第３３卷２０１５年第２期（总第１７６期） 使用与维护 高压变频器在炼钢除尘系统中的应用 熊伟 （武钢集团昆钢股份装备技改部 昆明【摘６５０３０２） 要】采用高压大功率变频器实现昆钢三炼钢厂４号、５号转炉煤气除尘风机调这控制，提高了设备装 高压变频器ＩＧＢＴ￥￥￣块 备水平，达到了降耗、减排，提高工作效率，增加了经济效益。 【关键词】 除尘风机Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎ Ｄｅｄｕｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ ＸＩＯＮＧ Ｗｅｉ （Ｅｑ．ｉｐ，．ｅ．ｔ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｆｏｒｍ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＫｕｎｇａｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．ｏｆ Ｗｕｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５０３０２） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｄｕｓｔｉｎｇ ｆａｎ ｆｏｒ Ｎｏ．４ ａｎｄ Ｎｏ．５ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｇａｓ ａｔ Ｋｕｎｇａｎｇ Ｎｏ．３ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ Ｐｌａｎｔ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｌｅｖｅｌ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ，ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ， ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ａｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｄｅｄｕｓｔｉｎｇ ｆａｎ，ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＩＧＢＴ ｄｒｉｖｅ ｍｏｄｕｌｅ 冶金行业传统的转炉煤气风机是液力偶合器 调速，属于低效调速（最高效率只有８７％）。由于 液力偶合器本身存在转差，一般在１０％左右，那么 电动机就无法达到满载输出，变频调速属于高效 调速（最高效率达９９％），高压大功率变频器是一 种集电力电子技术、微电子技术、光电通信技术、 计算机技术、自动化控制技术等为一体的高新技 术产品，是先进的多电平级联技术、输入移相整流 多脉冲技术以及配合其他先进技术完美结合的高 压变频技术，高压大功率变频器可用于各种工业 环境，在各种复杂场合均能满足电机变频调速及 节能的要求。 １变频技术的原理与优势 １．１变频器组件 单元提供较低的交流输入电压，同时通过移相技 术，使变频器电网输入侧的功率因数提高到０．９５ 以上，并将电网输人侧的谐波总量降低到４％ 以下。 （４）逆变柜：装有模块化设计的多个功率单元 级联式逆变主回路，向电动机提供变频调速之后 的工作电压。 （５）控制柜：装有计算机主控部件，担负着变 频器工作的指挥中心作用，具备用户所需要的各 类通信、远控功能。 （６）逆变柜内的单元：实现三相交流输入，单 相逆变输出的功能。 １．２变频技术的原理 高压大功率变频器主要组件： （１）进线柜：用户可以将电网侧输入电压通过 该组件安全引入变频器的输入端。 （２）工频旁路柜：用户可以根据需要选用该组 件，在故障情况下执行工频旁路功能。 （３）变压器柜：装有移相变压器，为各个功率 ——１．２．１ 功率单元的串联 ’ 高压大功率变频器是由多个功率单元串联而 成，以６ｋＶ每相六单元串联为例，电压叠加如图１ 所示。每相由六个相同的功率单元串联而成，相 电压为３４６４Ｖ。每个功率单元输出有效值 ＝ ５７７Ｖ，峰值输出电压 ＝ ，ｌ／ｅ＝８１６Ｖ。 １．２．２功率单元电气原理 功率单元主要由三相桥式整流器、电容器组、 ３４—— 使用与维护 第３３卷２０１５年第２期（总第１７６期） ＰＰＰＰＰＰ ＭＭＭＭＭＭ Ａ ＡＣ Ｃ 图１ ６ｋＶ变频器电压叠加示意 ＩＧＢＴ逆变桥构成，同时还包括驱动、保护、监测、通 信等组件组成的控制电路。通过控制ＩＧＢＴ的工 作状态，输出ＰＷＭ电压波形（见图２）。