高压变频器在转炉一次除尘风机中的应用

摘要:介绍了完美无谐波高压变频器原理、性能及在转炉一次除尘风机电机中的应用情况实践证明，转炉一次除尘风机电机应用高压变频控制后在节能、环保等方面取得了较好的技术与经济效果

　 当前我国节能形势日趋重要，入世后的市场竞争使企业降低成本方而的压力增大，这为节能降耗提供了有力的内部驱动力。省会城市环保形式的日趋严峻,使节能、环保更显重要。石钢炼钢厂转炉一次风机改造选用美国罗宾康完美无谐波高压变频器，该变频器具有完美无谐波的特点，对电网无污染；采用矢量控制使得变频器具有优良的动态和静态调速性能；通过中性点漂移技术，避免功率单元故障对风机造成的影响。通过使用表明达到了良好的节能、环保效果。

1 转炉一次除尘风机

1.1 转炉操作模式

　 石钢炼钢厂有两座50t转炉，分别对应两台9.6万m³/ h风量的除尘风机，当转炉冶炼过程中会产生大量有害烟气，通过除尘风机将有害烟气净化后再排放同时进行煤气回收以满足生产所需。转炉冶炼每个周期分为八步:兑铁水→加废钢→降枪吹炼→测温取样→出渣→出钢→溅渣→再出渣，除尘风机采用液力耦合器传动，风机电机靠高压开关直接启动，达到额定速度时通过调整液力耦合器来调整风机转速。整个过程中只有降枪吹炼时候反映剧烈，烟气排放较大此时进行煤气回收，需要风机高速运行。其他时间风机低速运行即可满足要求。每个冶炼周期( 28min)分为吹氧期和不吹氧期，吹氧时间12min加上其他一些时间，总体算来风机高速运行时间为15min(即降枪吹炼步骤)，低速运行时间为13min(即其他七个辅助步骤)。当转炉系统检修时可根据实际情况风机手动低速运行。

1.2 电机和风机技术参数

　 电机和除尘风机技术参数见表1、表2

表1电机参数

型号	YKK5602—4
额定功率/kW	1400
额定电压/kV	6
额定频率/HZ	50
额定电流/A	160.6
额定功率因数	0.88
额定转速/r/min	1490

表2除尘风机参数

型号	KMZ1600－1.0875/0.802
介质密度/kg/m3	1.8
进气容积流量/m3/min	1650
进气压力/kPa	78.6
进气温度℃	60
冷却用水量/t/h	9

2 改造方案

　 石钢炼钢厂转炉一次风机原来在冶炼过程中电机始终处于高速运转状态,且靠液力耦合器调速(风机速度为1350转,小于电机额定转速1490转),浪费了大量能源。改造方案将原来的液力耦合器改为连轴器,在高压开关后增设高压变频器,在吹氧期电机高速运行,在不吹氧期电机低速运行,从而降低电耗。

　 转炉一次风机加装变频器,充分利用转炉在吹氧过程中烟气较大,风机高速运转以达到除尘的目的,而在兑铁、出钢、溅渣等过程中烟气较小,风机此时无须高速运转的原理,利用转炉倾动的角度,来控制风机电机自动起高速和降低速。当转炉倾动角度在 l00度(即溅完渣后第一次出渣时)风机电机延时90s开始起高速，升速时间为60s，转速1350转，高速运行15min 。当转炉角度在-83度(即吹氧完毕后开始出钢时)风机电机自动降低速，降速时间为60s，转速1050转，低速运行13min。同时利用转炉零位对其给定点进行复位。加装变频器使得除尘效果更加理想，原来采用液力藕合器时当烟气量突然增大时，藕合器反应迟缓，往往容易造成溢烟。采用变频器，当烟气量大于额定值时，变频器相应提速，满足除尘要求。2005年5月对转炉一次除尘风机电机控制系统进行改造，增上高压变频器，6月投入使用，改造后取得了良好的效果。改造前后情况如图1所示:

图1 改造前后情况对比

3 使用高压变频器的优点

3.1完美无谐波

　 转炉一次除尘风机电机控制系统改造选用美国罗宾康完美无谐波高压变频器，型号为:PH- 6- 6- 1400其基本原理如图2所示:

图2基本原理图

　

　 采用完美无谐波高压变频器，具有如下优点:

　 1)提供纯净的输入特性:符合最严格的电压、电流谐波畸变标准IEEE519 1992的要求，即使在输入容量不大于变频器额定容量的情况下也能满足工作要求。能使得其他在线设备免受谐波干扰，同时能防止与其他调速装置发生串扰。

　 2)高功率因数和几近完美的正弦波输入电流:　 一般来说用变频器传动电机同用工频传动相比，由于变频器输出波形中含有高次谐波的影响电动机的功率因数、效率将劣化。另一方而，变频器传动时要得到与工频电源传动相同的转矩特性，变频器的输出电压的基波有效值要等于工频电源的有效值。完美无谐波变频器的变压器次级绕组在绕制时相互之间有一定的相位差，产生相移消除谐波电流，能够获取几近完美的正弦输入电流，使得其功率因数在整个调速范围内，无须使用外部功率因数补偿电容即可超过95 %。

