1 引言

　　沙鋼集團(tuán)是目前國(guó)內(nèi)最大的電爐鋼和優(yōu)特鋼生產(chǎn)基地、江蘇省重點(diǎn)企業(yè)集團(tuán)、國(guó)家特大型工業(yè)企業(yè)，全國(guó)最大的民營(yíng)鋼鐵企業(yè)?，F(xiàn)擁有總資產(chǎn)1000多億元，職工26700余名，主要工藝裝備均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，形成了年產(chǎn)鐵2230萬(wàn)噸、鋼2720萬(wàn)噸、材2390萬(wàn)噸，其中不銹鋼板100萬(wàn)噸的生產(chǎn)能力。

　　為了降低對(duì)周邊環(huán)境的污染，沙鋼瞄準(zhǔn)國(guó)際國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，大力推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，先后淘汰了2座5噸小電爐和6條小軋鋼生產(chǎn)線，同時(shí)，引進(jìn)先進(jìn)環(huán)保治理工藝技術(shù)和裝備，加大環(huán)保技改投入。近幾年來(lái)，共投資2億多元用于增添和更新改造各類(lèi)環(huán)保設(shè)施。在電爐煉鋼方面，采用布袋低壓脈沖除塵技術(shù)、噴霧除塵技術(shù)、變頻調(diào)速控制除塵風(fēng)機(jī)技術(shù)等。

　　該煉鋼廠原有15噸氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐4座，轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中，爐口會(huì)排出大量棕紅色的煙氣，煙氣溫度高，含有易燃?xì)怏w和金屬顆粒，按照我國(guó)1996年頒布的《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（gb16297一1996），對(duì)煙氣必須冷卻、凈化，由引風(fēng)機(jī)將其排至煙囪放散或輸送到煤氣回收系統(tǒng)中備用。因此，每座轉(zhuǎn)爐需配有1套除塵系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)采用二級(jí)文氏管煙塵凈化方式，風(fēng)機(jī)型號(hào)ai850，電機(jī)功率1800kw/10kv。由于轉(zhuǎn)爐周期性間斷吹氧，為滿足節(jié)能和環(huán)保要求，要求風(fēng)機(jī)在整個(gè)煉鋼工作周期內(nèi)變速運(yùn)行，吹氧時(shí)高速運(yùn)行，不吹氧時(shí)低速運(yùn)行。2002年，煉鋼廠對(duì)其中2#和3#轉(zhuǎn)爐進(jìn)行擴(kuò)容改造，將風(fēng)機(jī)移至地面，采用液力耦合器調(diào)速，高速為2700r/min（設(shè)計(jì)2900r/min），低速為1200r/min。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)液力耦合器技術(shù)存在著局限性，主要表現(xiàn)在：

　?。?） 電動(dòng)機(jī)的效率低，損耗大，尤其低速運(yùn)行時(shí)，效率極低；

　　（2） 調(diào)節(jié)精度低、線性度差，響應(yīng)慢；

　　（3） 啟動(dòng)電流仍比較大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定；

　?。?） 液力耦合器故障時(shí)，無(wú)法切換至工頻旁路運(yùn)行，必須停機(jī)檢修；

　?。?） 漏油嚴(yán)重，對(duì)環(huán)境污染大，地面被油污蝕嚴(yán)重。

　　鑒于液力耦合器存在上述眾多問(wèn)題，因此在2008年9月，煉鋼廠對(duì)2#和3#轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，改用高壓變頻器為轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

2 高壓變頻器技術(shù)要求及改造方案

　　除塵風(fēng)機(jī)是除塵凈化系統(tǒng)的動(dòng)力中樞，一旦除塵風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還有可能威脅到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員的人身安全；另外，調(diào)速系統(tǒng)工作的環(huán)境比較惡劣；同時(shí)轉(zhuǎn)爐又周期性間斷吹氧；所以，和除塵風(fēng)機(jī)配套的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，要求具有極高的可靠性?；谝陨瞎ぷ魈攸c(diǎn)，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要要求如下：

　?。?） 要求變頻器具有高可靠性，長(zhǎng)期運(yùn)行無(wú)故障的能力；

　?。?） 要求變頻器有旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，可使電機(jī)切換到工頻運(yùn)行；

　?。?） 調(diào)速范圍要大，效率要高；

　　（4） 有共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)設(shè)置，能使電機(jī)避開(kāi)共振點(diǎn)運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)不喘振。

　　經(jīng)過(guò)多方調(diào)研、比較，最后決定采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的jd-bp38-1800f型高壓變頻器，通過(guò)雙方技術(shù)人員的合作，共同制定了2#和3#轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)的變頻改造方案，改造方案如下。

