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1 引言
　　山西永恒工貿(mào)有限公司始建于1998年，是由原“稷山縣地方國營煉鐵廠”改建而成，屬于私營股份制企業(yè)。現(xiàn)在有450m3煉鐵高爐一座，220m3煉鐵高爐兩座，燒結(jié)機兩臺，JN4340型焦爐一座，水泥生產(chǎn)線一條。年生產(chǎn)生鐵90萬噸。近年來，公司積極響應國家產(chǎn)業(yè)政策，加快技術(shù)進步的同時，積極進行節(jié)能減排，實現(xiàn)廢氣（物）循環(huán)再利用，形成了煤-焦-化和煤-焦-鐵-電（水泥）兩條循環(huán)生產(chǎn)線。
　　永恒工貿(mào)450m3煉鐵高爐風機采用6500kW/10kV三相異步電動機，定子串水電阻方式啟動，啟動時沖擊電流大，持續(xù)時間長。而且受電網(wǎng)容量的限制，在每次啟動時均需將廠內(nèi)其它所有用電設(shè)備停掉，在此臺高爐風機起動后才能起動其他設(shè)備，操作比較麻煩，因此有些時候在設(shè)備檢修不出鐵的時候也是盡量不停高爐風機，且風量調(diào)節(jié)采用風門調(diào)節(jié)，這樣就造成了電能的浪費。由于變頻器具有軟啟動、軟停止功能，啟動電流小，可解決高爐風機啟動時的大問題，再就是變頻器可以節(jié)約電能，因此山西永恒工貿(mào)有限公司廠領(lǐng)導決定實行變頻改造。
2 高爐鼓風機工藝
　　高爐因具有煉鐵技術(shù)經(jīng)濟指標良好，工藝簡單，生產(chǎn)量大，勞動生產(chǎn)效率高，能耗低等優(yōu)點，這種方法生產(chǎn)的鐵占世界鐵總產(chǎn)量的絕大部分。高爐為煉鐵環(huán)節(jié)中最主要的設(shè)備之一，它為橫斷面為圓形的煉鐵豎爐，生產(chǎn)時從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑（石灰石），從位于爐子下部的風口吹入經(jīng)預熱的空氣。在高溫下焦炭中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣，在爐內(nèi)上升過程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵。鐵水從鐵口放出，生成的爐渣，從渣口排出。煤氣從爐頂排出，作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等燃料。
　　高爐鼓風機是高爐最重要的動力設(shè)備之一。高爐冶煉流程如圖1所示，它首先通過空氣過濾器在大氣中收集干凈的空氣，由高爐鼓風機加壓后經(jīng)熱風爐進風口送入熱風爐，再由熱風爐對空氣進行加熱后經(jīng)高爐下部風口吹入，以保證高爐中燃燒的焦炭和噴吹的燃料所需的氧氣，另外還要有一定的風壓克服整個系統(tǒng)和料柱的阻損，并使高爐保持一定的爐頂壓力。現(xiàn)代大、中型高爐所用的鼓風機，大多用三相異步電機驅(qū)動的離心式鼓風機和軸流式鼓風機。鼓風機耗電雖多，但啟動方便，易于維修，投資較少。十分受用戶的青睞。高爐冶煉要求鼓風機能供給一定量的空氣，以保證燃燒一定的碳；其所需風量的大小不僅與爐容成正比，而且與高爐強化程度有關(guān)。一般按單位爐容2.1～2.5m3／min的風量配備。但實際上不少的高爐考慮到生產(chǎn)的發(fā)展，配備的風機能力都大于這一比例。

3高爐鼓風機改造方案
　　高爐鼓風機是高爐生產(chǎn)系統(tǒng)的動力中樞，一旦風機不能正常運行，不但影響生產(chǎn)，而且容易造成重大損失；另外，調(diào)速系統(tǒng)工作的環(huán)境比較惡劣；所以，和高爐風機配套的高壓調(diào)速系統(tǒng)方案應周密細致，經(jīng)過雙方技術(shù)人員的合作，制定了高爐鼓風機的技術(shù)改造方案。
3.1   450m3煉鐵高爐風機及配套電機參數(shù)

3.2高爐變頻改造技術(shù)方案
　　圖2旁路柜中，共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構(gòu)，實現(xiàn)電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。
　　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。
　　故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“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，當變頻器出現(xiàn)故障時，分斷變頻器高壓輸入；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。
4高壓變頻器的制造
4.1 單元級聯(lián)式多電平變頻器
　　6500kW/10kV高壓變頻器采用單元級聯(lián)式多電平方式。因為此種變頻器采用多個功率單元串聯(lián)的方法來實現(xiàn)高壓輸出，所以具有以下優(yōu)點：
　　（1）其輸出通常采用多電平移相式PWM，可以實現(xiàn)較低的輸出電壓諧波，較小的du/dt和共模電壓。

