HINV型高压变频器在千山炼铁厂烧结风机上的应用.doc

HINV型高压变频器在千山炼铁厂烧结风机上的应用
作者：北京动力源科技股份有限公司 贾礼杰 宋洪涛
摘要：介绍了高压变频器调速系统的工作原理及其在冶金行业烧结风机系统改造中的应用，并获得了较好的经济效益。
英文摘要：This paper introduces the operating principle of high voltage converter and the application of high voltage converter in the Iron and steel corporation fan. It gains a good economic benefint.
关键词：高压变频调速 主抽风机 烧结
引言
烧结主抽风机在炼铁厂是一个关键设备,也是一个耗能最大的设备.因此,该设备在每个烧结厂处的地位都十分重要.它运行正常与否,它使用寿命的长短、故障率的高低、风机性能(效率的高低)的优劣,直接关系到烧结厂的产量和质量的高低;关系到整个厂的经济效益。
烧结利用系数与抽过烧结炉的风量有直接关系。风量小、负压低，烧结过程中垂直燃烧速度慢，烧结矿产量低，烧结炉利用系数低，同时，由于固体燃料不能充分燃烧，造成各类消耗(特别是固体燃料消耗)升高，致使烧结矿生产成本提高，实现主风机变频控制，就能合理地、随时、动态的调节风的负压和流量，使风量和风压相对恒定，为均质烧结生产提供了有利的条件。反之，没有良好 的调节方法、烧结气流靠人工进行调节，根本无法合理应用，这样就有可能出现大量生料，成品率和工序能耗等指标都难以达到良好的指标。主抽风机采用变频调速后，原来打不开的风门打开了，原来风门控制的风量变成由转速来控制，从输出功率P与风机转速关系P= （n1/ne）3Pe(n1-电机的实际转速；ne -电动机额定转速；Pe-电动机的额定功率）可知，随着风门的打开，风量减少变成了转速的下降，所以，P成转速立方倍下降，克服了以前调节风门功率损耗大的问题，另外电机起动由原来全压或降压启动，变成变频启动后，起动性能大大改善，所以，大电机启动困难、冲击大、易损伤等问题便迎刃而解了，效益体现在多方面。
一、烧结生产工艺
炼铁厂烧结是将各种粉状含铁原料，配入适宜的燃料和熔剂，均匀混合，然后放在烧结设备上点火烧结。在燃料产生高热和一系列物理化学变化的作用下，部分混合料颗粒表面发生软化和熔化，产生一定数量的液相，并润湿其他未熔化的矿石颗粒，当冷却后，液相将矿粉颗粒粘结成块，这个过程称为烧结，而所得的矿块叫烧结矿。根据烧结矿碱度高低，可分为普通烧结矿(烧结时不添加熔剂)、自熔性烧结矿(烧结时添加一定量的熔剂)和熔剂性烧结矿(烧结时加入过多熔剂)。
二、烧结主抽风机工频运行，存在以下几个问题：
★异步电动机没有采用调速装置，其转速不可以改变，只能通过改变风机出口风门的大小进行风量调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本。
★启动困难，机械损伤严重
烧结风机工频启动时，启动时间长、启动电流大，对电机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而电动机在启动过程中产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。
★自动化程度低
烧结风机依靠人工调节风机出口风门的大小调节风量，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。由于目前系统没有备用风机，在系统故障状态下，对炼铁厂的正常生产造成严重影响。
为了炼铁厂烧结的安全生产和降低生产成本，提高烧结工艺的自动化水平，对烧结风机进行变频调速改造具有非常重要的意义。
三、设备简述
电机参数
电机型号：YR5005-4 额定功率：1000kW
额定电压：10kV 额定电流：70A
额定转速：1480rpm 功率因数：0.878
烧结主抽风机参数
型号：SJ2500-1.033/0.887 进口流量：2500m3/min
进口压力：86.96kPa 额定转速：1480rpm
额定功率：1000kW
四、变频改造方案
烧结风机变频改造配置一台HINV-06/1250B，1250kVA的高压变频器，采用一拖一的运行方式，即一套变频调速装置驱动一台电动机，并且在变频器检修、故障停机时，可以从变频切换到工频状态运行，以保证生产的安全进行，其主回路的简图如下：

五、变频器的系统结构
①、主电路拓扑原理
电网电压经主变压器隔离移相后为功率单元供电，每个功率单元为一个单相交-直-交电压型逆变器，单元串联星接后形成三相变频电源给高压电动机供电。主变压器采用移相整流方式，输入功率因数高，输入电压电流谐波小。满足IEEE519-1992和GB/T 14549-93对电压和电流最严格的谐波失真要求。无需任何功因补偿和谐波抑制装置。变频器输出采用多重化PWM技术，输出为近乎完美的正弦波，无须加装输出滤波器。电动机谐波损耗小，转矩脉动小，无明显电动机噪声。电动机不需降额使用。输出dv/dt和共模电压小，对电动机无附加电应力损害。
所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。下图为变频器的主电路拓扑图:

多重化变频器拓扑图
②、功率单元原理
功率单元采用三相交流输入，整流滤波后形成直流电压，经IGBT H桥逆变后输出脉宽调制（PWM）电压。功率单元控制板由IGBT驱动电路和监测保护电路、光纤通信电路、单元旁路电路和控制电源组成。运行中功率单元故障时，变频器可将故障单元自动旁路并继续运行，等情况允许时再停机排除故障。

