英威腾CHH100系列高压变频器在河北某钢铁厂除尘风机的应用
【摘 要】：本文介绍了高压变频器在钢铁行业除尘风机上的应用情况，介绍了除尘风机变频调速的运行工艺及变频改造后的节能效果及工艺改善情况。
【关键词】：高压变频器、变频调速、节能、除尘风机
1、概述
钢厂的冶炼过程耗电较大，耗电在炼钢成本中是不可忽视的一部分，河北某钢铁有限公司系中外合资企业，于1993年成立，1994年10月正式投产，总资产11亿元。有中型轧钢生产线四条(800#轧机生产线一条, 650#轧机生产线一条和500#轧机生产线两条),年生产能力70万吨。 公司坚持面向未来，以可持续发展为主题，以实施产业结构调整，构筑新的竞争优势为目标，实现工艺升级、产品更新，全面提高公司的运营水平与核心竞争力，走新型工业化道路，打造行业和产品优势，加快用高新技术改造钢铁业的步伐，建设高科技的钢铁企业。公司响应国家的节能减排的政策方针，配置有三套除尘系统。根据生产工艺的要求，邀请我公司（深圳市英威腾电气股份有限公司）技术人员到厂内的对#3除尘系统的除尘风机进行分析，对节能方面做评估。根据现场的运行数据及实际工艺的要求，我公司技术人员对其进行全面分析，有较大的节能空间。
钢厂的冶炼过程耗电较大，耗电在炼钢成本中是不可忽视的一部分，河北某钢铁有限公司系中外合资企业，于1993年成立，1994年10月正式投产，总资产11亿元。有中型轧钢生产线四条(800#轧机生产线一条, 650#轧机生产线一条和500#轧机生产线两条),年生产能力70万吨。 公司坚持面向未来，以可持续发展为主题，以实施产业结构调整，构筑新的竞争优势为目标，实现工艺升级、产品更新，全面提高公司的运营水平与核心竞争力，走新型工业化道路，打造行业和产品优势，加快用高新技术改造钢铁业的步伐，建设高科技的钢铁企业。公司响应国家的节能减排的政策方针，配置有三套除尘系统。根据生产工艺的要求，邀请我公司（深圳市英威腾电气股份有限公司）技术人员到厂内的对#3除尘系统的除尘风机进行分析，对节能方面做评估。根据现场的运行数据及实际工艺的要求，我公司技术人员对其进行全面分析，有较大的节能空间。
2、设备参数及工艺要求
钢厂整个系统共有3套除尘系统，#3除尘系统容量比较大，在生产过程中是主要的除尘设备，其电机及风机的参数如下表所示：
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异步电机
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除尘风机
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型号
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YTP710-6
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型号
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Y4-2×73 No.29.5F
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额定功率
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2240 kW
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额定压力
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570 - 375 mmH2O
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额定电压
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10 kV
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额定流量
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960000 - 1720000 m3/h
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额定电流
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150.9A
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轴 功 率
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1800 -2240 kW
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额定转速
|
985 rpm
|
额定转速
|
985 rpm
|
正常情况下，该锅炉每55分钟为一个生产周期，生产过程的不同阶段，电炉产生的烟气量不同，因此需要调节除尘风机的风量。按照正常的生产过程，为满足生产工艺的要求，除尘系统的除尘量可以按如图一所示调节。一个周期可分为4个阶段：1、加料A～B，9分钟；2、供电供氧高速C～D，15分钟， 3、供电供氧中速E～F，25分钟；4、出炉低速G～H，6分钟。
图一 除尘量的工艺图
除尘系统的监控采用工控机控制，工控机与变频器通过硬接线的方式连接。操作室内的工控机可以实现对变频器的启动、停机、复位和高压分断等控制，调节变频器给定频率，并实时监视变频器的运行工况。变频器输出频率和输出电流，以4-20mA方式反馈到DCS系统。
3、设备选型及系统方案
我公司技术人员根据现场设备的参数及工艺要求，结合我公司的CHH100系列高压变频器在其它工程地应用情况，我公司为其配置了一台10KV/2500KW的CHH100系列的高压变频器，变频器主要技术参数如下表：
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序号
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项目
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参数
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1
