山東淄博中軒集團股份有限公司，是國內(nèi)較早的生產(chǎn)黃原膠等生物制品的大型企業(yè)，具有三十多年的研制、開發(fā)、生產(chǎn)的發(fā)酵經(jīng)驗，目前已具有上萬噸的生產(chǎn)規(guī)模，通過了iso9002質(zhì)量體系及kosher、fcciv、usp等國際認(rèn)證，形成遍布全球的銷售網(wǎng)絡(luò)，全方位的應(yīng)用技術(shù)服務(wù)，發(fā)展成為全球重要的生物制品生產(chǎn)銷售基地。

    但是近年來，隨著產(chǎn)銷量的不斷增加，企業(yè)的生產(chǎn)成本也在逐年攀升，特別是大型的發(fā)酵罐攪拌機械，電費居高不下，成為困擾企業(yè)發(fā)展的一大阻力?，F(xiàn)在國家普遍提倡節(jié)能降耗，隨著《中華人民共和國節(jié)能法》的頒布，改進生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，節(jié)能降耗勢在必行。

    目前，在生產(chǎn)企業(yè)中，推廣應(yīng)用變頻調(diào)速，應(yīng)用電力電子技術(shù)，提高用電效率，改善生產(chǎn)工藝流程，實現(xiàn)自動控制，并進而節(jié)約資源，減少生產(chǎn)成本，降低人工及電力消耗，已成為企業(yè)發(fā)展的主流。特別是近年，隨著高壓變頻調(diào)速技術(shù)的日趨完善，高壓變頻器的應(yīng)用正日益普及。因此，采用高壓變頻，對原來的工頻控制設(shè)備及新上設(shè)備進行技術(shù)改造，已成為當(dāng)務(wù)之急。山東中軒集團股份有限公司的領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過多次反復(fù)的醞釀討論，決定對目前的黃原膠發(fā)酵罐攪拌機的第2期10臺設(shè)備進行技術(shù)改造，應(yīng)用成熟的高壓變頻調(diào)速技術(shù)，淘汰掉多極電磁調(diào)速設(shè)備，取得了良好的工藝及節(jié)能效果。

    經(jīng)過考察，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司是國內(nèi)較早進行變頻器研制生產(chǎn)的單位，具有十幾年的研制開發(fā)經(jīng)歷，特別是在高壓變頻器生產(chǎn)方面，具有較強的實力，2007年榮獲“中國名牌”產(chǎn)品，是中國高、低壓變頻器的國家標(biāo)準(zhǔn)起草審定的唯一企業(yè)單位。研發(fā)生產(chǎn)的高壓變頻器已在國內(nèi)著名的鋼鐵、煤炭、化工、石油、制藥等眾多行業(yè)十分普遍地應(yīng)用。在萊鋼、遼河油田、勝利油田、濟鋼、平陰制藥廠、內(nèi)蒙煤礦等的除塵風(fēng)機、凝結(jié)水泵、提升機等設(shè)備上都有批量應(yīng)用，而且取得了較好的效果，因此他們決定采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的10kv/630kw的高壓變頻器進行設(shè)備改造。

2 現(xiàn)場的設(shè)備情況

    2.1設(shè)備情況

    （1）電機參數(shù)

    額定功率：450kw；

    額定電流：29a；

    額定電壓：10kv；

    額定頻率：50hz；

    功率因數(shù)：0.89。

    （2）運行參數(shù)

    啟動方式：直接啟動；

    工作電流區(qū)間：24～35a；

    全年工作時間：7500h；

    工作周期：70～72h；

    電價：0.45元/kw·h。

    （3）工況細節(jié)

    工作周期是72h，可根據(jù)工藝要求進行調(diào)整，以皮帶傳動，在高速運行時可能會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。攪拌速度約120r/min。在每個工作周期，在頭0～48h內(nèi)，為多極調(diào)速，轉(zhuǎn)速調(diào)整最大范圍為額定轉(zhuǎn)速的40%。運行頻率約為前期的30hz，24h時運行頻率為40hz，48h后運行在45hz。

