高压变频器在炼铁厂除尘系统中的应用

1、技师专业论文工种：维修电工题目：高压变频器在高炉除尘风机中的应用及节电效果目 录摘要1关键词1一、引言二、高炉除尘风机、主电机参数介绍以及除尘风机控制系统的现状1三、高压变频调速系统组成结构与工作原理2四、系统调试中的问题及解决办法5五、使用操作与检修维护6六、风机变频调速的应用分析6结束语9参考文献9高压变频器在高炉除尘风机中的应用及节电效果作者：牛小庆【摘 要】本文详细介绍了ZINVERT系列智能高压变频器在高炉除尘风机中的应用，分析了高压变频器的工作原理与性能特点。并结合在除尘风机上的应用，论述这种控制方案的优点和巨大的经济效益。【关键词】高压变频器 除尘风机 变频调速 节能环保一、引言

2、在高炉炼铁过程中，由于高炉炮泥潮湿或高温的铁水会同空气发生剧烈的化学反应会产生大量的烟气，这些烟气一方面对现场操作的工人的健康很不利，另一方面也对环境造成了巨大的污染。所以各种高炉都配有大功率的除尘风机以改善这种恶劣的环境。然而大功率的高压除尘风机其能量消耗是相当惊人的，在我国能源环境非常严峻的今天，节能减排成了必须的措施。传统的除尘风机采用三相交流恒频率供电，电机本身的转速无法改变，通过调整风机挡板开度、利用液力耦合器和其它机械方式调速，能量损失很大且调速范围和总体性能并不理想。利用普通变频器调速又面临高压和严重谐波干扰的问题，本文以龙钢公司炼铁厂高炉除尘风机的改造项目为背景，介绍一种转速开

3、环恒压频比控制的调速方案，以达到高性能调速和节能环保的目的。二、高炉除尘风机、主电机参数介绍以及除尘风机控制系统的现状1、除尘风机、电机主要参数出铁场除尘风机设计风量：90万m3/h；除尘风机主电机的技术参数如下：电机型号： YPTKK800-6额定功率： 2000kW 额定电压：10000V额定电流：142.5A功率因数：0.85额定转速 997r/min2、除尘风机控制系统的现状2.1 除尘风机采用水阻起动柜启动，就是在电机定子回路（笼型电机）或转子回路（对绕线电机）中串入液态电阻，电机在起动过程中液态电阻阻值在预定的时间内自动无级减小，直至阻值接近为零，将液阻自动切除，电机投入正常运行。

4、然而水阻的效率低，只能做软启动，且起动电流倍数在额定电流的23.5倍之间。如果作为调速，必须将水阻柜箱体（液体电阻部分）长期带电，一旦出现箱体漏液或者液体电阻减少或者干枯，必出现生产事故或者安全事故。并且由于箱体液体电阻长期带电，发热严重，要有外围散热设备才能维持运行。所以相对人力维护成本也会增加。2.2除尘风机通过调节液力耦合器进行调速，由于液力耦合器属于机械性调速，在调速范围和调速响应上都有缺陷。就调速效率上，不如变频器从电能本身来改变转速的效率高，液力耦合器本身自损较大，一般丢转较多，而且需要专门的油冷却系统来进行冷却，故障率高，增加了设备维护量。2.3除尘风机工作时，靠手动调整风门的开

5、口大小来调节用风量，根据流体力学我们可以知道，在风门没有完全开放的状态下，大量的动能损失在风门挡板中。由于风门处存在阻力，引起设备振动、现场噪音较大，影响了设备寿命和现场工作人员。鉴于此，在2013年节能改造中，公司领导决定对部分除尘风机进行改造，采用ZINVERT系列智能高压变频器对除尘风机进行调速控制。三、高压变频调速系统组成结构与工作原理ZINVERT系列智能高压变频调速系统采用功率单元串联技术解决器件耐压问题，同时由于同相各级功率单元输出SPWM信号通过移相后进行叠加，提高了输出电压谐波性能、降低输出电压的dv/dt；通过电流多重化技术提高输入侧谐波性能，减小对电网的谐波污染；主控制器

