关键词：高压变频器 烧结配料 除尘风机 节能
1 改造前状况
首钢水城钢铁集团有一台配料除尘风机，拖动电机功率为10kV/500kW，原风机采用进、出口风门挡板来进行风门的调节以控制流量，在调节风门时，很多电能白白浪费，并对机械设备的性能有很大损害。风机运行时噪音较大，不利于环境保护。变频调速技术是现代电气传动的主要发展方向之一，它不仅调速性能优越，而且节能效果良好。目前，我国大型配套风机主要采用进、出口风门挡板、进口轴向导流器、进口静叶调节器等方法进行风门的调节以控制流量，其缺点是节流损失大，增加风机的功率消耗，系统震动大、噪声大、对环境造成恶劣的影响，同时调节阀门有时处于很高压力下工作，容易磨损和损坏。由于定速风机启动转矩配置的电动机容量比风机的额定容量大很多，在低负荷区，电动机工作效率很低，能源浪费严重。所以对除尘风机进行变频调速和增加保护功能，通过对高压变频调速技术的研究，拟定使用该调速系统来进行调速控制，取代传统的挡风板、节流阀来控制风量和流量，以求达到理想的实用效果。
2变频调速的节能原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一种频率的电能控制装置。变频器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是国际公认的交流电机最理想、最有前途的调速方案。
异步电动机的变频调速在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高，是异步电动机最为合理的调速方法。
由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均匀地改变供电频率f，即可平滑地改变电动机的同步转速。异步电动机变频调速具有调速范围宽、平滑性较高、机械特性较硬的优点，目前，变频调速已成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都获得了广泛的应用。
高压变频调速具有如下显著的优点：
（1）由负载档板或阀门调节导致的大量节流损失，在变频改造后不再有节流损失。
（2）网侧功率因数明显提高。
（3）可实现零转速启动，避免启动冲击电流，减轻了冲击扭振。
（4）高压变频器本身损耗极小，整机效率在97％以上。
对离心式风机而言，流体力学有以下原理：输出风量Q与转速n成正比；输出压力H与转速n的平方成正比；输出轴功率P与转速n的立方成正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3
当风机风量需要改变时，如调节风门的开度，则会使大量电能白白消耗在阀门及管路系统阻力上。如采用变频调速调节风量，可使轴功率随流量的减小大幅度下降。变频调速时，当风机低于额定转速时，理论节电为：
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW·h)
式中：n是额定转速，n′是实际转速，P是额定转速时电机功率，T是工作时间。
可见，通过变频对风机进行改造，不但节能，而且大大提高了设备运行性能。以上公式为变频节能提供了充分的理论依据。
3现场设备情况
首钢水城钢铁集团烧结配料除尘风机电机现场如图1所示。参数如表1、表2所示。
图1 配料除尘风机现场照片
表1 烧结配料除尘风机电机参数
为了节能降耗，提高风机的调节性能，在2021年节能改造中，首钢水城钢铁集团领导决定采用新风光电子科技股份有限公司生产的JD-BP38-710F变频调速器在该配料除尘风机上实施改造，改造达到了预期目的。
4 风光JD-BP38系列高压变频系统技术特点
风光牌JD-BP38系列高压变频器荣获“中国名牌”称号，新风光公司是国家高新技术企业，生产的风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度传感器矢量控制技术、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、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。
4.1 JD-BP38-710F高压变频器技术指标
JD-BP38-710F高压变频器技术指标如表3所示。
表3 JD-BP38-710F 高压变频器主要技术指标
4.2 JD-BP38-710F高压变频器技术特点
具体来说，风光高压变频器除具有一般普通高压变频器的性能外，还具有以下突出特点：
(1)高性能矢量控制，启动转矩大，转矩动态响应快，调速精度高，带负载能力强，提高设备运行的平稳性；
(2)振荡抑制技术，采用优越的电流算法，有效地抑制轻载电机电流的振荡，保证系统稳定可靠的工作；
(3)快速飞车启动技术，特别适用于（如水泥厂高温风机）变频保护后的重新启动，可实现变频器在0.1s之内从保护状态复位重新带载运行；
(4)电网瞬时掉电重启技术，电网瞬间掉电可自动重启，可提供最长60s的等待时间；
(5)线电压自动均衡技术。变频器某相有单元故障后，可保证最大的线电压均衡输出；
(6)工、变频无扰切换技术，该技术可满足多电机综合控制及大容量电机软启动的需要；可以实现大容量电机双向无扰动投切，能有效保证生产的正常进行；
(7)输出电压自动稳压技术，变频器实时检测各单元母线电压，根据母线电压调整输出电压，从而实现自动稳压功能；
(8)故障单元热复位技术，若单元在运行中故障，且变频器对其旁路继续运行，此时可在运行中对故障单元进行复位，不必等变频器停机；
(9)多种控制方式，可选择本机控制、远控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通讯协议，频率设定可以现场给定、通讯给定等，支持频率预设、加减速功能；
(10)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，并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握；
(11)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；
