The Application of High Voltage Inverter in Hamza Sugar Mill of Pakistan

                            新风光电子科技股份有限公司   梁开来 石凯 周加胜

Liang Kailai  Shi Kai  Zhou Jiasheng

摘  要：本文介绍了新风光高压变频器在巴基斯坦哈姆扎糖厂压榨机上的应用，结合糖厂制糖的工艺流程及原工频控制的弊端，阐述了高压变频器在软启动、节能降耗、改善工作环境、提高工作效率等方面的突出特色，说明了高压大功率变频器在该行业推广的意义。

关键词：制糖；汽轮机；压榨机；高压变频器；节能

Abstract: this paper introduces the application of the new scenery high-voltage inverter in the press of Hamza Sugar Factory in Pakistan, combining with the process flow of sugar production in the sugar factory and the disadvantages of the original frequency control, this paper expounds the outstanding features of high voltage inverter in soft start, energy saving and consumption reducing, improving working environment and improving working efficiency, etc..

Key words: Sugar; Steam turbine; Press; High-voltage inverter; Energy saving

1  项目简介

    巴基斯坦哈姆扎糖厂有限公司，前身是成立于1969年的Hi-sons糖厂，后来在1970年工厂的名称变更为哈姆扎糖有限公司，目前公司坐落于巴基斯坦.旁遮普省.拉希姆亚尔汗县。公司目前产值规模达到了每天38000吨的压榨能力，是亚洲最大的糖厂，且公司主要的产品是糖和酒精原材料。图1为哈姆扎糖厂外景。

图1  哈姆扎糖厂外景

2  甘蔗制糖工艺流程简介

    甘蔗制糖大致分为四步:一是甘蔗预处理；二是压榨；三是澄清蒸发；四是煮糖。

甘蔗经过皮带输送机首先经过理平机进行平整处理，然后经过撕蔗机进行切碎，随即输送到压榨机，甘蔗经过六次挤压，挤压出的液体经过水泵直接输送到果汁箱，剩余的残渣经输送带送至锅炉烘干，再进行废物利用处理。果汁箱中的液体再经过澄清蒸发和煮糖流程，最终生产出白砂糖。

甘蔗糖厂压榨机是压榨法提取甘蔗汁的重要设备。压榨提汁主要设备包括撕解机、压榨机及其驱动装置和相应的输送设备。撕解机由蔗刀及驱动装置组成。压榨机由三个辊子及机架构成。三个辊的压榨机辊被装嵌成三角形，视其所处位置分别称为顶辊、前辊和后辊。顶辊与前、后辊间有一定的间隙，榨辊有环槽。 三个辊的轴端带有传动齿轮或链条相连，由电动机、汽轮机或蒸汽机经减速装置驱动顶辊,从而使三个榨辊以相同的速度转动，压榨生产流程如图2所示。

图2  压榨生产工艺流程图

甘蔗压榨提汁原理主要是将甘蔗撕解成细丝状蔗料，送入压榨机，使充满蔗汁的甘蔗细胞壁受到压榨机压力而破裂，同时排出蔗汁；借助于渗浸系统将从压榨机排出，开始膨胀的蔗渣进行加热水或稀汁渗浸，以稀释细胞内的糖分，再送到下一座压榨机压榨，经过多级压榨，抽出更多的蔗汁。

3  设备改造原因

众所周知，压榨机抽出率是影响糖分吸收的主要因素之一。若压榨机抽出率提高1%，则总收回率提高0.88%~0.92%。影响抽出率的因素主要有以下几方面原因：
    （1）蔗糖中的纤维分受压后离开榨机出口时又膨胀，此时被压榨的纤维随着自身的膨胀在出口处会吸去已榨出的一部分蔗汁，同时受到榨机效能的影响，甘蔗中的糖份不可能全部榨出，这就形成了蔗渣中的糖份损失。

（2）蔗料的破碎度及形态是保证首座榨机抽出的前提。甘蔗破碎度好，蔗汁易于压出，渗出效果提高。

（3）降低蔗渣水分是提高抽出的保证。

（4）保证从撕解机输送过来的蔗层厚度均匀对提高抽出率非常重要。如果蔗层过厚，压榨不彻底，使蔗渣造成浪费；如果蔗层过薄，压不干蔗层，蔗渣水分过高，影响抽出率。

（5）在榨季后期，由于榨辊的磨损越来越严重，导致榨辊的间隙扩大，使抽出率下降。

原现场压榨机使用背压式汽轮机启动压榨机，一套压榨机是由汽轮机、减速机和齿轮组成，首先蒸汽推动汽轮机带动减速机运行，减速机的轴承与齿轮连接进而带动压榨机工作。现场汽轮机图片如图3所示。

