微能8000kW/10kV超大容量變頻器在煉鐵高爐鼓風(fēng)機(jī)改造上的應(yīng)用

1 引言
    深圳市微能科技有限公司始終致力于變頻器的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展為己任，在過去的5年時(shí)間先后在低壓變頻器、高壓變頻器的大功率高性能的發(fā)展與應(yīng)用方面作出了突出貢獻(xiàn)，本文介紹的就是大容量高壓變頻器的原理與在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用情況。

2  我國鋼鐵行業(yè)現(xiàn)狀
    在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)勁拉動下，我國鋼鐵工業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，這也帶動了高爐煉鐵產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。我國煉鐵產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀是集中度低，高爐座數(shù)多(約有900多座)，大于1000 m³以上高爐約有110座。
    高風(fēng)溫是現(xiàn)代高爐的主要技術(shù)特征。提高風(fēng)溫是增加噴煤量、降低焦比、降低生產(chǎn)成本的主要技術(shù)措施。近幾年，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)高爐的熱風(fēng)溫度逐年升高了25℃，特別是新建設(shè)的一批大高爐（大于2000m3），熱風(fēng)溫度均超過1200℃，達(dá)到了國際先進(jìn)水平，如2002年后，首鋼技術(shù)改造或新建高爐的熱風(fēng)溫度均實(shí)現(xiàn)高于1200℃的目標(biāo)。還有就是通過對風(fēng)量、風(fēng)壓、鼓風(fēng)濕度、富氧率、噴吹燃料 、風(fēng)口面積和長度等參數(shù)的調(diào)節(jié)，來達(dá)到提高產(chǎn)量及高爐的利用系數(shù)目的，這就需要對送風(fēng)制度進(jìn)行更好的優(yōu)化。因此對驅(qū)動高爐鼓風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速要滿足調(diào)速范圍寬度大，響應(yīng)迅速的要求，顯然通過傳統(tǒng)的風(fēng)門調(diào)節(jié)時(shí)無法實(shí)現(xiàn)的上述要求的。國產(chǎn)高壓變頻器的研發(fā)設(shè)計(jì)水平的提高和制造技術(shù)的成熟，使優(yōu)化高爐鼓風(fēng)機(jī)的送風(fēng)制度成為了可能。
2.1 現(xiàn)代高爐煉鐵工藝簡介
    煉鐵過程實(shí)質(zhì)上是將鐵從自然狀態(tài)礦石等含鐵化合物中還原出來的過程。通常分為燒結(jié)和煉鐵兩段工序。燒結(jié)：就是把鐵礦粉造塊，為高爐提供精料的一種方法，是利用鐵礦粉、熔劑、燃料及返礦按一定比例制成塊狀冶煉原料的一個(gè)過程；煉鐵：煉鐵過程主要目的就是從鐵礦石中經(jīng)濟(jì)高效地得到溫度和成分合乎要求的液態(tài)生鐵。
2.2高爐鼓風(fēng)機(jī)的工藝簡介
    高爐鼓風(fēng)機(jī)是高爐煉鐵過程中最重要的動力設(shè)備，它不但直接提供高爐冶煉所需的氧氣，而且提供克服高爐料柱阻力所需的氣體動力?，F(xiàn)代大、中型高爐所用的鼓風(fēng)機(jī)，大多選用離心式鼓風(fēng)機(jī)或軸流式鼓風(fēng)機(jī)，近年來也有逐步使用大容量同步電動驅(qū)動鼓風(fēng)機(jī)的趨勢。高爐冶煉要求鼓風(fēng)機(jī)能供給一定量的穩(wěn)定空氣，以保證高爐燃燒一定的碳；其所需風(fēng)量的大小不僅與爐容成正比，而且與高爐強(qiáng)化程度有關(guān)，一般按單位爐容2.1～2.5m3／min的風(fēng)量配備。但實(shí)際上不少的高爐考慮到生產(chǎn)的發(fā)展，配備的風(fēng)機(jī)能力都大于這一比例，因此一般采用入口風(fēng)門、出口放風(fēng)閥進(jìn)行風(fēng)量、風(fēng)壓控制，以防止風(fēng)機(jī)的喘振。其工藝流程圖如圖1所示。 

圖1 鼓風(fēng)機(jī)工藝流程圖

    高爐鼓風(fēng)機(jī)由于風(fēng)門的損耗，風(fēng)機(jī)的效率低、電能損耗大，因此采用高壓變頻器改造的節(jié)能空間巨大。但是由于高爐鼓風(fēng)機(jī)作為高爐生產(chǎn)的最關(guān)鍵設(shè)備，不僅電動機(jī)功率容量大，且需保證連續(xù)運(yùn)行。如在高爐生產(chǎn)過程中鼓風(fēng)機(jī)發(fā)生故障特別是在出鐵水時(shí)，將造成灌渣事故，導(dǎo)致高爐堵爐、停產(chǎn)、焦比上升，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此目前國內(nèi)冶金行業(yè)生產(chǎn)廠家對高爐鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻改造的案例極少，主要原因是用戶對目前高壓變頻器的運(yùn)行可靠性存在疑慮。
    深圳市微能科技有限公司積聚二十余年的變頻器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，基于對電機(jī)控制理論的透徹了解，電力電子和微電子技術(shù)的純熟掌握，微處理技術(shù)的融會貫通，獨(dú)立開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超大容量高壓變頻器，率先打破了國產(chǎn)高壓超大容量高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)記錄。微能公司研發(fā)技術(shù)人員與甲方生產(chǎn)工藝及技術(shù)人員一道，本著高度負(fù)責(zé)任的原則，實(shí)事求是，精誠合作，多次深入現(xiàn)場生產(chǎn)一線調(diào)查，獲得了生產(chǎn)過程的詳實(shí)數(shù)據(jù)。以保障用戶安全生產(chǎn)為前提的指導(dǎo)思想，制訂了雙方認(rèn)可的周到、全方位故障處理備份方案；微能公司的規(guī)模化的生產(chǎn)制造，嚴(yán)密的質(zhì)量控制體系，大量穩(wěn)定可靠的冶金行業(yè)運(yùn)行業(yè)績，獲得了甲方的認(rèn)可和信任，進(jìn)一步堅(jiān)定了用戶的改造決心。用戶決定對該廠的2＃煉鐵高爐鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行了高壓變頻調(diào)速改造，以達(dá)到降低生產(chǎn)成本，改善生產(chǎn)工藝的目地。