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变频器型号
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CHH100-2500-10
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2
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额定容量
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3150kVA
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3
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额定电压
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10kV
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5
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额定电流
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175A
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7
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可配电机
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2500kW
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8
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旁路方式
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一拖一手动旁路
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根据现场的运行工艺要求，考虑到变频器退出运行后，为了不影响生产，确保除尘系统正常工作，我公司为系统配置工频旁路，保留了以前的工频启动的软启动装置，同时按照以往的保护定值进行整定，当变频器出现异常时，将电机投切到工频下运行。整个调速系统的一次回路图如下所示：
图二 变频系统一次回路图
变频调速系统由用户开关、软启动器、手动旁路柜、CHH100系列高压变频器、高压电机组成。手动旁路柜是由三个高压隔离开关QS1、QS2、QS3组成。电机以变频方式运行时， QS2、QS3闭合，QS1断开；电机以工频方式运行时，QS1闭合， QS2、QS3断开。手动旁路柜严格按照“五防”联锁要求设计，变频输出开关QS3和工频开关QS1互锁，完全能够保证变频调速系统安全运行。
旁路柜与上级高压开关QF连锁，旁路柜隔离开关未合到位时，不允许高压开关合闸，QF合闸时，绝对不允许操作高压隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。
CHH100系列高压变频器的接口比较灵活，有多种控制方式，有modbus通讯接口方式,也有硬接线控制方式，根据该工程的系统控制接口形式，选择了硬接线的方式进行远程控制。变频器及现场的除尘风机如下图所示。
运行中的CHH100高压变频器 钢厂#3除尘风机
4、变频器工作原理
CHH100系列高压变频器一体化设计，系统属于高—高结构方式，变频装置逆变主电路拓扑采用单元串联多电平电压源型变频器，由变压器柜、功率柜、控制柜、自动旁路柜四个部分组成，通过将多个低压功率模块的输出叠加起来得到高压输出，可以直接配套异步鼠笼电机。CHH100系列高压大功率变频器的原理结构如图三所示。电网送来的三相10KV交流电，经移相变压器，由其副边每相的9个二次线圈电压逐个移相6.5°，供电给9个功率单元，三相共27个功率单元，形成Y联结结构。变频器控制部分采用DSP处理器对调制波形进行空间向量的优化处理，控制IGBT的通断，即可在单元输出两点之间得到PWM波形，9个功率单元相叠加进行波形合成，可输出高压正弦波给感应电动机，因而形成近似正弦波大大降低了输出谐波含量，不需输出升压变压器和滤波装置，可直接驱动普通高压电机，而不会增加电机升温而降低电机容量。因此，无需滤波器变频器就可输出正弦输出电流和电压波形，对电机没有特殊要求，可以使用普通异步电机，电机不必降额使用；具有软启动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行在20-100%的带载调速范围内，变频系统的不加任何功率因数补偿的情况下输入端功率因数能达到0.95以上。输入电流谐波畸变<4%,输出电流谐波畸变<2%
图三 CHH100系列变频系统图
5、变频器功能特点
1） 变频调速系统的启停方式
启动方式：
（1) 直接启动；
（2) 先直流制动再启动(对于风机类可能由负载带动反转场合，可以先通过直流制动把电机刹住车再启动，从而避免启动时产生巨大的冲击电流)；
（3) 转速追踪启动。变频调速系统首先追踪电机的当前转速，然后在当前电机的转速的基础上直接启动。
停车方式：
（1) 减速停车(控制电机速度按照减速曲线减小，到零频后停车)
（2) 自由停车(直接封脉冲，电机按照自己的惯性停车)
2） 频率设定方式
（1) LED 键盘给定
（2) 通讯给定(触摸屏采用这种方案)
（3) 模拟信号输入给定
（4) 高速脉冲给定
（5) PID控制调节给定：通过PID给定与反馈的比较，自动调节频率，在恒压供水系统上应用尤其方便。
（6) 多段速给定：变频调速系统可以设置多个频率段，以及加减速时间，由端子灵活的选择在这些频率段时间切换。
（7) 同时为了运行频率控制更加灵活，CHH系列变频器支持两个频率源，实际运行频率可以取这两个频率源的任意一个，或者对两个频率源进行和、差，以及最大值的组合。
（8) 用户除了使用频率源控制频率以外，还可以通过up/down按键或者数字量端子灵活的对运行频率进行增加、减小的微调。
3） 电压自动调解功能。