    2.2設(shè)計方案的確定

    為滿足高壓變頻配置中的變頻器要求，本著安全第一、質(zhì)量可靠的方針進行認(rèn)真的分析，認(rèn)為采用jd-bp38-450型高壓變頻器完全能滿足要求，制定出如下技術(shù)方案，此方案具有以下特點：

    （1）優(yōu)良的調(diào)速性能，滿足負載工藝要求；

    （2）良好的節(jié)能效果，提高系統(tǒng)運行效率；

    （3）實現(xiàn)系統(tǒng)軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，延長設(shè)備使用壽命；

    （4）系統(tǒng)安全、可靠，確保負載連續(xù)運行；

    （5）控制方便、靈活，自動化水平高。

    設(shè)計時，根據(jù)電機容量，選用高壓變頻器，對攪拌機系統(tǒng)進行控制，原設(shè)計電機容量為10kv/450kw，因此選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的jd—bp38—450f高壓變頻器進行控制。為安全起見，防止在變頻器檢修或故障時耽誤生產(chǎn)，系統(tǒng)還設(shè)計有工頻旁路，可以實現(xiàn)工變頻自動轉(zhuǎn)換。

    2.3主要技術(shù)性能指標(biāo)

    額定輸入電壓：10kv（-20%～+15%）；

    輸入頻率：45～55hz；

    輸入方式：36脈沖二極管全波整流輸入；

    輸出方式：每相10單元載波移相正弦波脈寬調(diào)制輸出；

    輸入功率因數(shù)：大于0.96（額定負載時）；

    效率（含變壓器）：大于96%（額定負載時）；

    輸出頻率：0～50hz，連續(xù)可調(diào)；

    頻率分辨率：0.01hz；

    過載能力：120%連續(xù)，150%1min；

    控制電源：雙路供電，220vac，5kva；

    冷卻方式：強制風(fēng)冷；

    防護等級：ip20；

    模擬量輸入：四路，0～5v/4～20ma，任意設(shè)定；

    模擬量輸出：兩路，0～5v/4～20ma可選；

    開關(guān)量輸入輸出：32入/16出（可按用戶要求擴展）；

    通訊接口：rs－485接口；

    運行環(huán)境溫度：0～40℃；

    貯存/運輸溫度：-40～70℃；

    環(huán)境濕度：<90%（20℃時），不結(jié)露；

    安裝海拔高度：<1000m（超過1000m時，需降額運行）。

    運行參數(shù)自動記錄和輸出、自動故障記錄、限流功能、輸出電壓自動調(diào)整功能、瞬時停電自動跟蹤功能、單元旁路功能等。

2.4風(fēng)光變頻器的主要優(yōu)勢特點

    風(fēng)光jd-bp系列高壓變頻器與國內(nèi)外同類產(chǎn)品比較，在產(chǎn)品功能設(shè)計、產(chǎn)品質(zhì)量保障措施、系統(tǒng)安全設(shè)計和服務(wù)方面，具有以下優(yōu)勢和特點：

    （1）輸入、輸出諧波含量低，輸入功率因數(shù)高。無須濾波器和功率因數(shù)補償，可直接驅(qū)動電機；

    （2）系統(tǒng)控制電源采用220vac和高壓主電源降壓隔離后雙路供電，系統(tǒng)運行更可靠、操作更簡便?？稍跓o高壓電的情況下檢測變頻器的輸出及各點波形，便于調(diào)試、檢修及操作人員培訓(xùn)；

    （3）冷卻風(fēng)機采用高壓主電源降壓后直接驅(qū)動，風(fēng)機僅在上高壓電且變頻器開機后運行，避免了冷卻風(fēng)機啟、停時對控制系統(tǒng)的影響；

    （4）功率單元工作電源為外部開關(guān)電源，避免了高壓瞬時掉電時對單元的控制電源的影響，更適應(yīng)于國內(nèi)電網(wǎng)條件，變頻器工作電壓范圍為un+15～-20%，如6kv系列可穩(wěn)定運行于6900v電壓條件下；

