一、工程概况

内蒙古呼伦贝尔北方药业有限公司是于2009年在呼伦贝尔牙克石市投资兴建的大型生物制药企业，是呼伦贝尔市重点工业项目之一，生物医药产业园区的重要组成部分。建有青霉类、头孢类、维生素类、氨基酸类和其他生物制药产品类原料药生产基地。

    北方药业有限公司现有10kV高压大功率发酵罐搅拌机电机（630kW）18台，待放发酵罐6台电机（280kW），目前主要运行6～7台630 kW发酵罐搅拌机。下表是现场设备调查数据表。

二、搅拌机运行工艺和节能控制概述

搅拌机可以是一种独立的流体力学范畴的单元操作机械，如进行液-液混合、固-液悬浮、气-液或液-液分散等，又往往是完成其他单元操作如传热、吸收、萃取、溶解、结晶等以及化学反应过程的必要手段。搅拌过程可使被搅拌液体各部分接近于均质状态，增大分散相的有效接触面积，降低分散相周围的液膜阻力以及增大相对速度提高传热速度等。因此，在化工、医药、食品、造纸、农业，环保等众多行业中广泛应用着各种搅拌设备。

搅拌操作多种多样，搅拌介质差别也很大，不同性质的介质决定了搅拌机不同的负载特性。例如具有沉淀介质或粘性大的介质具有双曲线转矩特性，即转矩与转速成反比例关系，这种介质采用变频调速不节能！对于无沉淀无粘性的介质则属于二次方转矩特性，即转矩与转速的二次方成正比，类似风机水泵类负载的转矩特性，采用变频调速可以收到良好的节能效果。各种制药工艺过程对搅拌器的要求也不尽相同，这些都要求不同型式、不同转速的搅拌器与之相适应。各种搅拌器在配合各种可控制流动状态的附件后，能使流体状态以及供给能量的情况出现多种变化，更加有利于强化不同的搅拌过程。

搅拌机在设计时均是按使用工况的要求考虑一定余量的，而搅拌机在实际使用过程中，则不一定要在最大转速及转矩下工作，有很多时间都可以工作在非满载状态。传统的搅拌机通常不进行调节或采用机械调速方式，机械调速方式会增大搅拌机的损耗，同时会使搅拌机工作在波动状态，也使搅拌机工作在“大马拉小车”的状态，很不经济。

高压变频调速系统可以随搅拌工艺的要求实现动态调节，一劳永逸地解决好传统搅拌机在使用过程中存在的很多问题，大幅度减少能耗，提高系统的稳定性和运行效率，为系统的经济优化运行提供了可靠保证，并且保证了设备的安全运行。同时，对于设备负载的变化，本节电系统可以自动跟踪并匹配相应的功率输出，实现所供即所需，在满足生产工艺要求的同时达到节电目的。

三、搅拌机变频调速节能分析

北方药业有限公司现有10kV高压大功率发酵罐电机（630kW）18台，待放发酵罐6台电机（280kW），目前主要运行6～7台630 kW发酵罐电机。根据生产青霉素发酵环节生产工艺特性分析，采用高压变频装置拖动发酵罐高压电机将产生可观的节能效益，同时更加有利于提高发酵效率。

1.直接经济效益

针对630kW/10kV的发酵罐搅拌机（配套SWdrive-MV10/800）我们初步进行理论计算如下：根据实际运行工况，电动机运行电流为30A左右，则电动机的实际消耗电功率为：

P工频＝I运行/I额定 ×P额定 =30A/42.3A×630kW≈447kW

而根据实际发酵罐搅拌机运行工艺特点。当改用高压变频器调节时，运行在42hz就能满足工艺要求，调速系数为0.835，发酵罐的实际需要的功率为（同时考虑变频器损耗存在）：

P1 =630×/0.96≈380.7kW

节省电功率为：P节=P工频－P变=447kW－380.7kW=66.3kW

节电率为：    66.3kW÷447kW≈14.8%

单台设备年节电量为：66.3kWh×24h×300d≈477360度

单台设备年节电收益（电价按0.54元/度）：年节电收益=477360度×0.54元/度≈25.8万元

2．间接经济效益

1）软启动，减少冲击损耗，有效的延长了电机的使用寿命，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。

2）变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近l，工作电流比电机额定电流值要低许多,这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用,为电网节约容量。

四、变频改造技术方案

北方药业公司发酵罐搅拌机电动机高压变频改造,其发酵罐高压电机采用一拖一手动方式工变切换,包括变频器柜本体及附属设备的功能设计、结构、性能、制造、安装和试验等方面的技术要求。

