高压变频器在西北腾达铁合金的应用
The applications of High-voltage inverter in the northwest tengda ferroalloy

西北腾达铁合金有限公司     杨爱忠
                                        山东新风光电子科技发展有限公司  周加胜

摘要：本文介绍了高压大功率变频器在西北腾达铁合金新上冶炼电炉工程项目中的应用，说明了变频器在软启动、故障软切换、运行可靠性、节能等方面的应用优势，展示了变频器的应用前景。
Abstract: this paper introduces the application of high pressure high-power inverter in the northwest tengda ferroalloy furnace project, explains the application of advantage of  inverter in soft start, fault soft handoff, reliable operation, energy-saving, showing the application prospect.ofinverter
关键词：  变频器    软切换    节能
Keywords:   Inverter  Soft handoff   Energy-saving
引言：随着国产高压大功率变频器技术的日益成熟，性能质量的不断提高，国家节能减排政策的推行，各应用企业自身从变频器上获得的较高的节能效益，国产高压大功率变频器正以其良好的启动性能，平滑的故障切换，可靠的运行性能，显著的节能效益等其他设备不可比拟的优势获得广泛的应用，每年正以30%――50%的推广速度在高速增长。许多企业已不限于对旧设备进行改造，许多新上的工程项目，也直接以变频器投入，而不再设有工频备用旁路，因此在这一方面，变频器又有了新的应用天地，直接取代工频而成为企业生产的主要电控设备，西北腾达铁合金就是其中的一个特例。
    腾达西北铁合金有限责任公司是一家股份制民营企业，其前身是西北铁合金厂。地处甘青交界的甘肃省兰州市永登县境内，占地面积4043820平方米。自备铁路专用线在海石湾与国铁兰青线相接，公路相连109、312国道，交通便捷。拥有2.8平方公里储量达6000万吨的高品位、低杂质的石英石矿山一座，可稳定供应公司100-200年的生产需求。穿厂而过的大通河为生产生活提供了丰富的水资源。公司具备优良的生产、贸易环境和条件。 公司目前拥有硅系、铬系两大铁合金产品的生产系统，共有铁合金电炉26台，总容量装机25.7万KVA。其中25000KVA电炉是从德国德马克公司引进的现代化大型矿热电炉。公司年生产能力25万吨，其中硅铁14万余吨，铬系产品8万吨，硅微粉3万吨，其它产品还有橡塑制品、电极糊、编织袋、石英砂等，可根据用户特殊需要定制。
腾达西北铁合金有限责任公司拥有自营进出口权和出口产品商检权，为我国国家商检局授权出口产品自检认可单位。产品质量稳定可靠，国内首屈一指， 国际、国内市场信誉很高,主产品“西铁牌”75#硅铁1984年获省优产品称号,1985年获部优产品称号，1989年获国家原材料产品最高质量奖-银质奖章,1994年获得甘肃省首批名牌产品称号,1997年被评为‘97甘肃.兰州交易会最受欢迎产品，同年又被甘肃省评选为“陇货精品”, 2003年企业通过了ISO9001：2000质量体系认证。 2002年,经甘肃出入境检验检疫局批准,公司成为甘肃省首批采用“过程检验模式”的企业,公司是甘肃省“出口优秀企业”、“甘肃工业六十强”，是甘肃省纳税大户之一。2006年2月，公司被列入国家第一批符合行业准入条件的企业。要求生产高、精、尖铁合金产品。