图3  原汽轮机工作画面

由于现场其它设备需要使用大量的蒸汽，而且小型背压式汽轮机具有:效率低：由于背压式小型汽轮机没有凝汽器等设备，因此排放温度较高，效率较低。（2）污染物排放量大：适用于碎煤等有污染物的燃料，排放出的污染物较多。再则压榨机转速不可调，从撕解机输送过来的蔗层有大约10%的时间厚度会达不到要求，这样会使蔗汁的平均抽出率低于95.4%。抽出率越低说明蔗汁流失越大，从而导致产量变低。如果能对压榨机进行转速调节，当蔗层厚度不够时通过降低压榨机电动机转速使蔗层达到正常厚度后再进行压榨，这样压榨会比较充分，平均抽出率将可提高0.2%以上，同时由于转速降低，电流下降从而达到节能省电的目的。因此用户提出压榨机设备技能改造。

4  改造方案

    依据现场要求采取高压变频器+电动机代替原来汽轮机拖动压榨机工作，用电动机代替原汽轮机，采用高压变频器作为电动机的启动装置，一是可以让电机平滑启动，可以降低直接启动对电网的冲击以及启动瞬间大电流造成电动机绕组过热，从而加速绝缘老化，对电动机使用寿命影响较大；二是操作简便易维护；三是调速方便，满足榨机工艺要求。

4.1  现场的设备情况

根据生产工艺要求，每条生产线有5台压榨机，第一台压榨机采用高压变频器一拖一高压电动机方式，高压电动机采用山西电机制造改善生产的变频三相异步电机，其基本参数如表1、表2所示。

其中第一台负荷较重，电机及变频器功率比较大，其余几台负荷较轻，电机及变频器功率比较小。

采用变频电机的优点是：

平衡质量高，震动等级为R级（降振级）机械零部件加工精度高，并采用专用高精度轴承，可以高速运转。

强制通风散热系统，全部采用进口轴流风机超静音、高寿命，强劲风力。保障电机在任何转速下，得到有效散热，可实现高速或低速长期运行。

与传统电机相比较，变频电机具备更宽广的调速范围和更高的设计质量，经特殊的磁场设计，进一步抑制高次谐波磁场，以满足宽频、节能和低噪音的设计指标。具有宽范围恒转矩与功率调速特性，调速平稳，无转矩脉动。

4.2  现场改造主回路

现场改造一条压榨生产线简易图如图4所示。

图4  该糖厂压榨过程简易图

根据现场需要，每条生产线采用5套压榨机，压榨机变频驱动系统由旁路柜、变压器柜、功率单元柜和控制柜组成。其中旁路柜为工频备用启动柜。在控制柜面板上设有本地/远程按钮、急停按钮、工/变频指示灯等。具体方案见图5。

图5现场改造主回路图

变频器采用的是新风光电子科技有限公司生产制造的JD-BP38系列高压变频器，变频调速系统在现场运行时，其运行频率设定的方法采用远程操作台，进行系统状态的监控或压榨机运行速度给定，电控室的值班人员可以很方便地根据生产需求调节压榨机的速度，对提高生产效率提供了有力的条件。

在图5中，K1、K2、K3为刀开关，当变频运行时，K1与K2闭合，K3断开，当工频运行时，K1与K2断开，K3闭合。K1、K2、K3有严格的机械和电气互锁关系，不能同时闭合，防止工频与变频同时送电，造成事故。

4.3  控制系统

由于是出口产品，新风光变频器采用了全英文设计，其界面图及参数设置都是全英文解释，方便用户翻译及阅读。

控制系统由控制器、光纤、PLC板、人机界面和上位机组成。各部分之间的联系如图6示。

图6  控制系统图

控制器由三块光纤板、一块信号板、一块主控板和一块电源板组成。

光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向功率单元发出脉宽调制（PWM）信号或工作模式。功率单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。
    主控板采用高速DSP单片机，完成对电机控制的所有功能，采用正弦波载波移相方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS-232通讯口与人机界面主控板进行数据交换，提供变频器的状态参数给人机界面，并接受来自人机界面主控板设置的参数。
    人机界面为用户提供友好的全英文操作界面，负责信息处理和与外部的通讯联系，可选上位监控来实现变频器的网络化控制。通过主控板和PLC板采集的数据，计算出电流、电压、功率、运行频率等运行参数，提供记录功能，并实现对电机的过载、过流进行报警和保护。通过RS-232通讯口与主控板连接，通过RS-485通讯口与PLC板连接，实时监控变频器系统的状态。新风光变频控制系统主界面如图7所示。