　 3) 几近完美的正弦波输出电压，众所周知用变频器进行电动机调速运转，由于运转频率的变化基波分量、高次谐波分量也在很广范围内变化，电动机各部的谐波增加，会使燥声、振动增大，引起电动机转矩脉动，其对策主要是抑制产生的电磁力和防止电磁力产生的谐振。采用变频器本身提供正弦波输出而无须使用外部输出滤波器。这意味着变频器只产生极少的失真电压波形，其产生的电机噪音几乎感觉不到。对电动机的选型也没有特殊要求，这样以来使得电机的使用寿命大大提高。

3.2 高压变频器基木原理

　 变频器通过将固定频率、固定电压的公用电源转换为可变频率、可变电压的电源而改变电机速度，这种变换是电子式的，无须任何部件。所有的功率单元都接收来自同一个中央控制器的指令。这些指令通过光纤电缆传输以确证信号的可靠性，绝缘等级达到5kV。6kV电压完美无谐波变频器最大的相电压跳变等于一个单元的直流母线电压，约为900V，这使得电动机的绝缘不会受到影响。变频器的共模电压含有与开关频率相对应的高频分量，高频的电压分量会通过输出电缆和电动机的分布电容产生高频漏电流，影响逆变器功率电路的安全。高压变频器的使用甩掉了原来的液力耦合器调速系统，使启动更加平稳，而在降速时，速度调节器的输入为负，由于积分作用，速度调节器继续处于饱和状态，电动机的转差频率始终是负的最大值，能够合理控制制动过程中的减速转矩，避免高转差下增加电机的损耗，引起电机发热。18个功率单元的使用使得对电网高次谐波污染极大的减少，彻底避免了共模电压对电机的危害。

3.3 中性点漂移

　 功率单元作为高压变频的主要元件，其损坏将直接影响设备运行，其他产品当功率单元故障旁路时，输出电压中心点的电压是浮动的，造成电压、电流不平衡，从而谐波也相应增大，勉强运行终究会导致电动机损坏。采用中性点漂移技术，当某个功率单元故障时变频器主控板自动接通对应的接触器，损坏的功率单元不在作为系统电气的一部分，利用单元的星形点是浮动的且不连接到电机中性点的事实，星形点偏离电机中性点，整单元电压的相位角(由120度调整到132. 5度)从而得到平衡的电机电压。这样以来使得变频器功率单元故障时，不会使除尘风机突然停车从而影响除尘效果乃至煤气回收，保证设备正常运行，同时通过光揽传递故障信号，使操作人员得到信息，根据生产情况再安排时间处理。

3.4 矢量控制

　 在异步电动机全压启动时，电动机中将流过5一7倍的额定电流，但所能产生的转矩并不大。矢量控制的基本出发点是将异步电动机构造上不能分离的转矩电流和励磁电流分离成90度相位差，并对转矩电流和励磁电流分别进行控制，从而改善了异步电动机的动态性能。为实现矢量控制的目的，需要将电动机的三相电流按坐标变换的方法变换成两相电流，在两相坐标系上确定电机的转矩电流和励磁电流的大小并分别控制，再将两相电流变换成三相电流设定值然后采用电流闭环控制实际电流。

3.5 上位机在线监控

　 高压变频器内部采用PLC进行逻辑运算和控制，采用工业以太网与上位机通讯，在线监控高压变频器的运行状态。上位机可显示变频器的输出电压、电流、功率因数、电机的转速等关键参数,并有各参数的历史趋势记录和故障报警记录。这样可方便的在线检查变频器的运行情况。

4 应用效果

　 炼钢厂转炉一次风机原来工作时为工频50HZ，电流110A，改用变频器后高速时频率为45HZ，电压5300V，电流90A，低速时频率为35HZ电压4100V电流81A，很大程度上节约了电能，按当前电费价格0.45元计算，平均每人可节约电费2500元，按照风机年运行300天计算，全年仅电费一项就可节约75万元。改造后取消了液力耦合器，减少了液力耦合器用油的消耗，以及9m³/ h的冷却水量的消耗，全年可降低费用15万元。高压变频器的使用从一定程度上延长了风机的使用寿命，改造后风机检修周期由原来30天延长至50天，减少了设备的维护量，全年可降低费用5万元。每年经济效益=75 155= 95(万元)。

另外，对减少机械设备的磨损和设备检修造成的损失是不可估量的。

　 环保方而，石钢公司地处省会城市，环保要求很高，在使用高压变频器以后完全可以满足除尘的要求，效果更好。可以适应工艺上的突发事故，改造后再无溢烟情况发生。

　 该高压变频器自2005年6月投用以来，运行非常平稳，对其维护量也很小，且从未发生影响生产的事故。炼钢厂在未来几年内，将对转炉一次除尘2号风机电机、精炼炉除尘风机电机、混铁炉除尘风机电机的控制系统进行改造继续推广这一新技术。