    （5）瞬時停電保護功能。當(dāng)主電源失電后，變頻器控制電機處于發(fā)電狀態(tài)運行，為功率單元電容充電，并為其控制電源供電，直至主電源恢復(fù)，變頻器回到原運行狀態(tài)。瞬時停電時間典型值為3s（具體時間可以根據(jù)用戶的系統(tǒng)而定），超過3s變頻器則保護，檢查停電原因，以免變頻器繼續(xù)運行而引起事故；

    （6）限流功能。避免啟動或負載突然變化時，使變頻器輸出電流過大而導(dǎo)致保護動作；

    （7）操作平臺采用全中文win系統(tǒng)，運行穩(wěn)定，且易學(xué)易用；

    （8）結(jié)構(gòu)緊湊；

    （9）完善的上位機控制功能?？膳cdcs系統(tǒng)實現(xiàn)通訊或i/o方式硬連接；

    （10）主要器件均采用世界一流廠商的成熟產(chǎn)品，產(chǎn)品從元器件至半成品及成品，均實現(xiàn)100%的嚴(yán)格測試。各系列產(chǎn)品出廠前均完成100%72h以上負載測試記錄，確保產(chǎn)品的可靠性；

    （11）在系統(tǒng)運行安全可靠性設(shè)計方面，我公司擁有獨享專利技術(shù),即一種使電解電容延長一倍使用壽命的裝置；

    （12）有較強的工程設(shè)計能力和溝通意識，能根據(jù)用戶現(xiàn)場條件和控制要求量身定做，及時滿足用戶的不同需求；

    （13）功率單元模塊化設(shè)計，可以互換，維護簡單；

    （14）二次接線模塊化設(shè)計，現(xiàn)場接線簡單，安裝周期短。 

    2.5一次回路

    一次回路系統(tǒng)原理圖如圖1所示，由一次回路進線柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現(xiàn)故障時，將電機投入到工頻電網(wǎng)運行，保證生產(chǎn)不受影響。變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。

2.6手動旁路柜

    系統(tǒng)旁路方案采用一拖一方案，保留原系統(tǒng)所有設(shè)備,將高壓變頻器串入高壓電機回路。系統(tǒng)變頻運行時，改變變頻器頻率的辦法改變電機的轉(zhuǎn)速。采用“星點漂移”技術(shù)，若變頻器某單元故障，變頻器自動將該單元短路，三相輸出星點漂移，保證三相輸出線電壓平衡，高壓變頻器可降頻運行；當(dāng)變頻器故障單元大于2時，高壓變頻器可自動切換到工頻運行，保證系統(tǒng)工作的可靠性。

    圖1中k1、k2、k3為電磁鎖，變頻運行時，k1與k2閉合，k3斷開，工頻運行時k1與k2斷開，k3閉合。二者有嚴(yán)格的機械和電氣互鎖關(guān)系，不能同時閉合，以防止工變頻同時送電，造成事故。

    旁路柜必須與上級高壓斷路器dl連鎖，dl合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。

    合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號與旁路柜“工頻投入”信號并聯(lián)后，串聯(lián)于高壓開關(guān)合閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，變頻器故障或不就緒時，上級高壓開關(guān)（斷路器dl）合閘不允許；旁路投入狀態(tài)時，合閘閉鎖無效。

    故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘柵c旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。

    保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

    2.7二次回路及控制

    控制系統(tǒng)由控制器，plc和人機界面組成?？刂破饔扇龎K光纖板，一塊信號板，一塊主控板和一塊電源板組成。
光纖板通過光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發(fā)出脈寬調(diào)制（pwm）信號或工作模式。單元通過光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號，并在故障時向光纖板發(fā)出故障代碼信號。

