摘要：本文介紹了風(fēng)光牌高壓變頻器在煙臺(tái)恒源生物工程有限公司鼓風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用情況，對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵字：高壓變頻器 鼓風(fēng)機(jī) 應(yīng)用

1引言

煙臺(tái)恒源生物股份有限公司，是國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)，現(xiàn)任中國(guó)生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)理事單位，依托國(guó)內(nèi)重點(diǎn)科研院所、大學(xué)，綜合運(yùn)用生物技術(shù)、精細(xì)化工技術(shù)，擁有先進(jìn)的生產(chǎn)工藝設(shè)備和檢測(cè)技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到美國(guó)食品化學(xué)品法典FCCIV的要求，取得了ISO9000認(rèn)證、ISO14000環(huán)境管理體系認(rèn)證、ISO18000職業(yè)健康安全管理體系、OUKOSHER認(rèn)證、HALAL認(rèn)證、HACCP認(rèn)證及飼料添加劑生產(chǎn)許可證。目前主導(dǎo)產(chǎn)品有：富馬酸、L-天門冬氨酸、L-丙氨酸（工業(yè)級(jí)）、L-丙氨酸（醫(yī)藥食品級(jí)）以滿足國(guó)內(nèi)外不同行業(yè)客戶的需求。

公司有1期和2期兩套生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力一萬(wàn)噸，生產(chǎn)過程中需要的空氣中的氧氣由鼓風(fēng)機(jī)提供。因此，鼓風(fēng)機(jī)是消耗電能的主要負(fù)載。所以為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電過程中電能的合理節(jié)約，希望可以將1期鼓風(fēng)機(jī)通過變頻裝置進(jìn)行節(jié)能拖動(dòng)。

2離心式鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)介

2.1電機(jī)及引風(fēng)機(jī)的參數(shù)

2.2鼓風(fēng)機(jī)工藝要求

生產(chǎn)過程中需要的空氣中的氧氣由鼓風(fēng)機(jī)提供。因此，鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量直接影響到生產(chǎn)工藝參數(shù)。所以該鼓風(fēng)機(jī)是生產(chǎn)工藝中重要的組成部件。

所以，一方面生產(chǎn)工藝要求變頻器必須安全可靠運(yùn)行穩(wěn)定，連續(xù)不間斷正常運(yùn)行；操作簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程DCS控制；頻率可調(diào)度2-50Hz；適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)；保護(hù)功能完善；要求節(jié)能效果明顯。另一方面，負(fù)載為離心式鼓風(fēng)機(jī)，要求變頻器啟動(dòng)和停止時(shí)能適應(yīng)離心式風(fēng)機(jī)的較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，減小對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，對(duì)電機(jī)有必要的保護(hù)，有助于延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)外各種高壓變頻器調(diào)研、比較，最后以招標(biāo)方式選擇了新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37-500F型（500kW/6kV）高壓變頻器作為鼓風(fēng)機(jī)的控制設(shè)備。

3新風(fēng)光JD-BP37-500F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

3.1高壓變頻器系統(tǒng)的原理

3.1.l系統(tǒng)組成

圖1高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)光牌高壓變頻器為高--高電壓源型模式，由移相變壓器，功率單元和控制器組成。前端由一個(gè)多繞組的隔離移相變壓器供電，功率單元每相采用低壓功率單元串接組成。輸入諧波均能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓和電流失真的要求?？刂破鞑糠忠愿咚傥⑻幚砥鲗?shí)現(xiàn)控制以及與子微處理器間進(jìn)行通信。風(fēng)光高壓變頻器采用模塊化設(shè)計(jì)，互換性好、維修簡(jiǎn)單，噪音低，諧波含量小，不會(huì)引起電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)電機(jī)沒有特殊要求。

3.1.2功率單元電路

其電路結(jié)構(gòu)如圖2示，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為六支二極管實(shí)現(xiàn)三相全波整流。逆變側(cè)通過對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制實(shí)現(xiàn)逆變。假如某一單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動(dòng)通過軟件控制IGBT旁路而整機(jī)可以降額工作，但不影響運(yùn)行，每個(gè)功率單元完全一樣，可以互換，這不但調(diào)試、維修方便，而且備份也十分經(jīng)濟(jì)。