1. 设备参数

发酵罐搅拌机电动机（18台）：

额定电压  10kV       额定功率：630kW     

额定频率：50Hz        额定电流：42.3A

功率因数：0.87        额定转速：1493r/m

2.控制要求

 a) 满足可驱动普通交流高压电机，调节精度不低于0.5％。在低频运行时能保证100％额定输出转矩。

b) 具有良好的调节特性和瞬态快速调整特性。在负荷从100%调节到40%的响时间小于1min。

c)运行电压在10kV，可以实现电压波动在-20%—+10%左右时，做到电压在安全范围内波动时变频器满载输出。

满足下列搅拌机电动机变频项目目标要求

l 实现搅拌机电动机的变频调速安全运行；

l 实现搅拌机电动机生产中方便的转速调节操作；

l 提高系统的自动化水平。

l 满足搅拌机电动机控制要求。变频装置系统输入为10kV、50Hz，用于电机进行调速；变频装置系统输出电压为10kV、输出频率：0Hz～50Hz。

3.变频器技术要求

3.1 变频器的基本性能要求

3.1.1 每一台变频器的设计与构造,与它所控制电机的运行条件和维修要求一致。无需改变电机和供电电压。

3.1.2 具有合理的运行操作方式及就地启停、调试和正常运行及事故情况下所必需的测量、控制调节及保护等措施,以确保电机的安全经济运行。

3.1.3 北京国电四维提供的产品是新一代高压变频装置（包括所有必需的设备及其内部设备之间的接线）为高-高结构。单元串联多电平形式，直接10kV输入，通过移相隔离变压器降压给24个整流逆变单元供电，每相8个单元串联可输出5800V的相电压，因此可以直接输出10kV的线电压，达到直接高－高变频的目的。 变频器与电机之间无需任何升压变压器。

3.1.4 北京国电四维高压变频装置在散热、防尘方面做了很好的设计，采用强制风冷设计科学合理，设计有专门的导风板，使通风设施更完善，效率提高20%以上；同时选用德国EBM冷却风机，平均无故障时间已远远大于变频装置本身，并具有风机控制和故障报警功能；在远程控制方式下，报警信号能远传到控制室；当1台风机发生故障时，仍然能够满足额定运行要求。每一套冷却装置拆装方便，更换安全便捷且不影响变频装置的安全可靠运行。

3.2 变频器系统保护功能

输入回路带浪涌吸收保护。

变压器允许过负荷能力符合IEC干式变压器过负荷导则及相应国标要求。

每个功率单元输入侧带快速保护，要求在10us之内快速通断IGBT，保护功率单元同时不需要熔断器。

变频装置有过电压，过电流，欠电压，缺相，变频器过载，变频器过热，电机过载等保护功能：

(1) 过载保护。电机额定电流的120%，每10分钟允许1分钟，超过则保护。

(2) 过流保护。变频器输出电流超过电机额定电流的150％，3S保护；额定电流200%，在10微秒内保护。

(3) 过压保护。检测每个功率模块的直流母线电压，如果超过额定电压的115%，则变频器保护。此保护实际上包括了对电网电压正向波动的保护。

(4) 欠压保护。检测每个功率模块的直流母线电压，如果低于欠压保护定值，则变频器保护。此保护实际上包括了对电网电压负向波动的保护。

(5) 过热保护。包括两重保护：在变频调速系统柜体内设置温度检测，当环境温度超过预先设置的值时，发报警信号；另外，在主要的发热元件，即整流变压器和电力电子功率器件上放置温度检测，一旦超过极限温度（变压器130℃、功率器件80℃），则保护。

(6) 缺相保护。缺相保护设置在每个功率模块上。当变频器输入侧掉相系统发出报警信号,并保护；功率模块的保险熔芯熔断缺相时，系统会发出报警信号。

(7) 光纤故障保护。当控制器与功率模块之间的连接光纤出现故障时，会发出报警信号并保护。

以上故障均在中文用户界面上指定故障确切位置，便于用户采取应对措施。变频装置的隔离变压器具有温度过热保护。变频器上口的开关柜必须按照8-10倍额定电流设置速断保护值，确保躲过激磁涌流。

  五、应用高压变频调速系统产生的其他效果

5.1  提高了网侧功率因数

原电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.8～0.9，实际运行功率因数远低于额定值。采用高压变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.96以上，大大的减少无功功率的吸收，进一步节约上游设备的运行费用。

5.2  降低设备运行与维护费用

采用变频调节后，通过调节电机转速实现节能；转速降低，主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻，维护周期、设备运行寿命延长；变频改造后风门开度可达100％，运行中不承受压力，可显著减少风门的维护量。在使用变频器过程中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。从实际改造情况看，采用变频调速后，运行与维护费用大大降低。

5.3  减少了对电网的冲击

采用高压变频改造后，电机实现软启软停，启动电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小，温升正常，无任何附加的异常振动和噪音。

5. 4  增强了电动机的保护功能

与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机。

5. 5  实现了高度自动化

由于调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。

5. 6  提高了系统运行的可靠性

北京国电四维高压变频调速系统适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-35%～+15%之间波动时，系统均可正常运行，避免了因为电压波动而跳停设备的现象，提高了搅拌机系统运行的可靠性。