微能8000kW/10kV超大容量变频器在炼铁高炉鼓风机改造上的应用

1 引言
    深圳市微能科技有限公司始终致力于变频器的技术创新和发展为己任，在过去的5年时间先后在低压变频器、高压变频器的大功率高性能的发展与应用方面作出了突出贡献，本文介绍的就是大容量高压变频器的原理与在钢铁工业中的应用情况。

2  我国钢铁行业现状
    在国民经济发展强劲拉动下，我国钢铁工业进入快速发展阶段，这也带动了高炉炼铁产业的高速发展。我国炼铁产业的现状是集中度低，高炉座数多(约有900多座)，大于1000 m³以上高炉约有110座。
    高风温是现代高炉的主要技术特征。提高风温是增加喷煤量、降低焦比、降低生产成本的主要技术措施。近几年，国内钢铁企业高炉的热风温度逐年升高了25℃，特别是新建设的一批大高炉（大于2000m3），热风温度均超过1200℃，达到了国际先进水平，如2002年后，首钢技术改造或新建高炉的热风温度均实现高于1200℃的目标。还有就是通过对风量、风压、鼓风湿度、富氧率、喷吹燃料 、风口面积和长度等参数的调节，来达到提高产量及高炉的利用系数目的，这就需要对送风制度进行更好的优化。因此对驱动高炉鼓风机的电机转速要满足调速范围宽度大，响应迅速的要求，显然通过传统的风门调节时无法实现的上述要求的。国产高压变频器的研发设计水平的提高和制造技术的成熟，使优化高炉鼓风机的送风制度成为了可能。
2.1 现代高炉炼铁工艺简介
    炼铁过程实质上是将铁从自然状态矿石等含铁化合物中还原出来的过程。通常分为烧结和炼铁两段工序。烧结：就是把铁矿粉造块，为高炉提供精料的一种方法，是利用铁矿粉、熔剂、燃料及返矿按一定比例制成块状冶炼原料的一个过程；炼铁：炼铁过程主要目的就是从铁矿石中经济高效地得到温度和成分合乎要求的液态生铁。
2.2高炉鼓风机的工艺简介
    高炉鼓风机是高炉炼铁过程中最重要的动力设备，它不但直接提供高炉冶炼所需的氧气，而且提供克服高炉料柱阻力所需的气体动力。现代大、中型高炉所用的鼓风机，大多选用离心式鼓风机或轴流式鼓风机，近年来也有逐步使用大容量同步电动驱动鼓风机的趋势。高炉冶炼要求鼓风机能供给一定量的稳定空气，以保证高炉燃烧一定的碳；其所需风量的大小不仅与炉容成正比，而且与高炉强化程度有关，一般按单位炉容2.1～2.5m3／min的风量配备。但实际上不少的高炉考虑到生产的发展，配备的风机能力都大于这一比例，因此一般采用入口风门、出口放风阀进行风量、风压控制，以防止风机的喘振。其工艺流程图如图1所示。 

图1 鼓风机工艺流程图

    高炉鼓风机由于风门的损耗，风机的效率低、电能损耗大，因此采用高压变频器改造的节能空间巨大。但是由于高炉鼓风机作为高炉生产的最关键设备，不仅电动机功率容量大，且需保证连续运行。如在高炉生产过程中鼓风机发生故障特别是在出铁水时，将造成灌渣事故，导致高炉堵炉、停产、焦比上升，造成巨大的经济损失，因此目前国内冶金行业生产厂家对高炉鼓风机进行高压变频改造的案例极少，主要原因是用户对目前高压变频器的运行可靠性存在疑虑。
    深圳市微能科技有限公司积聚二十余年的变频器设计、生产经验，基于对电机控制理论的透彻了解，电力电子和微电子技术的纯熟掌握，微处理技术的融会贯通，独立开发了具有自主知识产权的超大容量高压变频器，率先打破了国产高压超大容量高压变频调速系统的设计、生产记录。微能公司研发技术人员与甲方生产工艺及技术人员一道，本着高度负责任的原则，实事求是，精诚合作，多次深入现场生产一线调查，获得了生产过程的详实数据。以保障用户安全生产为前提的指导思想，制订了双方认可的周到、全方位故障处理备份方案；微能公司的规模化的生产制造，严密的质量控制体系，大量稳定可靠的冶金行业运行业绩，获得了甲方的认可和信任，进一步坚定了用户的改造决心。用户决定对该厂的2＃炼铁高炉鼓风机进行了高压变频调速改造，以达到降低生产成本，改善生产工艺的目地。