    近年来，公司积极响应国家产业政策，在省委、省政府的正确领导下，不断推进节能减排、淘汰落后、产业升级、发展循环经济，规划在五年内，淘汰全部6300KVA电炉，升级新建16台25000KVA节能环保型电炉，项目总投资13.06亿元，分四期建设完成。经过一年多的设计、论证和前期准备，产业升级项目一期工程已投入使用。
新上的冶炼电炉，其除尘风机就采用变频控制。由于该公司在2007年除尘风机节能改造中，采用了山东新风光高压变频器进行设备改造，经过3年多的试运行，其稳定性、可靠性、节能效果等得到了用户的一致赞同，因此在新项目应用中，继续与山东新风光电子科技发展有限公司合作，对4台高压除尘风机进行设备配套，直接用变频器作为电控设备投入运行。
1、设备概况
现场共有4台高压风机设备，采用兰州电机有限责任公司生产的变频调速三相异步电动机作为动力设备，其参数如下：
型号：YPTQ500-6
额定转速：992r/min
功率因数：0.842
额定电压：6000V
额定电流：95A
额定频率：50Hz
接线方法：Y
外壳防护等级：IP54
绝缘等级：F
除尘风机：
型号：YT-2*26XR26F
额定风量：2880m3/h
额度功率：800KW
额定风压：7370Pa
额定转速：960r/min
生产厂商：沈阳风机厂
2、系统方案
    该系统在招标时，特别提出，由于现场电网功率小，不能在工频运行时直接启动电机运行，因此在变频器运行出现故障时，不能直接启动工频运行，要求由变频器启动再转入工频运行。当时参与招标的十几家变频器生产厂家都没有拿出合理的方法进行控制，所做的方案都被用户否决了，只有山东新风光变频器厂家，采用变频软投切的方式，利用本公司的专利，用变工频无扰动切换的方法，最终获得了用户的认可，一举中标，并且在厂家生产的过程中，派专人到厂家进行监督生产，在故障切换方面进行实地验证，获得了认可。现在已投入使用，变频器故障情况下转入工频，十分平稳可靠，对电网没有造成任何冲击，实现了变工频的无扰切换。
具体方案为：
    采用两台变频器互为切换的方式，比如1、2#变频器，正常情况下，两台电机变频运行，当1#变频器出现故障停机退出运行时，由系统将该故障信号传入2#变频器，该变频器得到该信号，将自动将频率升到50Hz，然后有转换板检测变频器输出与工频的相位和频率，达到一直时，将2#电机变频器甩开，转到工频回路上，即直接由电网带动电机运行，而2#变频器这时频率降低，待降至0Hz以后，再去启动1#电机，由2#变频器带动1#电机变频运行，这样系统为1#变频器因故障退出运行，2#变频器带1#电机变频运行，而2#电机工频运行，从而实现了变频与工频的无扰切换运行。当2#变频器出现故障退出运行时，同样1#变频器将运行频率升到50Hz，将1#电机甩到工频上，1#变频器再去带2#电机，实现变频运行。
3、4#电机运行情况作同样处理。
系统控制原理图如下：
    母联1和母联2分别是从电网来的两段母线，其中母联1与2#电机的工频旁路相连，用于2#电机的工频旁路，母联2与1#电机的工频旁路相连，用于1#电机的工频旁路。1#电机和2#电机分别并接到1#和2#变频器的对应输出上，以便切换时都能投得上。
    在人机界面上有KM4、KM5的选择按钮，选择是运行1#电机还是2#电机。K11、K12、K21、K22、K31、K32分别是1#、2#变频器的高压隔离开关，一般是合上的，正常情况下1#变频器带1#电机，即真空交流接触器KM41吸合，2#变频器带2#电机，真空交流接触器KM42吸合。当1#变频器故障时，KM41、KM11断开，变频器停止运行，2#变频器将运行频率升到50Hz，进行与工频电源的相位与频率的比较，在二者一致的条件下，将KM52断开，与变频器脱开，同时将KM32吸合，将2#电机投入工频运行。2#变频器开始降频，待降至0Hz后，可在人机界面上选择，将KM42吸合，2#变频器就可以带1#电机运行了。同理，当2#变频器故障时，2#变频器的真空交流接触器KM52、KM12断开，变频器保护停机。1#变频器将频率升到50Hz进行与工频电源的相位与频率的比较，在二者一致的条件下，将KM41断开，使1#变频器与电机脱开，同时将KM31吸合，将1#电机投入工频运行，变频器降频，待降至0Hz后，在人机界面上选择，将KM51吸合，1#变频器就可以带2#电机运行了。
