
（4）變頻器具有多項保護功能，十分完善。
與工頻系統相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。風光高壓變頻器的星點漂移功能較大限度保證了設備的連續運行。
（5）節能效果顯著。
黃原膠工作周期約為69～72小時，攪拌額定速度為120r/min。在每個發酵工作周期，為多級調速，運行頻率一般設定為20
Hz、30Hz、35 Hz、40Hz、45Hz左右。具體發酵過程共分十個時間段（單位：小時）和十個頻率段（單位：Hz），設定界面如圖4所示。
圖4 設定界面
變頻器運行中根據實際運行時間自動選擇應該運行的時間段，然后將運行頻率調整至該時間段對應的頻率，時間段與頻率的對應關系如表1示：
如果某時間段內頻率設定為0，則該時間段變頻器將處于待機狀態，不輸出高壓電。
例如，將f1設定為0，則變頻器在（0－t1）時間段內處于待機狀態，而在（t1-t2）時間段內自動以f2（f2大于0）頻率運行。將f8設為0，（t6-t7）時間段內以f7（f7大于0）頻率運行，（t7-t8）時間段內待機，（t8-t9）時間段內以f9（f9大于0）頻率運行。
如果用不了那么多時間段和頻率段，則只需將多余的頻率段與用到的最后一個頻率段設置成一樣即可，假如只用到七個頻率段，則將f8、f9、f10與f7設置成一樣即可。
經測試，在同樣的工況下，攪拌機變頻運行與工頻運行相比，用電量減少25%左右，節電效果十分明顯。
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從黃原膠發酵罐變頻改造效果來看，山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38型高壓變頻器不僅滿足了發酵生產工藝的要求，改善了發酵效果，節能效果顯著，而且性能可靠，運行穩定。在提高發酵質量的同時又得到極大的經濟效益，具有廣闊的推廣意義。