　　2.1 設(shè)備配置

　　設(shè)備配置如圖1所示。

　　圖1中：

　　qf：變頻器輸入側(cè)的高壓開(kāi)關(guān)柜

　　km1、km2、km3、km4：高壓變頻器內(nèi)置真空接觸器

　　qs1、qs2：高壓變頻器內(nèi)高壓隔離開(kāi)關(guān)

　　m：1800kw/10kv三相異步電動(dòng)機(jī)

　　變頻器配備了自動(dòng)旁路柜，通過(guò)km3、km4的控制，可自動(dòng)（或手動(dòng)）在變頻狀態(tài)和工頻狀態(tài)之間切換。在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，km3閉合，km4斷開(kāi)，變頻器控制電機(jī)運(yùn)行；在工頻運(yùn)行狀態(tài)下，km3斷開(kāi)，km4閉合，切換至工頻帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。變頻器可以在重故障時(shí)自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，這樣既保證了變頻器正常運(yùn)行，又避免了直接啟動(dòng)電機(jī)大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，保證風(fēng)機(jī)連續(xù)不間斷供風(fēng)。并要求可以遠(yuǎn)程和本機(jī)控制。山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器調(diào)速有五種方式：就地旋鈕、觸摸屏、遠(yuǎn)程、上位機(jī)及多段速調(diào)節(jié)，方便用戶選擇。該鋼鐵廠采用多段速方式調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程控制時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)轉(zhuǎn)爐運(yùn)行位置，使變頻器在倒鐵水時(shí)高速運(yùn)行，其他時(shí)間低速運(yùn)行。

　　2.2 電機(jī)、風(fēng)機(jī)參數(shù)及變頻器技術(shù)指標(biāo)

　?。?） 電機(jī)參數(shù)

　　型號(hào)：y4004-2

　　額定功率：1800kw

　　額定電壓：10kv

　　額定電流：128a

　　額定功率因數(shù)：0.81

　?。?） 風(fēng)機(jī)參數(shù)

　　型號(hào)：ai850

　　進(jìn)氣容積流量：850m3/min

　　進(jìn)氣溫度：35℃

　　主軸轉(zhuǎn)數(shù)：2975r/min

　　額定功率因數(shù)：0.79

　?。?） jd-bp38系列變頻器技術(shù)指標(biāo)

　　輸入電壓：三相交流有效值10kv±10%

　　輸入頻率：50±5hz

　　輸出電壓：三相正弦波電壓0-10kv

　　輸出頻率：0-50hz

　　頻率分辨率：0.01hz

　　加速時(shí)間：可按工藝要求設(shè)定

　　減速時(shí)問(wèn)：可按工藝要求設(shè)定

　　頻率設(shè)定方式：高低兩級(jí)速度，可在0-50hz范圍內(nèi)調(diào)整

　　故障診斷及檢測(cè)：自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)定位

　　網(wǎng)側(cè)功率因素：0.95（高速時(shí)）

　　過(guò)載保護(hù)：150%（每10min允許lmin）、180%時(shí)立即保護(hù)

　　防護(hù)等級(jí)：ip21

　　環(huán)境濕度：90%，無(wú)凝結(jié)

3 jd-bp38系列高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)

　　3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　jd-bp38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10kv系列有30個(gè)功率單元，每10個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。

　　3.2 功率單元電路

　　每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，為基本的三相輸入、單相輸出的交-直-交逆變電路，圖3中二極管構(gòu)成三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，通過(guò)對(duì)igbt逆變橋進(jìn)行正弦pwm控制實(shí)現(xiàn)逆變輸出。

　　功率單元輸出波形如圖4所示。

　　3.3 輸入側(cè)結(jié)構(gòu)

　　輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，每個(gè)功率單元都承受電機(jī)電流、1/10的相電壓、1/30的輸出功率。30個(gè)功率單元在變壓器上都有自己獨(dú)立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實(shí)現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。

　　本機(jī)中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成36脈沖整流方式；這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實(shí)測(cè)輸入電流總諧波成分小于3%，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

　　3.4 輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

　　輸出側(cè)由每個(gè)單元的u、v輸出端子相互串接而成星形接法給電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的pwm波形進(jìn)行重組，可得到如圖5所示的階梯pwm波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。

　　3.5 控制器

　　控制器核心由高速32位數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。人機(jī)界面提供友好的全中文windows監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。內(nèi)置plc控制器用于柜體內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，可以和用戶現(xiàn)場(chǎng)靈活接口，滿足用戶的特殊需要，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