3   微能WIN-HV系列高压变频调速系统技术介绍
3.1 WIN-HV系列高压变频调速系统原理与结构介绍
3.1.1 系统原理
    如图2所示，WIN-HV系列高压变频调速系统采用多个功率单元串联的形式。对于10kV系统，每相9单元串联（6kV系统每相6个单元串联），每个功率单元输出交流有效值Vo为640V，相电压为5760V，线电压为10000V。

 
图2 电压叠加形成高压输出原理

3.1.2  功率单元结构
    如图3所示，功率单元主要由三相桥式整流桥、滤波电容器、IGBT逆变桥构成，以及功率器件的驱动、保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，如图4所示的输出PWM电压波形。每个电流大小相同的功率单元在结构及电气性能上完全一致，可以互换。

                              图3  功率单元电路结构                              图4  单元输出PWM波形
3.1.3 输入侧
    WIN-HV系列高压变频调速系统在10kV电源侧采用多达54脉冲移相整流技术，电网侧谐波污染小，功率因数高，无需功率因数补偿及谐波抑制装置，对同一电网上用电的其它电气设备不产生谐波干扰。
3.1.4 输出侧
    在输出侧由每个单元的L1、L2输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，由于采用多重化的正弦脉宽调制SPWM技术，输出谐波非常小，可消除叶片与轴承的振动，无需谐波抑制装置可直接适配各种电机。
3.1.5 控制器
    主控制部分采用专用DSP(数字信号处理器)加可编程逻辑器件为控制核心，实现SPWM波形控制及各种信号的检测、分析判断和处理。控制器由中文显示，具有频率、电流、电压、故障等显示。控制电源采用两路电源自动切换技术，保证供电的可靠性。另外，当控制电源掉电后，可由系统配备的UPS继续供电。
    主控制部分和单元控制部分通过光纤进行信号传输，可有效避免电磁干扰，增强系统的可靠性。
3.2 WIN-HV系列高压变频调速系统功能
3.2.1 启动方式
    WIN-HV系列高压变频调速系统具有正常启动和软起动两种启动方式：正常启动方式：调速系统按正常方式启动后，闭环或开环运行于设定值。
    软启动方式：对于大功率电机，采用此调速系统对电机进行无冲击电流启动，启动完成后电机切换至工频电源，完成电机的软启动。
3.2.2 运行方式
    闭环控制：检测回路获得被控制量的实际值，与设定值比较，得到偏差信号。偏差信号经过PID调节来控制电机转速，调节被控制量，使之与设定值一致。
    开环控制：选择开环控制，频率控制信号由频率设定方式给定，输出按照负载特性设定的几种压频比曲线方式控制电机运行。
3.2.3  频率设定功能
    运行频率设定方式包括：工控机LCD触摸屏数字设定、外部4～20mA、0～20mA或0～10V、0～5V模拟信号输入给定、开关量频率上升/下降给定、上位机给定多种给定方式，满足与现场DCS系统的所有信号类型的连接需求。
3.2.4  控制方式
    本地控制：利用系统工控机触摸屏上的按钮实现就地控制。
    远方控制：系统提供数字和RS-485通讯接口，由DCS或上位机实现控制。
3.2.5 参数设定功能
    可以设定转矩提升、U/f加速曲线以适应不同的负载情况,可以设定多达2个共振频率躲避区域,可以按现场情况需要设定电