    主控板采用高速單片機，完成對電機控制的所有功能，采用正弦波載波移相方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令。通過rs－232通訊口與人機界面主控板進行交換數(shù)據(jù)，提供變頻器的狀態(tài)參數(shù)，并接受來自人機界面主控板的參數(shù)設(shè)置。

    人機界面為用戶提供友好的全中文操作界面，負責(zé)信息處理和與外部的通訊聯(lián)系，可選上位監(jiān)控而實現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化控制。通過主控板和plc采集的數(shù)據(jù)，計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數(shù)，提供記錄功能，并實現(xiàn)對電機的過載、過流進行報警和保護。通過rs－232通訊口與主控板連接，通過rs－485通訊口與plc連接，實時監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。

    plc用于變頻器內(nèi)部開關(guān)信號以及現(xiàn)場操作信號和狀態(tài)信號的邏輯處理，增強了變頻器現(xiàn)場應(yīng)用的靈活性。plc有處理4路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力，模擬量輸入用于處理來自現(xiàn)場的流量、壓力等模擬信號或模擬設(shè)置時的設(shè)置信號；模擬輸出量是頻率給定信號。

    其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由移相變壓器，功率單元和控制器組成。風(fēng)光10kv高壓變頻器，變壓器有27組付邊繞組，分為9個功率單元/相，三相共27個單元，以6單元/相為例，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分遠低于國標(biāo)規(guī)定。

    2.8控制方式

    風(fēng)光變頻器有三種控制方式：

    （1）本地控制，從變頻器操作界面控制電機的啟動和停機，并能完成變頻器的所有控制；

    （2）遠程控制，通過內(nèi)置plc接受來自現(xiàn)場的開關(guān)量控制；

    （3）上位控制，通過rs－485接口，采用prpfibus通訊協(xié)議，接收上位dcs系統(tǒng)的控制，或與dcs硬連接。

    2.9速度設(shè)置方式（或閉環(huán)運行時的給定方式）

    風(fēng)光變頻器有多種速度設(shè)置方式，在閉環(huán)運行時，速度設(shè)置方式即為被控量的給定方式：

    （1）本地設(shè)置，通過薄膜式液晶屏設(shè)置運行頻率；

    （2）模擬設(shè)置，接收dcs系統(tǒng)0～10v或4～20ma模擬信號設(shè)置運行頻率或被控量給定值；

    （3）通訊設(shè)置，通過通訊方式接收來自dcs系統(tǒng)的運行頻率或被控量給定值；

    （4）多檔設(shè)置，通過開關(guān)量設(shè)置多檔運行速度或被控量給定值；

    （5）閉環(huán)調(diào)節(jié)，由pid自動設(shè)置運行頻率。

    2.10運行方式

    風(fēng)光變頻器有開環(huán)和閉環(huán)兩種運行方式：

    （1）開環(huán)運行：變頻器以設(shè)置頻率輸出。頻率（或稱速度）的設(shè)置方式有本地設(shè)置、模擬設(shè)置、通訊設(shè)置和多檔設(shè)置；

    （2）閉環(huán)運行：對一個運行參數(shù)（如流量、壓力、溫度等，簡稱被控量，此處以壓力為例）實現(xiàn)跟蹤控制。閉環(huán)運行時，實際壓力信號來自于現(xiàn)場信號，而壓力期望值有3種設(shè)置方式，分別為本地設(shè)置、模擬設(shè)置、通訊設(shè)置。

    2.11對外接口

    （1）模擬量輸入：2路，4～20ma或0～5vdc。4～20ma時輸入阻抗250ω，0～5vdc電壓輸入時輸入阻抗≥10mω。用于接收速度設(shè)置或被控量設(shè)置的模擬信號；

    （2）模擬量輸出：2路，4～20ma或0～5vdc輸出。4～20ma輸出時最大阻抗500ω，0～5vdc電壓輸出時最小阻抗5000ω。以模擬方式輸出變頻器的運行速度、變頻器的輸出電流等變量；