6、采用双数字信号处理器（DSP）、超大规模集成电路可编程门列阵（CPLD和FPGA）为核心，配合数据采集单元、单元控制器和光纤通信回路以及内置的可编程逻辑控制器（PLC）构成控制系统。1、系统组成与原理 ZINVERT系列智能高压变频调速成套系统主要该设备主要由ZINVC-02-1009-20AR控制器、SIEMENS-S7-200CN的PLC、ZGHVC-2500/10F-9移相变压器、ZINVU-150/17B1-69C-B1-ZH功率单元体等组成。在本次改造中保留了原来的水阻柜及液力耦合器可实现旁路切换。该方案中一次旁路接线采用自动相互闭锁逻辑，保证电源输入与输出的唯一性，能够实现工频与变

7、频之间的倒闸操作，控制操作灵活、可靠。10kV电源经刀闸到高压变频装置接至电动机，正常时先将水阻柜旁路再进行变频启动电动机。一旦变频装置出现故障，即可马上断开高压变频装置输入侧及输出侧开关，将变频装置隔离，切换至工频侧，把水阻柜投入，在工频电源下通过串水阻降压起动电动机。2、移相变压器移相变压器主要为各功率单元箱提供独立的三相交流50Hz电源，该移相变压器具有多个独立的二次绕组，并采用移相延边三角形接法与各功率单元相连通过它绕组的移相，可以显著减小输入电流中的谐波。如图1-1所示。 图1-1 系统控制原理图3、功率单元电气原理图1-2功率单元电气原理图功率单元主要由三相桥式整流器、滤波电容器组

8、、IGBT逆变桥（H桥）构成，同时还包括功率器件驱动、保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。对于10KV电压等级ZINVERT调速装置，每相由9个功率单元串联叠加而成，电压叠加原理类同于“电池组叠加”技术。其功率单元电气原理如图1-2 所示。单元输出电压如图1-3所示。4、控制系统图1-3单个功率单元输出电压波形图ZINVERT系列智能高压变频调速系统的控制采用开环恒压频比控制，主控制部分以双数字信号处理器（DSP）为控制核心，辅以可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）、AD采样和模拟输入输出单元、数字量输入输出接口。由液晶（LCD）显示器

9、、LED指示和键盘组成的人机界面。单元的控制部分以可编程逻辑器件为核心，配合专用的IGBT驱动和保护模块和检测回路。主控制部分和单元控制部分的控制信号通过光纤进行信号传输，有效避免电磁干扰，增强系统的可靠性。5、控制方式根据异步电动机的稳态数学模型，只要保证电动机反电动势和定子频率比值恒定，就可以使电机运行在额定磁通的情况下，达到效率最优点。同时，在忽略定子电阻和漏感的情况下，电机的反电动势等于定子机端电压。由于反电动势难以直接控制，所以在近似的情况下，采取保证机端电压和定子恒定（简称U/f控制）的方式，通过控制转差频率来控制电机的转矩和转速，从而实现电机在较大范围内的平滑调速运行。U/f控制

10、与矢量控制等高性能控制方案比较，具有软硬件实现简单、性价格比较合理等优点。ZINVERT系列智能高压变频调速系统在恒压频比控制的基础上，提供两种类型（直线和二次方曲线，）V/F曲线，两种基本的V/F曲线见图1-4示。由用户根据现场情况设置功能参数，选择合适的V/F曲线，以补偿定子电压，并能根据负载类型选择效率更优的曲线。内部设有加速过流限速功能，以确保电机启动的冲击电流，保证电机的安全运行，减轻了启动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。启动过程自动搜索电机转速，停机前不必保证电机停转，能够实现对电网和电动机无过流冲击的快速启动。图1-4三种基本的V/F曲线6、主要技术参数电压等

11、级10kV过载能力100%额定电流连续；130%额定电流1min；180%额定电流0sec；输出电压SPWM叠加波形，标准正弦，0VUn(标称额定输出电压值)连续可调频率分辨率0.01Hz电流谐波THD小于2%（满载时）输入允许频率波动频率：-5 +5%波动电压波动电压：-15 +15%以内正常运行；-15% -35%降额连续运行功率因数0.96（20%负荷以上）控制启动频率0.110Hz（可设定）精度频率稳定精度0.1%；电压精度2%输入/输出接口16数字量输入/16数字量输出2模拟量输入/2模拟量输出（420mA或05V/10V信号）效率额定输出时97%，额定输出20%88%时95%，转矩