圖2單元電路主電路圖

3.1.3輸入側(cè)結(jié)構(gòu)

變頻器輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)功率單元供電，每個(gè)單元在變壓器上都有自己獨(dú)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(shí)現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。

本機(jī)中移相變壓器的副邊繞組分為三組，采用多脈沖整流方式。這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實(shí)測(cè)輸入電流總諧波成分小于2%。另外，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。

3.1.4輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

輸出側(cè)由每個(gè)單元的兩個(gè)輸出端子相互串接而成，三相星型接法輸出給電機(jī)供電。通過對(duì)每個(gè)單元的SPWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖3所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。

圖3變頻器輸出的相電壓階梯PWM波形圖

3.1.5控制器

控制器核心由高速DSP運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。人機(jī)界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破饔糜诠耋w內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。控制器及各控制單元板中采用DSP和FPGA等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。

控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分實(shí)現(xiàn)真正意義的電氣隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性和可靠性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾能力。

3.1.6控制電源

采用三次諧波補(bǔ)償技術(shù)提高了電源電壓利用率，利用了調(diào)制信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)，使電壓利用率近似于1。系統(tǒng)采用了先進(jìn)的載波移相技術(shù)，它的特點(diǎn)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。多個(gè)單元迭加后的理論輸出波形如圖4所示。

圖4單元輸出迭加后的波形

注：1、對(duì)高壓變頻器而言，輸入電流諧波和輸出電壓諧波是關(guān)鍵指標(biāo)，這兩項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)國(guó)家權(quán)威部門的檢測(cè)，均達(dá)到國(guó)標(biāo)GB/14549-93和國(guó)際IEEEStd519-1992的標(biāo)準(zhǔn)。

2、6kV高壓變頻器，國(guó)家權(quán)威部門的檢測(cè)共有17項(xiàng)，全部合格。

3.2風(fēng)光高壓變頻器特殊功能

具體來(lái)說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外，還具有以下特殊特點(diǎn)：

3.2.1中性點(diǎn)漂移功能

單元旁路功能可自動(dòng)、快速地切除出現(xiàn)故障單元而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行或降額運(yùn)行。正常工作時(shí)，三相單元以Y型方式進(jìn)行連接，每相相差120°。若某相中有個(gè)單元出現(xiàn)過流或過壓故障，系統(tǒng)將會(huì)在最短時(shí)間內(nèi)將該單元旁路，為了滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝需要，不立即停機(jī)，采用中性點(diǎn)偏移技術(shù)進(jìn)行處理，通過調(diào)節(jié)三相輸出電壓的之間的相位(不再是120°），保證輸出線電壓仍保持三相對(duì)稱（VAC=VCB=VBA)。電機(jī)能正常運(yùn)行，同時(shí)最大程度提高了電壓利用率。該技術(shù)使單元串聯(lián)多電平變頻器的可靠性得到很大提高。

圖5星點(diǎn)漂移波形

3.2.2瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能

該功能主要應(yīng)用于主電源發(fā)生短時(shí)失電或欠壓以及現(xiàn)場(chǎng)兩路主電源互相切換時(shí)，保證變頻器不停機(jī)，當(dāng)電源恢復(fù)后重新投入工作的功能。

該功能能夠滿足主電源3-10秒的欠壓或失電（該值可以進(jìn)行設(shè)置）

原理：當(dāng)主電源失電后，變頻器控制電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，為單元電容充電，并為單元控制電源供電，變頻器進(jìn)入瞬停狀態(tài)；直至主電源恢復(fù)，變頻器用適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率重新帶動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)回到失電前的運(yùn)行狀態(tài)。瞬時(shí)停電時(shí)間典型值為3秒（具體時(shí)間可以根據(jù)用戶的系統(tǒng)而定），超過3秒變頻器則保護(hù)，檢查停電原因，以免變頻繼續(xù)運(yùn)行而引起事故。具體實(shí)現(xiàn)該功能的電路如圖6所示，瞬時(shí)停電再啟動(dòng)波形如圖7所示。

