產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在靈寶黃金冶煉廠鼓風機上的應用
1引言
靈寶黃金股份有限公司為一家香港主板上市公司（股票代碼：3330）。公司成立于2002年9月27日，位于中國第二大產(chǎn)金省河南省的“金城”——靈寶市。公司主要從事黃金(及其伴生元素) 開采、選冶、精煉、深加工與銷售，主要產(chǎn)品為金錠，副產(chǎn)品為銀、硫酸、電解銅及電解銅箔。公司現(xiàn)有3個分公司、19個子公司。下屬靈寶黃金冶煉三分廠硫酸生產(chǎn)設備老化，該公司于2009年6月對該硫酸生產(chǎn)設備進行了改造，其中二氧化硫鼓風機（6KV440KW）改變了原來的閥門調(diào)節(jié)方式，采用先進的高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)過市場和行業(yè)內(nèi)調(diào)研，選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-450F系列高壓變頻器。
2項目改造
改造中在排風機管道出口安裝壓力變送器以檢測氣體壓力變化，并將輸出信號傳輸給高壓變頻器，高壓變頻器根據(jù)壓力的變化來控制電機轉速，從而自動調(diào)節(jié)風機流量。當高壓變頻器調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)生故障時，在高壓變頻器上可以選擇人為或者自動旁路到工頻運行。主回路改造圖如下：
圖1 JD-BP37-450F電氣改造一次主回路示意圖
電動機參數(shù)（沈陽電機股份有限公司）
風機參數(shù)（湖北風機廠）
3高壓變頻器原理
3.1系統(tǒng)結構
JD-BP37系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結構見圖2，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6KV系列有5個功率單元，每15個功率單元串聯(lián)構成一相。
圖2 高壓變頻器系統(tǒng)結構圖
3.2功率單元電路
圖3 功率單元主電路圖
每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其主電路結構如圖所示，為基本的交-直-交雙向逆變電路，圖中通過逆變塊IGBT反并聯(lián)的二極管構成三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓， 通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制實現(xiàn)雙向逆變。
功率單元輸出波形：
圖4 單個功率單元輸出波形
3.3輸入側結構
輸入側由移相變壓器給每個單元供電，每個功率單元都承受電機電流、1/5的相電壓、1/15的輸出功率。15個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。
本機中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成36脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實測輸入電流總諧波成分小于4%。
3.4輸出側結構
圖5 5個單元輸出波形疊加圖
輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。圖5為變頻器輸出的線電壓階梯PWM波形。
3.5控制器
控制器核心由高速32位數(shù)字信號處理器（DSP）運算來實現(xiàn)，精心設計的算法可以保證電機達到較優(yōu)的運行性能。人機界面提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡化控制。內(nèi)置PLC控制器用于柜體內(nèi)開關信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要，增強了系統(tǒng)的靈活性。
數(shù)字信號處理器（DSP）相對于模擬信號處理有很大的優(yōu)越性，表現(xiàn)在精度高、靈活性大、可靠性好、易于集成、易于存儲等方面。傳統(tǒng)的模擬信號處理技術正由全新的數(shù)字信號處理技術（DSP）所代替。DSP是面向高速重復性數(shù)值運算密集型的實時處理。高性能DSP不僅處理速度快，而且可以無間斷的完成數(shù)據(jù)的實時輸入與輸出。DSP結構相對單一，普遍采用匯編編程，其處理完成時間的可預測性要比結構和指令復雜、依賴于編譯系統(tǒng)的普通微處理器強的多。它可以單周期完成這些乘加并行操作，而普通微處理器需要至少4個指令周期，因此在相同的指令周期和片內(nèi)指令緩沖條件下，是普通微處理器運算速度的4倍以上。
另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓，增強了系統(tǒng)的可靠性。