12、提升10%额定电压（可设定）加减速时间03000sec可设定瞬时掉电再启动再启动方式可选，等待时间0.130秒（可设定）。自整定内置PLC采用自适应模糊控制，智能调节，系统响应速度快，精度高，稳定性好，PID参数自动调节，大大简化了现场调试工作量最小分辨率传感器量程1%稳态精度由设定精度误差及传感器精度决定显示LCD显示输出频率、电压、电流、功率、功率因数；输入电压、电流、功率、功率因数；故障/报警及其记录；参数设定；波形显示、谐波分析等保护功能过流、短路、接地、过压、欠压、过载、过热、电动机过载、缺相、IGBT击穿或短路、单元故障等故障切换系统旁路切换功能，单元旁路功能噪声电磁噪声小于70d

13、B，总噪声小于90dB四、系统调试中的问题及解决办法1、在高压变频器通电之前，对进线变压器进行耐压实验，可分三次以上不同的时间进行，完成之后，才能对高压变频器通电进行调试。调试时的速度由变频器直接输出，从10%到100%的额定速度，分段进行速度给定，这期间注意高压变频器及电机等设备运行情况。当运行正常后，即可开始连接风机带负荷运行，速度也是由10%到100%的额定速度给定分阶段进行升、降速。在此阶段必须调节好高压变频器的升、降速时间，不能过快，否则变频器会报故障而停机，甚至会烧坏IGBT模块。针对除尘风机情况，一般升速时间在120秒左右，降速时间在100秒左右，这样即保证了生产工艺要求的快速升

14、降速度，又保护了变频器不会损坏。2、变频器的速度输出是由外部给定的模拟信号来控制的，因此，在调试中必须确保模拟信号的稳定性。变频器设备会产生较大的电磁干扰信号，对于模拟信号的传输影响很大。因此，设计、施工时做好接地工作、选用屏蔽电缆之外，最好对信号电缆穿铁管加以屏蔽。信号类型选择电流信号而不要选用电压信号。五、使用操作与检修维护高压变频器旁路柜内有隔离开关K1、K2，真空接触器J1、J2、J3实现电气互锁，防止误操作将工频电源反送到变频器输出侧而导致变频器损坏。变频运行：隔离开关K1、K2，真空接触器J1、J2处于合闸状态，真空接触器J3处于断开状态。由合闸断路器DL为变频器供电，再通过变频器

15、本地或远程启动电机变频运行；工频定速运行：隔离开关K1、K2，真空接触器J1、J2处于合闸状态处于断开状态，真空接触器J3处于闭合状态，由合闸断路器DL通过高压水阻柜直接启动电机定速运行。变频器维护、检修K1、K2、J1、J2断开，变频器与高压电源完全隔离。变频器发生故障停机的紧急处理变频器发生故障停机，原因是多方面的。第一，可能是高雅变频柜发生故障；第二，可能是电机过载或电机损坏；第三、可能是高压电源波动等故障。如果能够确定判断是由于高压变频柜发生故障造成停机，可以马上变频倒工频操作。六、风机变频调速的应用分析1、节能分析1. 1电机运行控制除尘风机主要将高炉出铁场产生的烟气、灰尘吸入布袋除

16、尘处理、过滤，废气排向大气。除尘系统在设计时首先要满足高炉在出铁时最大负荷的需求及运行情况下电机和负载都是按照最大负荷的1.25倍来设计的，由于炼铁出铁场除尘风机基本上额定转速工频运行,而高炉的整个炼铁流程:炼铁过程占整个流程的三分之一,出铁过程占整个流程的三分之二,即只有出铁时才需要风机满负荷工作,在炼铁时风机基本上处于轻载运行。这样可以节约能源，也可减小对除尘风机及电机造成无谓的磨损。ZINVERT智能化节能设备通过对高炉出铁口进行远程控制，在出铁场加装红外线检测仪，及时检测出铁口状况，控制电机在出铁时以40Hz运行，而不出铁时控制风机保持在25Hz运行，既能保持设备运行状况良好，又能达到