圖6瞬時(shí)停電再啟動(dòng)電路圖

圖7瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能波形

3.2.3“飛車啟動(dòng)”功能

在高壓變頻器的應(yīng)用中，有許多場(chǎng)合都要用到“飛車啟動(dòng)”功能。“飛車啟動(dòng)”通俗講，也就是轉(zhuǎn)速跟蹤。也就是說對(duì)旋轉(zhuǎn)中的電機(jī)實(shí)施再啟動(dòng)。如下面幾種場(chǎng)合就要用到此功能：

(1)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較小的場(chǎng)合。典型負(fù)載如風(fēng)機(jī)，它的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣性比較小，輕微的自然風(fēng)就可能使其自然旋轉(zhuǎn)，而對(duì)于無(wú)此功能的變頻器，在投入運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)過流保護(hù)，必須等待電機(jī)完全靜止后才能再啟動(dòng)，而這勢(shì)必會(huì)耽誤調(diào)試或生產(chǎn)時(shí)間。

(2)對(duì)于一個(gè)風(fēng)道采用兩個(gè)風(fēng)機(jī)引風(fēng)的場(chǎng)合，在停止一臺(tái)風(fēng)機(jī)時(shí)，另一臺(tái)也會(huì)拖動(dòng)停止的風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，要想停下勢(shì)必要兩臺(tái)風(fēng)機(jī)都停下，這樣就比較麻煩。

(3)對(duì)于一拖多的場(chǎng)合，當(dāng)然這種場(chǎng)合可能較少，有時(shí)會(huì)用到變頻轉(zhuǎn)工頻、工頻轉(zhuǎn)變頻的場(chǎng)合，也需要檢測(cè)轉(zhuǎn)速，實(shí)施跟蹤控制。

高壓變頻器的“飛車啟動(dòng)”是否成功關(guān)鍵是輸出和轉(zhuǎn)子速度（頻率）相同的頻率。而電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率是隨機(jī)的，為此必須進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的搜索，即“飛車啟動(dòng)”開始先搜索電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，搜索到電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后，變頻器再按搜索到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來(lái)輸出頻率。這樣，既不會(huì)出現(xiàn)過流也不會(huì)出現(xiàn)電容電壓泵升過壓的現(xiàn)象。

3.2.4無(wú)擾并網(wǎng)

該功能主要實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)軟啟動(dòng)的功能。主要采用電壓互感器檢測(cè)，應(yīng)用鎖相環(huán)技術(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓、變頻器輸出電壓進(jìn)行頻率、相位的精確跟隨，精度高，相應(yīng)快，使變頻器輸出電壓與工頻電網(wǎng)電壓同頻、同相時(shí)將電動(dòng)機(jī)以最小電流切換至工頻電源。并網(wǎng)時(shí)，對(duì)電動(dòng)機(jī)基本無(wú)沖擊，切換電流不超過額定電流的1.5倍，能夠完全滿足大功率電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)要求。無(wú)擾并網(wǎng)電路如圖8所示。

圖8無(wú)擾并網(wǎng)電路圖

3.2.5“工/變頻”自動(dòng)切換功能

該功能主要是實(shí)現(xiàn)當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)將電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，或者變頻器具備運(yùn)行條件后，又可自動(dòng)使電機(jī)從工頻狀態(tài)自動(dòng)切換到變頻狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)該功能，要求變頻器的控制方式具備自動(dòng)切換功能。

（1）變頻自動(dòng)切換工頻：變頻器正常運(yùn)行時(shí)，變頻側(cè)開關(guān)為閉合，工頻側(cè)接觸器為斷開狀態(tài)。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或現(xiàn)場(chǎng)DCS給出“轉(zhuǎn)工頻”信號(hào)時(shí)，變頻側(cè)開關(guān)自動(dòng)斷開，2秒后工頻側(cè)接觸器吸合，電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行。