各功率单 元具有完全相同的结构，有互换性。 将每相Ｎ功率单元的输出电压叠加，产生多 重化的相电压波形，使相电压产生出２Ｎ＋１个电压 台阶，如图３所示的六个功率单元输出的ＰＷＭ波 形及叠加之后的相电压波形图。 电源 输入 输出 图２变频器功率单元 Ｏｓ ４ ８ ｌ２ １６ ２０ 六个功率单元输出电压叠加之后的波形 图３变频器的单元输出波形及相电压叠加波形 １．２＿３移相变压器 移相变压器（以６ｋＶ变频器输入变压器为例） 原边绕组为６ｋＶ，副边共１８个绕组分为三相。每个 绕组为延边三角形接法，分别有±５。，±１５。，±２５。等 移相角度，每个绕组接一个功率单元。这种移相 接法可以有效地消除３５次以下的谐波。因此，采 用移相变压器进行隔离降压，不会对电网造成超 过国家标准的谐波干扰。 １－２．４主控系统 主控系统包括：主控板及其输入输出接口。 主控板以高性能单片机为控制核心，辅以一个 ＥＰＲＯＭ存储器存储主控程序，另外使用一个 ＳＲＡＭ存储器存储用户设置的现场运行数据。 （１）主控板和光通信主板：主控板和光通信主 板之间通过专用电缆进行数据传输。光通信主板 通过光纤和单元之间进行通信，向各个功率单元 传输ＰＷＭ信号，并返回各个功率单元状态信息。 （２）主控板和液晶显示界面：主控板和液晶显 示界面之间使用光纤连接。液晶及面板键盘实现 人机界面功能。显示内容：系统状态，运行状态， 功能参数值、故障记录等。通过面板上的功能键， 可以实现系统运行、停机、复位及功能参数设定和 记录查询。 （３）主控板的Ｉ／Ｏ接口：主控板的Ｉ／０接口用来 实现端子控制模式的外部通信。主要功能：系统端 子复位和运行／停止控制、外部模拟方式频率给定、 以及系统状态、运行频率的输出等。主控板的输 入还包括控制电源和运行电流的采样信号。 １．２．５ ＩＧＢＴ驱动原理 在变频器的功率单元中，使用高性能、智能化 的专用ＩＧＢＴ驱动模块对主控系统输出的ＰＷＭ控 制信号进行隔离、缓冲处理后，使弱电信号（１ＴｒＬ电 平）能够驱动高压回路中的大功率ＩＧＢＴ器件、输 出需要的ＳＰＷＭ电压。驱动模块辅助功能还包 括：对ＩＧＢＴ进行短路、过流、欠压监测和保护。当 负载或功率单元一旦出现短路、过流、欠压等方面 故障，驱动模块将故障信号上传到主控系统，主控 系统的微处理器将根据故障类型进行辨别处理 后，发出命令使驱动模块停止工作，禁止该功率单 元的输出。与此同时主机中故障处理控制逻辑还 会根据故障类型进行更进一步判断，以决定系统 是否发生真正的故障，以便系统采取报警停机或 继续运行，以保护变频器与配电系统的安全，不至 于造成更大的故障和经济损失。 一３５一 第３３卷２０１５年第２期（总第１７６期） １．２．６旁路原理 使用与维护 １．２．６．２功率单元旁路原理 这是一种快速、自动切除出现故障单元而保 证系统继续正常运行（或减额运行）的方法，其原 理方框图见图５。 自动旁路是一种提高变频器运行可靠性的方 法。当设备出现故障时，系统在检测到之后，自动 执行运行方式的切换，以保证变频器连续进行工 作。设备具有了这项功能可以大大地提高其运行 可靠性，满足高可靠性用户的要求，以便于这类用 户的系统设备或工艺不会因为变频器故障而受到 影响。旁路运行之后，可以由用户决定在合适的 时间停机，对故障进行维修。 １．２．６．１ 工频旁路原理 在变频器出现故障时，使用外接开关完成切 除变频器的功能，电动机转换到工频状态继续运 行，保证设备仍然工作，其工作原理如下（见图４）： （１）正常工作时，开关ＱＦ，ＱＳ１，ＱＳ３合，变频器 连接于电源和电动机之间，系统处于变频状态，满 足用户的运行工况。 （２）当出现必须使变频器退出运行的系统故 障时，变频调速装置根据设定的程序进行工作状 态的转变换和发出报警信号并进行如下操作：① 断开系统中的开关Ｑｓ１，Ｑｓ３，切除变频器并延时 一段时间，等待电动机端电压下降至３０％以下，合 开关Ｑｓ２，电动机转人工频运行状态（如果运行工 况许可，等电动机完全停止后，合开关ＱＳ２，再启动 电动机是最安全的切换方法）。②转人工频运行 后，为了满足工况要求，必须重新控制节流装置 （风门或阀门），保证运行工况满足工艺要求。 图４工频旁路原理 一３６一 图５功率单元旁路原理方框图 当功率单元出现故障时，故障报警信号经由 通信电路传输给主控计算机，主控计算机接到故 障信号后，经过故障种类判断，对系统的各种信号 协调后，用最短的时间将出现故障的功率单元进 行旁路切除。计算机通过改变算法，保持输出电 压的平衡，同时向用户发出报警信号，并且自动对 输出功率进行调整，使扰动降至最低，保证系统正 常运行。 １－３ 变频技术的优势 由于采用了先进的电力电子技术、计算机控 制技术、现代通信技术和高压电气，电动机拖动等 综合性技术，因此具有其他凋速方式无法比拟的 优点。