3   微能WIN-HV系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)介紹
3.1 WIN-HV系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)介紹
3.1.1 系統(tǒng)原理
    如圖2所示，WIN-HV系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用多個(gè)功率單元串聯(lián)的形式。對于10kV系統(tǒng)，每相9單元串聯(lián)（6kV系統(tǒng)每相6個(gè)單元串聯(lián)），每個(gè)功率單元輸出交流有效值Vo為640V，相電壓為5760V，線電壓為10000V。

 
圖2 電壓疊加形成高壓輸出原理

3.1.2  功率單元結(jié)構(gòu)
    如圖3所示，功率單元主要由三相橋式整流橋、濾波電容器、IGBT逆變橋構(gòu)成，以及功率器件的驅(qū)動、保護(hù)、信號采集、光纖通訊等功能組成的控制電路。通過控制IGBT的工作狀態(tài)，如圖4所示的輸出PWM電壓波形。每個(gè)電流大小相同的功率單元在結(jié)構(gòu)及電氣性能上完全一致，可以互換。

                              圖3  功率單元電路結(jié)構(gòu)                              圖4  單元輸出PWM波形
3.1.3 輸入側(cè)
    WIN-HV系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在10kV電源側(cè)采用多達(dá)54脈沖移相整流技術(shù)，電網(wǎng)側(cè)諧波污染小，功率因數(shù)高，無需功率因數(shù)補(bǔ)償及諧波抑制裝置，對同一電網(wǎng)上用電的其它電氣設(shè)備不產(chǎn)生諧波干擾。
3.1.4 輸出側(cè)
    在輸出側(cè)由每個(gè)單元的L1、L2輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，由于采用多重化的正弦脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)，輸出諧波非常小，可消除葉片與軸承的振動，無需諧波抑制裝置可直接適配各種電機(jī)。
3.1.5 控制器
    主控制部分采用專用DSP(數(shù)字信號處理器)加可編程邏輯器件為控制核心，實(shí)現(xiàn)SPWM波形控制及各種信號的檢測、分析判斷和處理。控制器由中文顯示，具有頻率、電流、電壓、故障等顯示?？刂齐娫床捎脙陕冯娫醋詣忧袚Q技術(shù)，保證供電的可靠性。另外，當(dāng)控制電源掉電后，可由系統(tǒng)配備的UPS繼續(xù)供電。
    主控制部分和單元控制部分通過光纖進(jìn)行信號傳輸，可有效避免電磁干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
3.2 WIN-HV系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)功能
3.2.1 啟動方式
    WIN-HV系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有正常啟動和軟起動兩種啟動方式：正常啟動方式：調(diào)速系統(tǒng)按正常方式啟動后，閉環(huán)或開環(huán)運(yùn)行于設(shè)定值。
    軟啟動方式：對于大功率電機(jī)，采用此調(diào)速系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行無沖擊電流啟動，啟動完成后電機(jī)切換至工頻電源，完成電機(jī)的軟啟動。
3.2.2 運(yùn)行方式
    閉環(huán)控制：檢測回路獲得被控制量的實(shí)際值，與設(shè)定值比較，得到偏差信號。偏差信號經(jīng)過PID調(diào)節(jié)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)被控制量，使之與設(shè)定值一致。
    開環(huán)控制：選擇開環(huán)控制，頻率控制信號由頻率設(shè)定方式給定，輸出按照負(fù)載特性設(shè)定的幾種壓頻比曲線方式控制電機(jī)運(yùn)行。
3.2.3  頻率設(shè)定功能
    運(yùn)行頻率設(shè)定方式包括：工控機(jī)LCD觸摸屏數(shù)字設(shè)定、外部4～20mA、0～20mA或0～10V、0～5V模擬信號輸入給定、開關(guān)量頻率上升/下降給定、上位機(jī)給定多種給定方式，滿足與現(xiàn)場DCS系統(tǒng)的所有信號類型的連接需求。
3.2.4  控制方式
    本地控制：利用系統(tǒng)工控機(jī)觸摸屏上的按鈕實(shí)現(xiàn)就地控制。
    遠(yuǎn)方控制：系統(tǒng)提供數(shù)字和RS-485通訊接口，由DCS或上位機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。
3.2.5 參數(shù)設(shè)定功能
    可以設(shè)定轉(zhuǎn)矩提升、U/f加速曲線以適應(yīng)不同的負(fù)載情況,可以設(shè)定多達(dá)2個(gè)共振頻率躲避區(qū)域,可以按現(xiàn)場情況需要設(shè)定電