本文結(jié)合電爐生產(chǎn)的實際工況,，介紹了山東新風(fēng)光公司研制生產(chǎn)的單元串聯(lián)多電平高壓大功率變頻器在湖北新冶鋼鐵廠4#電爐除塵風(fēng)機中的應(yīng)用,。通過改造,，實現(xiàn)了電爐除塵風(fēng)機的高效運行,，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的,。

    關(guān)鍵詞:高壓大功率變頻器 單元串聯(lián)多電平 節(jié)能 

一 ．引言：

    隨著世貿(mào)組織的加入和市場經(jīng)濟(jì)的不斷加劇，節(jié)能降耗,、提高生產(chǎn)效率成為企業(yè)提高產(chǎn)品市場占有率 ,、 競爭力的有效手段之一。而高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟,，使得該項技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金,、石油、化工,、電力,、水泥、給排水,、制藥,、造紙、污水處理等各個行業(yè),。湖北新冶鋼鐵有限公司二煉鋼廠正是在這種形勢下,，對電爐除塵系統(tǒng)進(jìn)行高壓變頻技術(shù)研究改造的。電爐主要是通過用廢鋼,、鐵合金和部分渣料進(jìn)行配料冶煉,，根據(jù)不同的鋼種要求，可以接受高炭鉻鐵水,，然后熔制出碳鋼或不銹鋼鋼水供煉鑄用,。電爐在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生大量煙塵,，污染環(huán)境，根據(jù)國家法規(guī),，需除塵處理,。電爐冶煉一般分熔化期,、氧化期和還原期，其中氧化期強化脫炭,，在上述三個冶煉期中,，氧化期產(chǎn)生的煙氣量最大，含塵濃度和煙氣溫度最高,。   因此,，電爐除塵系統(tǒng)按照氧化期的最大煙塵排量進(jìn)行設(shè)計，吹氧時期占整個煉鋼周期的 40％左右,。此時風(fēng)機處于滿載運行,，而其它時間風(fēng)機處于輕載工況。改造前,，不論電爐處于哪一個冶煉周期中,，除塵風(fēng)機均全速運行，風(fēng)量調(diào)節(jié)采用入口擋板開度調(diào)節(jié),，效率低,，功耗大，大量的電能白白浪費在擋板上,，急需對原電爐除塵風(fēng)機進(jìn)行節(jié)能改造,。 

二．原系統(tǒng)工藝簡介:

    湖北新冶鋼鐵有限公司二煉鋼廠 4# 電爐為 10t 偏芯交流電爐，除塵器系統(tǒng)采用 TFMC 布袋式除塵器,。 4# 電爐的煉鋼周期為 2 小時 20 分鐘,，其中裝料 5～10 分鐘，送電熔化 40～60 分鐘,，吹氧 50～80 分鐘,，出鋼 3～5 分鐘，在電爐不同的生產(chǎn)階段,，電爐產(chǎn)生的煙氣量和煙氣溫度不同,，且差異較大。加料過程中,，主要是裝料時廢鋼及渣料產(chǎn)生的揚塵,，需要的除塵風(fēng)量不大，要求粉塵不擴(kuò)散,，不污染環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn),。送電過程中是原料送電拉弧加熱，引發(fā)可燃廢棄物燃燒產(chǎn)生廢氣,。此時,，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態(tài)，要求煙塵能夠及時排出,，又不能過多的帶出爐體熱量,，以保證煉鋼周期,。而在吹氧周期，不僅要求除塵系統(tǒng)能夠及時將煙塵排出,，又必須保證爐體有合適的吹煉溫度,，在沖渣出鋼時，主要排放物是沖渣產(chǎn)生的水蒸氣和少量廢氣,。通過對 4# 電爐冶煉工藝分析：電爐在煉鋼不同的階段對除塵風(fēng)量的大小有明顯的不同,，以吹氧冶煉最大，加料除塵為最小,，鑒于電爐除塵系統(tǒng)中除塵風(fēng)機的運行方式和設(shè)備特點,，對除塵風(fēng)機的控制制定了改造方案。原系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)如下：  2 .1原系統(tǒng)設(shè)備參數(shù) 