3#和4#变频器与电机作同样的切换方式。这里注意一点，变频器故障时只是停本身的电源，不跳高压室的高压，否则无法实现工频切换。

图1、系统原理图

3、高压变频器系统介绍
    JD-BP37/38系列高压变频调速系统，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标，满足用户对于风机、水泵类机械调速节能、改善生产工艺的迫切需要。本调速系统适配各种通用三相异步电机，并即将开发适合国内情况的高压同步电机调速系统。JD-BP37/38系列高压变频调速系统采用新型IGBT功率器件，全数字化微机控制，具有以下特点：
1、安装、设定、调试简便；
2、采用了空间电压矢量控制技术、载波移相控制技术等，使输出波形更接近正弦波。
3、采用“飞车启动”和中性点飘移技术，使启动更加平稳，适应性更强，故障情况下可保证最大的功率输出。
4、外接与变压器提供的控制电源可以切换，保证运行的稳定可靠性。
5、功率电路模块化设计，维护简单，互换性好
6、内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要
7、输入功率因数高，电流谐波少，无须功率因数补偿、谐波抑制装置
8、只有控制电源无高压电可任意检测各点输出信号，控制器具有特色和创新
9、可接收和输出多路0～5V/4～20mA工业标准信号；以便于用户DCS系统接口
10、输出阶梯正弦PWM波形，无须输出滤波装置，对电缆、电机绝缘无损害，电机谐波少，减少轴承、叶片的机械振动
4、运行效果
    该系统自投运以来，变频器运行都很稳定，产生了明显的经济及社会效益，主要体现在：
4.1运行安全稳定，由于采用了“星点飘移”及“飞车启动”技术，在变频器轻故障下，在3个单元故障内，变频器自动调整三相输出的星点，使系统运行稳定，不会出现频繁停机的故障，耽误生产。
4.2由于采用了软切换技术，在现场调试、试验时，变频器带载模拟故障，在变频转至工频时，都很平稳，无大的冲击电流，切换电流都在1.3倍额定电流内，对电网及负载都很有利，不会造成损害。
4.3可根据生产工艺要求平滑调节电机转速，进而调节风机的风量，避免了在以前调节风门带来的风量不稳定造成的对风道及风门的冲击，稳定了生产工艺。同时也减轻了值班人员的劳动强度，避免了操作阀门带来的繁琐，提供了生产效率。
4.4减少了设备的维护费用。在工频运行下，电机及风机直接启动，启动电流可达到电机额定电流的7—8倍，就是关掉风门，轻载启动，仍可达到5—6倍，而用变频是低频低压的软启动，启动电流一般只有额定电流的1倍左右，而且对风机泵类负载，功率与转速的立方成正比，频率越低，转速越低，功率越小，所以变频启动是真正的软启动，对电机、风机及电网的冲击大大减少，减少了设备的维护，延长了设备的使用寿命，大大降低了维护成本。
4.5变频器具有过压、欠压、过流、短路、温升过高等多项保护功能，有利于保护电机及电网，使设备运行更加可靠，稳定。
4.6节能效果显著。虽然现在系统采用了变频直接配套使用，根据2007年设备对原来的工频系统的改造，工频与相应的变频比较，节能效果都可以达到40%左右，变频器节省的电能一年即可收回投资，节能效果十分显著。
5、结束语
    总之，变频器应用在高压除尘风机上，其效果是十分明显的，不但改善了生产工艺，减轻了操作人员的劳动强度，节约了维护、维修费用，而且节省了电能，在能源日趋紧张的今天，应用将越来越广泛。相信在不远的未来，变频器必将发挥其强大的节能及改善工艺优势，取代原来的高耗能的工频设备，成为生产企业的主流设备，发挥更大的作用。
参考文献：1、山东新风光电子高压变频器使用说明书
          2、管襄华《变频器世界》2010.6《高压变频器在济钢烧结厂除尘风机中的应用》