（2）工頻自動(dòng)切換變頻：該功能主要由“飛車啟動(dòng)”功能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)DCS給出“變頻轉(zhuǎn)工頻”信號(hào)，首先對(duì)單元電解電容進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)變頻器具備轉(zhuǎn)換條件時(shí)，工頻側(cè)接觸器斷開，電機(jī)處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)變頻器自動(dòng)搜索電機(jī)的運(yùn)行頻率，使變頻器以適當(dāng)?shù)念l率切換拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，完成電機(jī)由工頻轉(zhuǎn)為變頻運(yùn)行。飛車啟動(dòng)波形如圖9所示。

圖9飛車啟動(dòng)波形

4變頻控制方案

為防止變頻器檢修或故障對(duì)生產(chǎn)的影響，本次采用的JD-BP37-500F型高壓變頻器采用“一拖一”控制方式，配置手動(dòng)工頻旁路，主回路接線如圖10所示。

圖10手動(dòng)旁路柜主回路

手動(dòng)旁路中，共有3個(gè)高壓隔離開關(guān)K1、K2、K3，當(dāng)K1、K2閉合，K3斷開時(shí)，6kV電源經(jīng)隔離刀閘K1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)K2送至電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行；一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，可斷開隔離刀閘K1、K2，合上K3，在工頻電源下啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。隔離刀閘K1、K2、K3之間具有閉鎖和防止誤操作功能。

高壓變頻器和上級(jí)進(jìn)線開關(guān)柜設(shè)置連鎖，當(dāng)上級(jí)進(jìn)線開關(guān)柜斷路器處于合閘位置時(shí)，絕不允許操作變頻器旁路高壓隔離開關(guān)，以防出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作的安全性，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重的故障時(shí)，及時(shí)跳開上級(jí)開關(guān)柜斷路器保護(hù)高壓變頻器和電機(jī)。

利用原有DCS控制系統(tǒng)的預(yù)留點(diǎn)，將高壓變頻器有關(guān)信號(hào)接入原有DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)方/就地控制功能。當(dāng)高壓變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，將故障信息發(fā)送給DCS，以便于及時(shí)排除故障。

5節(jié)能效益

本項(xiàng)目排粉風(fēng)機(jī)變頻改造項(xiàng)目于2009年8月12日正式投入運(yùn)行，至今運(yùn)行正常6年多，除了正常的維護(hù)停機(jī)外，高壓變頻器均正常工作，保障了生產(chǎn)正常進(jìn)行，得到了用戶高度贊譽(yù)。變頻器根據(jù)生產(chǎn)工藝需要對(duì)鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)的變負(fù)荷調(diào)節(jié)，降低了電流。電廠節(jié)能服務(wù)中心對(duì)鼓風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)參數(shù)實(shí)際測(cè)量如表2、表3所示。

工頻運(yùn)行1周記錄

變頻運(yùn)行1周記錄

由上表格的工頻運(yùn)行6天與變頻運(yùn)行6天的運(yùn)行記錄的對(duì)比可以明顯的看出，使用變頻器后，日消耗電量有了明顯的減少。數(shù)據(jù)顯示了變頻改造后鼓風(fēng)機(jī)有明顯的節(jié)能效益。

6結(jié)束語(yǔ)

在風(fēng)機(jī)泵類上應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅節(jié)能效果明顯，而且提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著我國(guó)“十二五”對(duì)節(jié)能減排工作的日益重視，變頻器用于各個(gè)行業(yè)的風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備節(jié)電效果顯著，而且性能穩(wěn)定、可靠性高，具有重要的推廣意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]新風(fēng)光電子使用手冊(cè)[Z].新風(fēng)光電子公司。

[2]新風(fēng)光電子JD-BP37-500F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試大綱。

作者簡(jiǎn)介：

陳勇，男，中級(jí)工程師，供職于汶上縣人力資源和社會(huì)保障局。