图7  新风光变频控制系统主界面

图8  参数设置界面

PLC板用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。PLC板有处理4路模拟量输入和2路模拟量输出的能力，模拟量输入用于处理来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置信号；模拟输出量是频率给定信号。
    上位机由RS-485接口与PLC板进行通讯，以方便用户对变频器进行操作，并实时监测变频器的运行参数，若与打印机连接，也可随时打印工作记录。只要设置好变频器的各种运行参数，操作员就可以在监控室内进行各种操作，而无须进入高压电控室内，既方便又安全，从而减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。
4.4  控制方式
    新风光变频器有三种控制方式：
    （1）本地控制从变频器操作界面控制电机的启动和停机，并能完成变频器的所有控制；

（2）远程控制通过内置PLC板接受来自现场的开关量控制；

图9  现场控制箱
（3）上位控制通过RS-485接口，采用Modbus通讯协议，接收上位系统的控制信号。

本次改造中全部采用上位机控制，由操作人员在上位机上实现频率调节，运行参数的监测等。

图10  上位机控制画面

4.5  压榨机变频改造现场

此系统是由高压开关柜和高压变频器组成，每条配置5套高压变频器及高压开关柜，如图11和图12所示。

图11  高压变频器布置图

图12  运行画面图

4.6  新风光JD-BP38系列高压变频器技术特点

新风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标远小于IEEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt高、共模电压大等问题，可以使用普通的异步电机。新风光高压变频器被评为中国名牌产品。具体来说，新风光高压变频器除具有一般普通变频器的性能外，还具有以下突出特点：

(1)采用高速DSP作为中央处理器，运算速度更快，控制更精准。

(2)飞车启动功能。能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。

(3)旋转中再启动功能。运行过程中高压瞬时掉电3s内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。

(4)线电压自动均衡技术（星点漂移技术）。变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。

(5)单元直流电压检测：实时显示检测系统的直流电压，从而实现输出电压的优化控制，降低谐波含量，保证输出电压的精度，提升系统控制性能，并可使运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握。

(6)单元内电解电容因采取了公司专利技术，可以将其使用寿命提高1倍。

(7)散热结构设计合理，单元串联多重化并联结构，IGBT承受的电压较低，可以有较宽的过压范围(≥1.15Ue)，设备可靠性更高。

(8)具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生。

(9)限流功能：当变频器输出电流超过设定值，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护，最大限度减少停机次数。

(10)故障自复位功能：当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时，可自动复位，继续运行。

5  改造后的效果

压榨机改造后得到了用户的认可，一是操作简便、便于维护，减少了劳动力的投入；二是减少了蒸汽的排放，优化了工作环境。

改造投产以后，具备以下优点：
（1）能实现软启动，启动时间和启动的方式可以根椐现场工况进行调整。
（2）高功率因数，达0.95以上，无需另加功率因数补偿装置，避免了因无功带来的罚款。
（3）对电机不产生谐波污染，有效降低了电机的发热量。
（4）转矩脉冲很低，不会导致电机等机械设备的共振，同时也减少了传动机构的磨损。
（5）输出波形完美，失真度小于4%。
（6）减少了压榨机组因蔗层太厚，压榨机卡住，导致停线的现象。

（7）提高了抽出率：根据测算，平均抽出率可提高0.2%以上，现在保守估计抽出率提高0.1%，按年榨38万吨甘蔗，糖份13.5%，煮收率86%来计算：每个榨季多产糖38万吨*13.5%*0.1%*86%=44.12吨，按2700元/吨糖计：44.12吨*2700元/吨=11.9万元，使企业每个榨季多创收11.9万元。
（8）节电效果显著：5台榨汁机装机总容量为6400kW，根据测算，改造后吨蔗耗电量从原来的33.02度下降到31.22度，已达到此类规模配置糖厂的正常的合理能耗水平。每榨1吨甘蔗耗电减少1.8度，按年榨38万吨蔗计算：每年节电：38万吨*1.8度/吨=68.4万度。按0.5元/度计算：68.4万度*0.5元/度=34.2万元。
（9）减少了维修停工损失，节省了大量的维修费用。

6  结束语

通过这次的变频技能改造，不但节约了电能，提高系统自动化运行程度，减小设备的磨损，也可根据需求量调节转速，减少了人员的劳动强度，系统效率大为提高。新风光在变频器事业中不断追求成长与突破，积极为用户考虑，为推动巴基斯坦工业电气设备的革新改造贡献一份力量。

参考文献：

[1]赵新军. 风光变频器在制药行业的应用及电磁兼容[J]. 变频器世界,2007.10.

[2]张文斌. 高压变频器在济钢烧结机尾除尘风机上的应用[J]. 变频器世界,2013.5.

[3]新风光高压变频器用户手册[Z].

作者简介：

梁开来，男，工程师，现供职于新风光电子科技股份有限公司，从事电力电子技术工作。

石凯，男，工程师，现供职于新风光电子科技股份有限公司，从事电力电子技术工作。