3.6 控制電源
控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設備各點的波形與加高壓情況基本相似，給整機可靠性、調(diào)試、培訓帶來了很大方便。
系統(tǒng)采用三次諧波補償技術提高了電源電壓利用率，利用了調(diào)制信號預畸變技術，使電壓利用率近似于1。系統(tǒng)還采用了先進的載波移相技術，它的特點是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。
4運行情況
我們調(diào)試服務人員于2009年7月17號到達現(xiàn)場，經(jīng)過三天的安裝與調(diào)試后，設備一次成功投入運行，根據(jù)管道壓力變化，高壓變頻器穩(wěn)定運行于29Hz—46Hz，運行輸入電流10A—32A，運行輸出電流17A—36A，變頻平均運行電流24A。
5節(jié)能計算
按工頻和變頻運行實際電流計算，計算數(shù)據(jù)取2009年8月份技術測定
工頻運行時，風門開度為2m左右，運行電流在36A。
工頻運行時功率和耗電：
P1= 1.732×6×36×0.87=325.47kW
N=325.47×24=7811.28kW?h
變頻器運行時，風門全開，平均運行電流在24A，由變頻器調(diào)節(jié)風機速度來滿足風量要求。
變頻運行時功率和耗電：
P2= 1.732×6×24×0.958=238.93kW
N=238.93×24=5734.32kW?h
節(jié)電率：
?。?811.28-5734.32）/7811.28=26%
節(jié)約電費計算：
以電價0.6元/度為標準，工頻24小時耗電費：
7811.28×0.6=4686.77元
變頻24小時耗電量
5734.32×0.6=3440.59元
變頻改造后，日節(jié)約電費：
4686.77-3440.59=1246.18元
一年以300天為標準計算，年節(jié)約電費：
1246.18×300=373854元。
6改造總結
根據(jù)針對該項目的變頻改造經(jīng)驗以及同類其他項目的實踐結果，總結出風光高壓變頻器改造具有以下優(yōu)點：
?。?）安裝簡單。變頻器安裝在高壓開關柜和電機之間，對原有接線改動不大。
（2）操作簡單。直觀的中文人機界面，設備具有開機、停機和頻率調(diào)整等操作。
（3）調(diào)速平滑。能夠進行無級調(diào)速，調(diào)速范圍寬，并且調(diào)速精度高。
?。?）節(jié)電明顯。根據(jù)工況要求，變頻器一般運行在30Hz左右，實際輸入電流不到額定電流的一半，節(jié)電率高達26%以上。
?。?）噪音降低。由于電機運行于較低轉速上，運行噪音大大降低，電機的發(fā)熱量也有明顯下降。
（6）保護完善。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有完善的保護功能，降低了電機運行中的故障率，并且啟動平穩(wěn)，啟動電流小，對電網(wǎng)的沖擊量小，大大提高了可靠性。
?。?）輸出諧波小。變頻器輸出符合IEEE STD 519 1992及中國供電部門對電壓失真要求，高于國標GB/T14549-93對諧波失真的要求，不需要采用輸出電抗器。
（8）具有星點漂移功能。三相輸出采用單元串聯(lián)結構，在運行中，如果有任意三個單元以內(nèi)出現(xiàn)故障，變頻器本身會自動旁路該單元，同時變頻器主控系統(tǒng)具有星點漂移功能，使三相輸出線電壓保持平衡，不會對電動機造成不利影響。星點漂移功能實現(xiàn)了高壓變頻器在一個或多個單元發(fā)生故障后，使其輸出有效電壓保持較大的幅值，使得高壓變頻器的可靠性上了一個臺階，較大限度地保證了變頻器連續(xù)安全運行。
7結束語
采用高壓變頻器后電機可實現(xiàn)軟啟動，電機啟動電流大大減小，其數(shù)值僅相當于額定電流，從根本上杜絕了啟動中電機燒毀事故，電機軟啟動將啟動過程的機械沖擊減小到較小，從而延長了傳動裝置及風機的使用壽命。同時，較小的啟動電流對電網(wǎng)也不會產(chǎn)生大的沖擊，免除了高壓電器開關被大電流擊穿的危險。采用高壓變頻器可實現(xiàn)DCS控制，大大提高了控制精確性和生產(chǎn)安全性。我國冶煉煙氣制酸SO2風機使用高壓變頻器，不僅可以解決困擾企業(yè)的風機運行問題，而且可節(jié)約大量電費。綜合技術經(jīng)濟情況分析，靈寶黃金冶煉三分廠二氧化硫鼓風機采用高壓變頻器調(diào)速是完全可行的。
從現(xiàn)場運行情況來看，山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-450F高壓變頻器性能優(yōu)越，運行可靠，有效地降低了生產(chǎn)成本，在生產(chǎn)材料成本日益增長的今天，通過有效的節(jié)能改造，具有明顯的經(jīng)濟效益。
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