功率单元工作原理图
六、产品特点
HINV系列高压变频器具有以下特点：
★抑制谐波、不污染电网
HINV系列高压变频器采用多级移相整流技术，电流谐波小于5%，不对电网产生谐波污染，符合IEEE519-1992和GB/T 14549-93标准，无需另配谐波治理装置。

输入电压与输入电流波形
★多级PWM正弦波的电压输出和正弦波电流输出
HINV系列高压变频器为多重化PWM电压输出,输出电流谐波小于4%，无需外加输出滤波器，电机的转矩脉动小。变频器的输出dV/dt小，适用于各类新旧电机。

输出电压与输出电流波形
★高功率因数
HINV系列高压变频器在正常使用的电机转速范围内（20%～100%）输入功率因数均可达到0.95以上，无须外加功率因数补偿电容。功率因数与转速的关系如图6所示。

功率因数-转速曲线
★高效率
HINV系列高压变频器整机效率95%～97％，远高于其它类型调速装置。
★高进—高出工作方式
HINV系列高压变频器为高进-高出工作方式，输入电网电压为3kV、6KV、10kV，输出为0～额定电压。应用时只需在供电系统与电机之间直接接入变频器即可，占地面积减小；用户的设备投资降低；无需采用昂贵的专用变频电机，而使用普通三相感应电动机即可。
★大量节能、效益明显
HINV系列高压变频器具有高功率因数、高效率和变频调速的特性，可以广泛用于对风机、泵类的拖动装置进行调速控制，为用户大量节约能源。
★电机软启动
HINV系列高压变频器提供多种电机启动曲线供用户选择使用，起动时间及起动电压可由用户自行定义，启动电流小，避免了大电机直接启动时产生的冲击电流以及对电网的影响，同时有效地延长了电机使用寿命。
★完善的保护功能
HINV系列高压变频器设有完善的保护功能，能有效地保护系统、功率单元、电机。
本产品配有工频－变频切换功能供用户选择，该功能可便利地在工频－变频之间切换。变频器配有功率单元自动旁路（BYPASS）功能，单元故障时其自动旁路继续运行，待工况允许时再更换。这大大提高了设备的可靠性。
★远程控制方式
HINV系列高压变频器具有远程控制功能，用户可采用远程控制方式实现变频器的起、停、升降速控制，并监视变频器的运行状态。
★维修快速
HINV系列高压变频器采用模块化结构，功率单元具有互换性。出现故障可在短时间内用简单工具进行快速更换和维修。
七、采用变频后的经济效益统计
烧结机面积S=20平方米
根据2006年9月20日至2006年10月21日烧结主抽风机用HINV—10/1250B变频运转生产与工频运转烧结机生产烧结矿量、运转率、利用系数、用电量分析计算如下：
⒈主抽风机用变频器情况如下：
⑴、运行时间10月26日至11月11日共生产16天
开机时间共307.43小时
停机时间共76.63小时
⑵、烧结矿产量：11324吨
⑶、日历时间为384小时
⑷、烧结机面积为20m3
⑸、烧结机利用系数：N=11324/（20*307.43）=1.84吨/平方米、小时
⑹、烧结机作业率：K=（384-76.63）/384=80%
⑺、电耗量：222450KW.h（度）
⑻、烧结矿吨耗电量：222450/11324=19.641KW.h/t
⒉主抽风机用工频情况如下：
⑴、运行时间：9月20日至10月21日 共生产31天
开机时间：622.9小时
停机时间：76.7小时
⑵、开机关风门时间：44.4小时、电流30A（安）
⑶、烧结矿产量：22132吨
⑷、日历时间为：744小时
⑸、烧结机面积：20m3
⑹、烧结机利用系数：N=22132/（20*622.9）=1.77吨/平方米·小时
⑺、烧结机作业率：K=（744-76.7）/744=89.69%（83.72%）
⑻、耗电量：557850KWh（度）
⑼、烧结矿吨耗电量=（557850-30*6000*3*0.87*44.4）/22132=24.26 KW.h/t（25.2 KW.h/t）
⒊在变频时的烧结矿产量，在变频的作业率利用系数时折算到工频时的烧结矿（吨）电耗情况下所用电量为
Q电量=24.26（25.20）*11324=274720.24（285364.8）KW.h/t
⒋工频/变频相同作业率利用系数下的节电率
C=（274720.24（285364.80）-222450）/274720.24（285364.80）
=19.02（22.04）%
另外工频状态下将有比变频多13%的无功损耗
总的节电率应为C=32.02（35.04）% 无功损耗量供电部门管理很严COS∮越高电费率越低，烧结生产无效运转率越高节电率越高，应高度重视严格管理，综合各方面的情况，确定节电标准。
八、结束语
鞍山市千山炼铁厂烧结主抽风机经过变频改造后，仅仅节电带来的经济效益已经相当可观。由于实现另外软启动，避免了电机启动时对电网和机械的冲击，电网电压更加稳定，同时电机和风机的使用寿命得到延长。如果考虑到节省系统维护费用及系统运行可靠性的提高，综合经济效益更高。