(12)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；
(13)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；
(14)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改造系统方案介绍
烧结配料除尘风机目前的控制方式主要根据生产工艺需求风量的大小，通过高压变频器实时调整风机电机频率来实现调节风机风量。采用变频器后保持进挡板全开，系统可随时随意改变送风量以适应变化，保持风机的高效运行。
通过目前已有的DCS系统调节变频器频率来调节风机风量。利用DCS对变频器进行启动、停机、调速等控制，并可在DCS上显示变频器的运行数据和当前状态，实时监控系统运行。操作方面，有远程控制和本地控制两种控制的方式，这两种控制方式可提高系统的安全性能。变频器内置PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号(如RS485)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。利用高压变频器根据实际需要对配料除尘风机进行变负荷运行，既保证和改善了工艺，又达到节能降耗的目的和效果。
此外，为了保证系统的可靠性烧结除尘风机现有的控制设备和运行方式仍将保留，控制回路上设计工频/变频运行切换选择，工/变频选择由人工切换操作，实现配料除尘风机在工频或变频运行。
6 高压变频器技术要求及改造方案
6.1高压变频器主回路控制方案
根据现场要求，配料除尘风机采用“一拖一”运行方式，配置手动旁路柜，其一次电路如图2所示。
图2 手动旁路柜
系统10kV高压开关柜至风光高压变频器，风光高压变频器与电机相连，通过调节电机的转速来调节风量，电机与风机间不用做任何改动，且变频调节时风门档板可全开。
图2旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当K1、K3闭合，K2断开时，电机变频运行；当K1、K3断开，K2闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。
旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁， DL合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。
故障分闸：将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下，当变频器出现故障时，分断变频器高压输入；旁路投入状态下，变频器故障分闸无效。
6.2高压变频器控制逻辑
图3变频器控制逻辑示意图
变频器控制逻辑示意图如图3所示，利用DCS控制系统的预留点，设计高压变频控制、运行监视系统，系统包括工、变频的运行、停止命令按钮；转速调节按钮；变频器复位按钮、紧急停止按钮；变频器运行电流、电机转速显示；高压柜以及变频合闸显示；变频器故障报警显示。
DCS系统输出 4~20mA电流信号控制JD-BP38高压变频调速系统的运行频率， 来控制电机的运行转速。JD-BP38高压变频调速系统反馈4~20mA电流信号指示JD-BP38高压变频调速系统的输出频率、输出电流。JD-BP38高压变频调速系统同时接收DCS控制系统的启动、停止、急停、复位控制信号，调整运行状态。
当JD-BP38高压变频调速系统故障时，系统输出故障停机和报警信息，用于提示用户启动故障处理措施，同时JD-BP38高压变频调速系统将信号发送给DCS，在DCS系统上显示故障，以便于及时的排除故障。如果系统出现紧急情况，DCS监视人员立即点击变频器紧急停止按钮，此时变频器立即封锁输出，并及时跳开高压断路器开关。
为保证JD-BP38高压变频调速系统操作的安全性，需从改造电机的进线开关柜把断路器的状态信号接入JD-BP38高压变频调速系统。JD-BP38高压变频调速系统输出的故障跳闸信号接入断路器的分闸回路，连跳高压信号接入安全回路，当出现严重故障时及时跳开断路器，保护JD-BP38高压变频调速系统及电机。
当所有开机条件都具备后，DCS发出变频运行命令，变频器内置PLC发出“合闸”信号至10kV高压柜，高压断路器开关合闸，变频器进行软充电，5S后充电完成，变频器处于就绪状态，由DCS给出4~20mA信号控制变频器频率来改变电机转速。
7 变频改造后运行情况
7.1节能效果
2021年8月下旬，新风光公司高压变频器正式投入生产，系统达到了预期的效果。配料除尘风机监控系统如图4所示，高压变频器设备现场运行照片如图5所示。
图4 配料除尘风机监控系统界面
图5 高压变频器现场运行照片
经过钢厂能源利用监测中心测试，实施变频改造后，风机电机运行电流下降明显，设备实现了软起动，设备运行噪声大大降低，极大地减轻了设备起动时对供配电系统的冲击。配料除尘风机高压变频器投入运行后，正常生产情况下，变频运行状态40Hz左右即可满足生产需求，
变频状态运行数据，如表4所示。
7.2 其他收益
除此之外，在烧结配料除尘风机系统中应用变频调速装置后，延长了电机和设备的使用寿命。烧结的配料除尘风机均为大容量的离心式风机，启动时间长，启动电流大，对电机和风机机械冲击大，严重影响其使用寿命。而采用变频调速装置后，可以实现软启动和软停止，减少了检修维护开支，节约了大量维护费用。
8结束语
目前，国内冶金行业普遍存在的问题是电耗、煤耗、水耗均同国际先进水平还有一定差距，随着竞争的加剧，企业内部通过技术改造节能降耗是节能降耗工作的重点，作为钢铁生产主要耗能大户之一的烧结配料除尘风机的节能是各钢铁厂重点考虑的问题。而高压变频器正好能够满足企业技改的迫切需求，是节能项目中大力推广的产品。随着高压变频器的性价比越来越高，为烧结配料除尘风机变频调速节能改造提供了更广阔的前景。
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