17、高效节能的目的。1. 2风门调节与变频调节的区别图中曲线1为风机在恒速下压力H和流量Q的特性曲线，曲线2是管网风阻特性（阀门开度为100%）。假设风机在设计时工作在A点的效率最高，输出风量Q1为100%，此时的轴功率P1=Q1H1，与面积AH10Q1成正比。根据工艺要求，当风量需从Q1减少到Q2（例如70%）时，如采用调节阀门的方法，相当于增加了管网阻力，使管网阻力特性曲线2变到曲线3，系统由原来的工况A点变到新的工况B点运行，由图中可以看出，风压反而增加了，轴功率P2与面积BH20Q2成正比，减少不多。 如果采用变频调速控制方式，将风机转速由N1降到N2，根据风机的比例定律，可以画出在转速N

18、2下压力H和风量Q特性如曲线4所示，可见在满足同样风量Q2的情况下，风压H3将大幅度降低，功率P3（相等于面积CH30Q2）也随着显著著减少，节省的功率P2=HQ2与面积BH2H3C成正比，节能的效果是十分明显的。风机特性曲线与管网特性曲线由流体力学可知，风量Q与转速的一次方成正比，风压H与转速N的平方成正比，轴功率P与转速的立方成正比，当风量减少，风机转速下降时，其功率下降很多。1. 3 液力耦合器调速与变频调速的区别液力耦合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量并改变输出转速的，电动机通过液力耦合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力耦合

19、器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载，这样，可以通过控制工作腔内的油压来控制输出轴的力矩，达到控制负载的转速的目地。因此液力耦合器也可以实现负载转速无级调节，在变频器未应用以前，液力耦合器不失为一种较为理想的交流电机调速方式。 液力耦合器从电动机输出轴取得机械能，通过液力变速后送入负载，其效率不可能为1；变频器从电网取的电能，通过逆变后送入电动机其效率也不可能是1；在全转速范围内，变频器的效率变化不大，变频器在输出低转速下降时效率仍然较高，例如：100%转速时效率97%，75%转速时效率大于95%，20%转速时效率大于90%；液力耦合器的效率基本上与转速成正比，随着输出转速的降低，效率基

20、本上成正比下降。例如：100%转速时效率95%，75%转速时效率约72%，20%转速时效率约19%。液力耦合器用于风机等负载，由于其轴功率与转速的三次方成正比，当转速下降时，虽然液力耦合器效率与转速成正比下降，但电动机综合轴功率还是随着转速的下降成二次方比例下降，因此在变频器取代液力耦合器调速时，计算节能时，电机轴功率与转速的一次方成正比。1. 4 变频调速运行效果在交流调速中，交流电机的调速公式N=60f1(1-s)/p,而电机功率P=P(N/N) 当电机频率下降时，电机的转速成比例减小，流量按（2）式比例减小，功率按（1）式大大降低，从而达到节能的目的。其减少的功耗 P=P01-(N1/N

21、0)（1）式 减少的流量 Q=Q01-(N1/N0) （2）式其中N1为改变后的转速，N0为电机原来的转速，P0为原电机转速下的电机消耗功率，Q0为原电机转速下所产生的流量。 由上式可以看出流量的减少与转速降低的一次方成正比，功耗的减小与转速降低的三次方成正比,因此改变频率，节能效果显著。2、经济效益分析安装使用ZINVERT系列智能高压变频调速节能设备的节能统计风门开度转速r/min频率风量（万m3/h）电流（A）月耗电（万度）风机振动值前轴后轴改造前80%9205074112115.710.8/1.10.7/0.5改造后100%74740/259099/6584.350.4/0.30.4/0.2由上表统计分析可见，采用变频调节后，电机工作频率下调，转速下降，风门开度实现全开，而且增加了除尘风量，确保除尘效果。同时也减小了主设备及相应辅助设备如轴承等磨损、振动值、温度等相应地延长了许多部件的寿命，同时极大的减轻了对管道的冲击，有效延长了设备的检修周期，减小了检修维护开支，节约了大量的维护费用。根据安装ZINVERT系列智能节能