目前在我国冶金行业尚有大量的传统调速 系统，如行车的转子串电阻调速，使用绕线式异步 电动机，并通过交流接触器分级切除电阻来实现 电动机调速，另外，还有直流调速装置，系统构成 复杂，且故障率高，而这些问题采用变频调速技术 就可以得到很好的解决，同时变频器采用液晶显 示数字界面，触模式面板，可随时显示电压、电流、 频率及电动机转速等，非常直观地显示电动机的 实时状态。高压变频器具有国际通用的外部口， 可与ＰＬＣ实现通信，并可与设备控制回路相连接， 构成闭环控制系统。具有电力电子保护和工业电 气保护功能，使变频嚣和电动机在正常运行和故 障时均可得到安全保证。电动机可实现软启动， 软制动，启动电流小，小于电动机的额定电流，电 使用与维护 动机启动时间连续可凋，减小了对电网的影响，减 少配件的损耗，延长设备使用寿命，提高劳动生产 第３３卷２０１５年第２期（总第１７６期） 降低了劳动强度，美化了环境。 ３小结 效率。 ２变频技术在炼钢厂的应用 昆钢炼钢厂第二作业区５号、４号转炉煤气风 机分别于２００６年１Ｏ月和２００７年１月由原来的液 力偶合器改造为ＶＶＶＦ高压变频调速，高速为 ２９５０ｆｆｍｉｎ，低速为１０００ｆｆｍｉｎ，电动机功率由原来的 炼钢厂转炉煤气风机原来的液力偶合器调节 方式，由于液力偶合器本身存在转差，一般在１０％ 左右，那么电动机就无法达到全载输出，这样系统 效率就比较低。液力偶合器安装在电动机和风机 之间，轴向安装尺寸大。若液力偶合器出现故障 （虽然故障机率较低），将会影响正常工作。由于 ８００ｋＷ改为１ １２０ｋＷ。改造后，２台风机较改造前 液力偶合器属于机械调速，损耗较大，必须用油来 每月节电７２．４万ｋＷ・ｈ，吨钢耗电量节约６．４３７ｋＷ・ 传动和冷却。运行中油温较高，所以密封橡胶圈 ｈ，年节电创造的经济效益约为５００万元。同时炼 较易发生破损，造成漏油，甚至要影响正常使用。 钢厂在不改变转炉原操作方式的基础上，在ＰＬＣ 运行经验证明，液力偶合器的油封损坏、漏油是难 控制系统中增加转炉一次风机自动减速功能，转 免的，造成损失也是难免的。由于液力偶合器的 炉在出钢、溅渣护炉、倒渣、装入底料等生产阶段， 传动轴用的是轴承，大转矩电动机的启停和运行， 一次风机由原来的高速运行变为低速运行，当开 易造成轴承的损坏，国产的轴承一般只能用两年， 始进入装入主原料、吹炼阶段时，风机则自动进入 所以它还存在维修量大的问题。 高速运行。从运行情况看，每台风机的耗电量由 在冶金行业电力消耗中，６０％～７０％为电动 原来的５Ｏ万ｋＷ・ｈ／月左右降至２０万ｋＷ・ｈ／月左 机所消耗，因此国家大力提倡节能措施并着重推 右。另外，对风机转速实施快速切换法，在转炉非 荐了变频凋速技术。在炼钢厂的后期改造和昆钢 吹炼期间，降低风机转速的同时定期对风机叶轮 新区的一次转炉系统、二次除尘系统、ＬＦ炉除尘系 进行冲洗，减轻了电动机负荷，降低电耗。 统、溶剂地下料仓除尘系统中均推广运用了变频 昆钢第二作业区１号ＬＦ精炼炉除尘风机从 调速新技术，取得了良好的经济效益和社会效益。 ２００８年５月２９日起投用变频控制，１号ＬＦ精炼炉 除尘风机耗电量从１７万ｋＷ・ｈ／月下降至７．５万 参考文献 ｋＷ・ｈ／月左右。铁水预处理除尘风机从２００８年６ 【１】佟纯厚．交流调速系统．北京：冶金工业出版社， 月１８日投用变频控制，铁水预处理除尘风机耗电 １９８５． 量从２２万ｋＷ・ｈ／月下降至５万ｋＷ・ｈ／月左右。 【２】陈伯时．自动控制系统．北京：机械工业出版社， 改造后，吨钢电耗明显下降，节电率分别是 １９８１． ５６％，７７％，达到了节电的目的。同时简化了工序 ［３］电机工程手册．第九卷．第４８篇．电力传动控制系统． 北京：机械工业出版社，１９８１． 间的控制连锁，提高控制水平和自动化程度，大幅 （２０１４—１２—０１收稿） ｅ ｝； ０； ＃ ； 骨０＝ 石 ＃ ； ｅ ｆ ； 螨 ｅ ＾， 蹄蹄 石 石 ： ＃ ０； ； ＃ ［上接第３３页］ 析、铁谱分析等技术，对机械杂质进行有关形貌、 性。理化分析为液压油按质换油提供了依据，杂 尺寸、密度、成分及分布的定性、定量分析，以判断 质分析能快速反映各种沉淀物的浓度、形貌、成分 机械杂质产生的部位及程度，确定劣化源，进而分 等特征。在实际应用中，通过二者的有机结合，为 析出液压油的劣化趋势。 判断液压油的实际运行状态，确定液压油的劣化 源，开展液压油的预知维护提供了科学的依据，以 ４结语 便针对性的采取措施，进而可使液压油的换油周 综合利用油品检测技术，使液压油的在线管 期由常规的１２个月延长到１３～１５个月，液压油的 理由定性管理向定量管理转变，由经验判断向仪 消耗降低１Ｏ％一２０％。 器监测转变，促进液压油管理由传统的经验管理 （２０１４—０５—２８收稿） 向知识管理迈进，提高了液压油在线管理的可靠 一３７—