    （3）數(shù)字量輸入：32路，光電隔離，隔離電壓500vac。接收遠程控制信號，速度給定開關(guān)信號及各開關(guān)狀態(tài)等；

    （4）數(shù)字量輸出：16路，中間繼電器隔離，隔離電壓750vac，接點容量5a。輸出變頻器狀態(tài)，控制主電源開斷等；

3 原理特點

    風(fēng)光變頻器采用先進的功率單元串聯(lián)疊波（又稱功率單元多重化結(jié)構(gòu)）方式、正弦波pwm調(diào)制方法，利用成熟的低壓變頻器技術(shù)和功率器件igbt，從原理上保證了系統(tǒng)的可靠性，并使變頻器的輸入輸出波形得到極大改善，在美國該方式變頻器號稱完美無諧波。

    功率單元和控制系統(tǒng)之間采用光纖通訊，實現(xiàn)強、弱電間的完全電氣隔離，提高了整個系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 單元旁路及冗余設(shè)計

    為了最大限度滿足試驗連續(xù)運行的要求，本系統(tǒng)提供兩種旁路運行方式：單元旁路和工頻旁路。

    4.1單元旁路

    運行過程中，若某個功率單元發(fā)生可旁路性故障（如單元過熱、單元過流、igbt故障等），系統(tǒng)將自動旁路掉故障單元及另外兩相相同位置的單元。單元旁路后，因每相串聯(lián)單元數(shù)減少，變頻器將降容運行（輸出額定電流不變，額定電壓降低）。此時，變頻器運行頻率較低，單元旁路不對變頻器運行造成任何影響。

    功率單元采用晶閘管作為旁路器件，整個旁路過程是微秒級的，不會對變頻器的運行產(chǎn)生沖擊。因此，旁路是無擾動的。

    變頻器單元旁路運行時，將給出輕故障報警信號。在條件允許的情況下，用戶應(yīng)盡快使變頻器退出運行，更換故障單元。

    4.2工頻旁路

    當(dāng)變頻器發(fā)生重故障無法繼續(xù)運行時，變頻器將立即分?jǐn)喔邏狠斎?，系統(tǒng)自動將電機投入工頻運行，以確保生產(chǎn)的連續(xù)性。

    從上述幾點可以看到，首先風(fēng)光變頻器是穩(wěn)定可靠的，其次，即便變頻器出現(xiàn)故障，仍可以通過相應(yīng)手段保證電機繼續(xù)運行，不會對生產(chǎn)造成影響。

    5改造后的應(yīng)用效果（1）變頻改造后，對同一臺電機，在同樣的工況下，節(jié)能率達到25%，年節(jié)電收益可達15～16萬元；

    （2）變頻器本身具有軟啟動、軟停機功能，可減少啟動時對電網(wǎng)及負載的沖擊，延長了電機及攪拌機的使用壽命，有利于保護電網(wǎng)及機械部分；

    （3）變頻器可提高功率因數(shù)，達到0.95以上，可省去原來的功率因數(shù)補償電容，節(jié)約了投資，減少了無功損失；

    （4）變頻器是無級平滑的進行調(diào)速，減少了原來的多級調(diào)速帶來的不便，并節(jié)約了電能；

    （5）變頻器具有過壓、欠壓、短路、過流、溫升過高等多種保護功能，有利于保護電機及負載；

    （6）通過變頻改造精簡了控制程序，使系統(tǒng)更安全、可靠，確保負載連續(xù)運行，使操作更加方便，提高了生產(chǎn)效率，其綜合效益是十分明顯的。

    6結(jié)束語通過高壓變頻器在山東中軒集團發(fā)酵罐攪拌機上的應(yīng)用，說明了變頻器在改善生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率，節(jié)能減排降耗方面有著很好的應(yīng)用效果，國家正在大力推廣企業(yè)節(jié)能減排活動，相信變頻器在這方面是會有所作為的，變頻器的應(yīng)用場合必將取得更大的拓展，發(fā)揮更大的作用，為我們國家和眾多的企業(yè)做出貢獻。