除塵風(fēng)機參數(shù):                    電動機參數(shù):                 熱變電阻柜參數(shù)

型號 CTY20-246-12            型號 YKS 500-8-8             型號 HTR3-100/6 

流量 380000m 3 /h            額定功率 630KW               額定電壓 6000V 

風(fēng)壓 37000Pa                 額定電壓 6000V               額定電流 90A 

軸轉(zhuǎn)速 730r/min              額定電流 76 .5 A             額定頻率 50HZ 

軸功率 630KW                 額定轉(zhuǎn)速 740r/min            額定功率 700KW 

電動機參數(shù)                   額定功率因數(shù) 0 . 82 

型號 YKS 500-8-8             額定頻率 50HZ 

三．高壓變頻調(diào)速系統(tǒng):

    湖北新冶鋼鐵有限公司經(jīng)多方考察,，比較性價比,，最終選定我公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌 JD-BP37 -800F 功率單元串聯(lián)多電平高壓大功率變頻器，對 4# 電爐除塵風(fēng)機進(jìn)行調(diào)速改造,。

3 .1 風(fēng)光牌 JD-BP37 -800F 高壓變頻器主要性能指標(biāo) 

      變頻器功率 800KW                 額定輸出電流 100A 

輸入頻率 50HZ ± 5HZ             額定輸入電壓 6KV 

允許電壓波動 ±20%               輸入功率因數(shù) ≥ 0.98 

輸出頻率范圍 0～50HZ              輸出電壓范圍 0～6KV 

頻率分辨率 0 .01HZ 加速時間可由用戶生產(chǎn)工藝設(shè)定 

減速時間 可由用戶生產(chǎn)工藝設(shè)定 變頻器效率 ≥96% 

過載能力 100% 連續(xù) 160% 連續(xù) 1min 220% 允許 1.5S 

防護(hù)等級 IP20 

3.2 JD-BP37 型高壓變頻調(diào)速器主要技術(shù)性能 

3.2.1 高——高電壓源型變頻器,，直接 6KV 輸入，直接 6KV 輸出,，無須任何輸出變壓器或濾波器,，適配于普通高壓電動機，對電機,、電纜絕緣無損害,。 

3.2.2 輸入功率因數(shù)高，電流諧波小,，無須功率因數(shù)補償,、諧波抑制裝置。 

3.2.3 單元電路模塊化設(shè)計,，維護(hù)簡單,，互換性好。 

3.2.4 輸出階梯正弦 PWM 波形,。 

3.2.5 高壓主回路與控制器之間為光纖連接,，強弱電隔離，安全可靠,。 

3.2.6 完善的故障檢測,，精確的故障保護(hù)及準(zhǔn)確的定位顯示和報警。 

3.2.7 內(nèi)置 PLC ,，易于改變控制邏輯關(guān)系,，可靈活選擇現(xiàn)場控制 / 遠(yuǎn)程控制，適應(yīng)現(xiàn)場多變需求。 

3.2.8 采用載波移相控制技術(shù),，大大抑制了輸出電壓的諧波成分,，保證輸出波形是完美正弦波。 

3.2.9 控制電源與高壓電相互獨立,，無高壓可以檢測變頻器輸出，便于現(xiàn)場調(diào)試以及培訓(xùn)操作人員,，便于維護(hù),。 

3.2.10 采用準(zhǔn)優(yōu)化 SPWM 調(diào)制技術(shù)，電壓利用率高,。 

3.2.11 功率單元經(jīng) 24 小時高溫老化,、 150 ％負(fù)載試驗，可靠性高,。 

3.2.12 中文 Windows 操作界面,，彩色液晶觸摸屏操作。用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)界面十分友好和完善,，系統(tǒng)包括上位機（商用 PC 機）,、下位機（工控機）、單片機,。其中單片機給用戶提供一個 4 位 LED 數(shù)碼顯示屏和一個 12 鍵的小鍵盤操作平臺,，可對變頻器進(jìn)行全部操作，包括參數(shù)設(shè)置和各種運行指令,。工控機用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺,，其功能更齊全，包括參數(shù)設(shè)定,、功能設(shè)定,、運行操作、運行數(shù)據(jù)打印,、故障查詢等等,。上位機（商用 PC 機）放在總控室，可對多臺變頻器進(jìn)行遙測,、遙控,。若只有一臺變頻器，上位機可省,，或讓客戶自定,。 