由于我方提供的高压变频器有一级功率模块的富裕量，高压变频调速系统可以根据母线电压的波动自动调节输出PWM信号的占空比，从而减轻电网电压波动对于输出电压波动的影响。在母线电压波动情况和功率模块旁路的情况可以自动调解输出电压，保证输出电压的稳定。
4） V/F曲线选择方式
有些负载(比如风机、水泵)都不是恒转矩负载(风机水泵的转矩与速度的二次方成正比)。为了适应这种变转矩的负载特性，CHH系列高压调速系统提供了多点V/F曲线，1.3次幂、1.7次幂、2.0次幂V/F曲线可供选择。并且在可以在V/F的启动低频段进行电压提升，满足现场实际的调速需求。
5） 可编程用户端子
高压变频调速系统提供丰富的端子功能给用户，这些端子都是可通过功能码进行设定，不需要更改系统的程序，便于现场调试,从而保证系统有灵活的可扩展性,完全能够满足DCS控制的要求。
6） 丰富的实时监控功能
系统参数：运行频率、给定频率、母线电压、输出电压、输出电流、运行速度、输出转矩、PID给定、PID反馈、端子状态、摸拟量的值以及时间。
模块参数：模块电压、模块的温度。
用户可以通过功能码选择所需要显示的监控对象。也可以通过触摸屏查看相关的参数，变频器有异常时，不但可以查看故障类型及处理方式，还可以查看故障时的变频器运行状态，便于快速排除故障。
7） 多段速控制功能
针对有频繁变速要求系统，高压调速系统可以提供多段速度调制模式。用户可以通过端子灵活的选择当前的运行速度段。
8） Modbus通讯功能
高压变频调速系统提供对外的modbus通讯接口。用户可以使用自己的系统通过modbus协议对变频器进行控制，设置。
6、节能效果
变频器3月2日安装完毕。根据现场的生产要求，变频器于4月14日调试完毕，于4月15日对除尘风机变频运行方式和工频方式进行测试，4月15日除尘风机以变频方式投入运行。在调试和试运行期间，测试的几个关键的运行数据如下：
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序号
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工频运行
|
变频运行
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||||
|
挡板开度
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输入电压
|
输入电流
|
输入电压
|
运行频率
|
输入电流
|
|
|
1
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30%
|
10.04kV
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52.4A
|
10.04kV
|
20Hz
|
23.4A
|
|
2
|
60%
|
10.04kV
|
104.2A
|
10.04kV
|
35Hz
|
55.5A
|
|
3
|
90%
|
10.04kV
|
135.8A
|
10.04kV
|
45Hz
|
102.3A
|
按照以上的测试数据，对除尘风机工频运行和变频运行消耗的电能计算如下：
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序号
|
需要风量
（%）
|
工频耗电
（KW）
|
变频耗电
（KW）
|
节电功率
（KW）
|
节电率
（%）
|
|
1
|
|||||
|
2
|
60
|
1522.05
|
936.15
|
585.90
|
38.49
|
|
3
|
90
|
1980.63
|
1720.56
|
260.07
|
13.13
|
根据实际运行的时间，高速运行15分钟左右，中速运行有25分钟左右，低速运行有15分钟左右，所以综合节电率为：
370.71×15+585.90×25+260.07×15
系统节电率 = ×100% 765.41×15+1522.05×25+1980.63×15
=30.42%
系统节电功率为:438.35KW
一天节电量：438.35×24 = 10520.57 度/天
按电价0.35元/度计算，一天节约电费：10520.57 × 0.35 = 3682.19元/天
按电价0.35元/度计算，一天节约电费：10520.57 × 0.35 = 3682.19元/天
7、 变频调速优点
变频器改造后，对整个控制工艺有较大改善，对生产成本也有一定的降低，综合考虑，变频改造具有以下几方面的优点：
1) 网侧功率因数提高：原电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.84左右。采用变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.95以上，无需无功补偿装置就能大大的减少无功功率，满足电网要求，可进一步节约上游设备运行费用。
2) 设备运行与维护费用下降：采用变频调节后，可以根据现场的实际除尘风量进行调节风机转速，由于通过调节电机转速实现节能，在负荷率较低时，电机、风机转速也降低，主设备及相应辅助设备磨损较前减轻，维护周期可加长，设备运行寿命延长；并且变频改造后挡板开度可达100％，运行中不承受压力，可显著减少挡板的维护量。变频器运行中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。
3) 用变频调速装置后，可对电机实现软启动，启动时电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小。风机启动时的噪音和启动电流非常小，无任何异常振动和噪音。
4) 与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电网和电机。
5) 操作简单、灵活，运行方便，可通过计算机远程给定等参数，变频调速系统将会始终保持在0.01～0.1HZ频率调整精度范围内工作，为实现除尘系统的自动化创造优越条实现智能调节。
6) 适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-10%～+10%之间波动时，系统均可正常运行。
7) 变频改造后，系统节能效果比较显著，可提高系统运行效率，降低了公司的生产成本，提高了公司在市场上的竞争力。
参考文献：
【2】CHH100系列高压变频器说明书，深圳市英威腾，2007；
【1】胡先 主编 高炉炉前操作技术 冶金工业出版社，2006；