　　數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）相對(duì)于模擬信號(hào)處理有很大的優(yōu)越性，表現(xiàn)在精度高、靈活性大、可靠性好、易于集成、易于存儲(chǔ)等方面。傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理技術(shù)正由全新的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（dsp）所代替。dsp是面向高速重復(fù)性數(shù)值運(yùn)算密集型的實(shí)時(shí)處理。高性能dsp不僅處理速度快，而且可以無(wú)間斷的完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸入與輸出。dsp結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，普遍采用匯編編程，其處理完成時(shí)間的可預(yù)測(cè)性要比結(jié)構(gòu)和指令復(fù)雜、依賴于編譯系統(tǒng)的普通微處理器強(qiáng)的多。它可以單周期完成這些乘加并行操作，而普通微處理器需要至少4個(gè)指令周期，因此在相同的指令周期和片內(nèi)指令緩沖條件下，是普通微處理器運(yùn)算速度的4倍以上。

　　另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個(gè)功率單元的控制電源采用一個(gè)獨(dú)立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

　　3.6 控制電源

　　控制器有一套獨(dú)立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設(shè)備各點(diǎn)的波形與加高壓情況基本相似，給整機(jī)調(diào)試、培訓(xùn)帶來(lái)了很大方便。

　　系統(tǒng)采用三次諧波補(bǔ)償技術(shù)提高了電源電壓利用率，利用了調(diào)制信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)，使電壓利用率近似于1。系統(tǒng)還采用了先進(jìn)的載波移相技術(shù)，它的特點(diǎn)是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。

4 設(shè)備運(yùn)行情況及其他效益

　　2008年9月份，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的jd-bp38-1800f變頻器應(yīng)用于2#和3#電轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)的改造。由于我廠的每臺(tái)高壓變頻器在出廠前均經(jīng)過(guò)實(shí)際風(fēng)機(jī)負(fù)載滿載的整機(jī)出廠檢驗(yàn)和調(diào)試，在現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試又可以在沒(méi)有高壓輸入的情況下調(diào)試，因此在經(jīng)過(guò)約一周的施工、安裝和調(diào)試后，上電試驗(yàn)和試運(yùn)行進(jìn)行順利，一次投運(yùn)成功，高壓變頻器一直持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。高速運(yùn)行時(shí)45hz，低速運(yùn)行時(shí)20hz。圖6為變頻調(diào)速后風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線圖。

　　變頻器調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行后，主要優(yōu)越性表現(xiàn)在：

　　（1） 運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠。原來(lái)使用液力耦合器大概40天左右就必須更換軸承，每次需停爐半天左右，帶來(lái)的巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

　?。?） 節(jié)能效果顯著

　　附表為生產(chǎn)工況基本相同的條件下，隨機(jī)抽取一天工頻與變頻運(yùn)行的數(shù)據(jù)對(duì)比。

　　與原有的工頻驅(qū)動(dòng)方式相比，風(fēng)機(jī)效率穩(wěn)定在理想的范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)能耗大大降低，節(jié)約電量可達(dá)37％，變頻改造后節(jié)能效果顯著。

　?。?）電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了真正的軟啟動(dòng)、軟停運(yùn)，變頻器提供給電機(jī)的無(wú)諧波干擾的正弦波電流，降低了電機(jī)的故障次數(shù)。同時(shí)，變頻器設(shè)置共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)頻率，避免了風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在共振點(diǎn)運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)工作平穩(wěn)，風(fēng)機(jī)軸承磨損減少，延長(zhǎng)了電機(jī)、風(fēng)機(jī)的使用壽命和維修周期，提高了風(fēng)機(jī)的利用效率。

　?。?） 變頻器自身保護(hù)功能完善，同原來(lái)繼電保護(hù)比較，保護(hù)功能更多，更靈敏，大大加強(qiáng)了對(duì)電機(jī)的保護(hù)。

　?。?） 變頻器同現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)無(wú)縫接口，滿足了生產(chǎn)的需要。變頻器內(nèi)置plc，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接入靈活。變頻器按照轉(zhuǎn)爐運(yùn)行位置自動(dòng)高速、低速往復(fù)運(yùn)行。

　?。?） 適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)。

　?。?）同液力耦合器比較，在加速期間大大減小了噪聲，削弱了噪聲污染。由于不用定期拆換軸承，減少了機(jī)油對(duì)環(huán)境的污染，使風(fēng)機(jī)房的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有了極大改善。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來(lái)看，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的jd-bp38-1800f高壓變頻器性能優(yōu)越，運(yùn)行可靠，有效地降低了生產(chǎn)成本。在國(guó)家大力建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的今天，通過(guò)有效的節(jié)能改造，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。