3.2.13 可接收和輸出多路工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號。 

3.2.14 可打印輸出運行報表 ,。

3.3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 

 風(fēng)光牌 JD-BP37 型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接 “高 -高”變換方式,，屬電壓源型，采用功率單元多電平串聯(lián)方式，以最新型西門子IGBT為主控器件,，全數(shù)字化控制,， 彩色液晶觸摸屏控制，以高可靠性,、易操作,、高性能為設(shè)計目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器。 它對電網(wǎng)諧波污染小,，輸入電流諧波畸變小于 1% ,，直接滿足 IEEE519-1992 的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高,，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置,；輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動,、噪音,、輸出 dv/dt 、共模電壓等問題,，不必加輸出濾波器,，就可以使用普通的異步電機 其系統(tǒng)由移相變壓器，功率單元和控制器組成,。其工作原理如下：

（ 1 ）電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電,，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交 PWM 電壓源型逆變結(jié)構(gòu),，相鄰功率單元的輸出端串接起來,，形成 Y 接結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出,，供給高壓電動機,。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)每相由 6 個功率單元串聯(lián)而成，每個功率單元承受全部的電機電流,、提供 1/6 相電壓和 1/18 的輸出功率,。 

（ 2 ）每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，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,，實現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的,。給功率單元供電的二次繞組每 3 個一組,，分為 6 個不同的相位組。輸入電流波形非常接近于正弦波,，總的諧波電流失真小于 1% ,，輸入的綜合功率因數(shù)可達(dá) 0.98 以上,。 

（ 3 ）逆變器輸出采用多電平移相式 PWM 技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓,，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定的電角度,，實現(xiàn)多電平 PWM ，輸出電壓非常接近于正弦波,，每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小,，所以 dv/dt 很小，功率單元采用較低的開關(guān)頻率,，以降低開關(guān)損耗,，提高效率，由于采用移相式 PWM ,，電機電壓的等效開關(guān)頻率大大提高，且輸出電平數(shù)增加,。風(fēng)光牌 JD-BP37 -800F 高壓變頻器,，輸出相電壓均為 13 電平，線電壓均為 25 電平,，輸出等效開關(guān)頻率為 6kHz ,，電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波,，由諧波引起的電機發(fā)熱,、噪音和轉(zhuǎn)矩脈動都大大降低，因此對電機沒有特殊要求,，可直接用于普通異步電機,。 

四．系統(tǒng)控制方案:

     湖北新冶鋼鐵有限公司二煉鋼廠 4# 煉鋼電爐，配套除塵風(fēng)機一臺（功率為 630KW ）,。除塵風(fēng)機為滿足電爐不同運行工況下的風(fēng)量調(diào)節(jié),，對除塵風(fēng)量的控制采用分段調(diào)速的方式，分六段進(jìn)行控制,。變頻器運行頻率分別設(shè)定為 20HZ ,、 30HZ、35HZ,、40HZ,、45HZ、50HZ,。除塵風(fēng)機電氣系統(tǒng)主回路接線圖如圖 3 示,，為一拖一控制，設(shè)置工 / 變頻切換柜,，以保證除塵風(fēng)機安全可靠運行,。變頻器實現(xiàn)就地 / 遠(yuǎn)程調(diào)速控制,。當(dāng)選擇遠(yuǎn)程操作時，控制權(quán)交給電爐現(xiàn)場操作室,；當(dāng)選擇就地時,，控制權(quán)交給變頻器，可實現(xiàn)多段速調(diào)節(jié),，各種參數(shù)均可在觸摸屏上顯示,，操作簡單明了。

五．現(xiàn)場運行情況:

2004年2月,，湖北新冶鋼鐵有限公司和我公司簽定高壓變頻器購貨合同,，型號為JD-BP37-800F。

2004 年 3 月 13 日 ,，開始安裝就位,；

2004 年 3 月 18 日 ，調(diào)試完畢,；

2004 年 3 月 23 日 ,，正式投入運行，整個變頻器安裝調(diào)試周期都很短,，為 4# 電爐正常生產(chǎn)提供了有利的保證,。                                                             

高壓變頻器控制除塵風(fēng)機，與原電爐除塵風(fēng)機比較,，主要有以下優(yōu)點： 

＊ 提高了電爐除塵風(fēng)機系統(tǒng)運行效率,，實現(xiàn)了除塵系統(tǒng)的最佳工況運行。

＊ 提高了產(chǎn)品質(zhì)量,，根據(jù)電爐生產(chǎn)工藝的要求,，可適時改變除塵風(fēng)量，有助于改善爐內(nèi)吹煉工況,，提高出鋼品質(zhì),。

＊ 縮短煉鋼時間，提高了出鋼產(chǎn)量,。據(jù)實測,，每煉鋼周期平均比以前減少了 10 分鐘左右，提高了生產(chǎn)效率,。

＊ 減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費用,，延長了設(shè)備的使用壽命。原舊電爐除塵風(fēng)機在運行過程中,，風(fēng)機和電機始終滿負(fù)荷運行,，維護(hù)工作量大，檢修費用高,。采用變頻技術(shù)調(diào)速后,，除塵設(shè)備隨生產(chǎn)工藝變負(fù)荷運行,，大大降低了除塵設(shè)備負(fù)荷率，延長了除塵風(fēng)機,、電機,、除塵器等設(shè)備的使用壽命。 

＊ 變頻器具有多項保護(hù)功能,，十分完善,。與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流,、短路,、過壓、欠壓,、缺相,、溫升保護(hù)等多項保護(hù)功能，更精確地保護(hù)了電機,。 

＊ 調(diào)速范圍寬,，調(diào)速精度高。除塵風(fēng)機的風(fēng)量經(jīng)常需要根據(jù)工藝的需要變化,，與過去擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量相比較，采用變頻拖動風(fēng)機可以在 2～50HZ范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié),，調(diào)節(jié)精度高,，調(diào)節(jié)頻率波動可保持在0.1～0.01HZ范圍內(nèi)，便于實現(xiàn)除塵系統(tǒng)自動化控制,。 

＊ 節(jié)能效果顯著,，大大降低了噸鋼電耗。

    為了對除塵系統(tǒng)變頻改造后的效果進(jìn)行評價,，在系統(tǒng)投入正常運行一年后對設(shè)備實際使用和節(jié)電情況進(jìn)行了測定和數(shù)據(jù)分析,。隨機抽取一個正常工作日，將系統(tǒng)切換工頻運行采用入口擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量,，網(wǎng)側(cè)計量耗電量,，然后將系統(tǒng)切換變頻運行，,，計量耗電量,，

具體數(shù)據(jù)如下表： 

   
    通過上表可以得出以下結(jié)論：除塵系統(tǒng)在變頻改造后較改造前，噸鋼除塵電耗降低了 38.49 KW·h ,，節(jié)電率高達(dá) 48 ％,，節(jié)能效果顯著。 

六．結(jié)束語:

    總之,，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 JD-BP37 -800F 高壓大功率變頻器在湖北新冶鋼鐵有限公司二煉鋼廠 4# 號電爐除塵風(fēng)機上的改造是成功的,，它不僅滿足了電爐除塵系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的要求,，改善了電爐炊煉工藝，節(jié)能效果顯著,，而且性能穩(wěn)定,，運行可靠。鑒于風(fēng)光牌 JD- BP37 型高壓大功率變頻器在冶金行業(yè)的出色表現(xiàn),，同時改造的１ # 電爐,、 3# 電爐、6# 電爐除塵風(fēng)機系統(tǒng),，湖北新冶鋼鐵公司也采用我公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器,。