　?。?）輸入通常采用移相隔離變壓器實現(xiàn)多重化整流，以達到抑制輸入諧波的目的。
4.2 雙移相變壓器結(jié)構(gòu)
　　6500kW/10kV高壓變頻器的輸入變壓器采用干式移相變壓器，考慮到如果只做一個變壓器，容量會比較大，體積也會很大，受變頻器的搬運、安裝以及安裝空間所限；且由于變壓器為干式的，散熱處理也比較困難，因此6500kW/10kV高壓變頻器采用雙變壓器結(jié)構(gòu)。每臺變壓器的容量為4000kVA，各自承擔50%功率單元的供電。
4.3 功率單元結(jié)構(gòu)
　　在普通10kV高壓變頻器的設(shè)計上一般采用24功率單元結(jié)構(gòu)，每相8個功率單元，每個單元輸出的功率為整機功率的1/24，由于6500kW/10kV高壓變頻器運行時輸出功率太大，如果采用24功率單元結(jié)構(gòu)，那么單個功率單元內(nèi)要求的濾波電容就會很多，功率單元的體積就會很大，綜合考慮6500kW/10kV高壓變頻器采用30功率單元結(jié)構(gòu)，單元輸入電壓為525V。這樣不僅會使變頻器的高壓輸出更接近于正弦波使輸入諧波更低。而且單個單元承受的電壓更低，更易于控制。
4.4 功率單元的冗余設(shè)計及“星點漂移”
　　（1）30個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，為基本的交 - 直 - 交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管實現(xiàn)三相全波整流，通過對 IGBT 逆變橋進行正弦 PWM 控制。每個功率單元完全一樣，可以互換，這不但調(diào)試、維修方便，而且備份也十分經(jīng)濟。假如一個功率單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動旁路而整機可以正常運行。
　?。?）星點漂移
　　30個功率單元分為3組，每10個單元為一相。在正常情況下，三相輸出A、B、C平衡，中性點即星點在O點。如圖4所示，當A相有一個單元故障時，把星點由O點轉(zhuǎn)移到O1點，而B相和C相經(jīng)過運算，對O1的輸出要與A相一致。使整機的三相輸出依然平衡。此功能稱為“星點漂移”。

　　當出現(xiàn)2個或3個單元故障時，同樣要經(jīng)過復雜的運算使三相平衡?，F(xiàn)最多可做到3個單元故障的星點漂移功能。這種單元的冗余設(shè)計大大的提高了變頻器的穩(wěn)定性。
4.5 6500kW/10kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性設(shè)計
　　為保證6500kW/10kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的高可靠性，在提高系統(tǒng)各組單元的內(nèi)在可靠性和系統(tǒng)抵抗外部故障因素的能力方面，主要采用以下設(shè)計措施：
　?。?）上位操作計算機采用與主控計算機基本相同的軟硬件配置，當主控計算機發(fā)生故障時，可以在不停機的狀態(tài)下，迅速替換，保證系統(tǒng)的可靠性運行。
　　（2）控制系統(tǒng)由主控單元、PLC（西門子S7-200）、主控計算機組成，在主控計算機發(fā)生故障時，系統(tǒng)不停機，確保生產(chǎn)的進行。
　?。?）為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，所有的功率模塊與主控單元之間通過光纖通訊，低壓和高壓部分完全可靠隔離，所有I/O板全部采用了隔離措施，將通道上竄入的干擾源拒絕在系統(tǒng)之外。
　?。?）控制器結(jié)構(gòu)上采用箱體結(jié)構(gòu)，各控制單元板采用FPGA、CPLD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。
　　（5）盡量采用低功耗的CMOS元器件提高系統(tǒng)的溫度適應能力，降低功耗。
　?。?）電源系統(tǒng)完全采用開關(guān)電源技術(shù)，各部分功能單元采用獨立的供電措施，保證在某一部分發(fā)生故障時，其他部分仍能可靠運行。
　?。?）選用各種電阻、電容器及集成電路、隔離器件時，對其耐壓能力留有較大的余量，對集成電路的拉電流、灌電流能力使用，也留有足夠的余量。
　?。?）輸入干式變壓器免維護，可靠性高。
　?。?）多級模塊串聯(lián)，器件工作在低壓狀態(tài)，便于采用成熟技術(shù)，不易發(fā)生故障。
　　軟件可靠性措施：整個軟件開發(fā)過程按正向設(shè)計進行，底層實時控制系統(tǒng)為自行設(shè)計和編寫，確保整個系統(tǒng)中沒有不清楚的部分，資源分配留出很大裕度。整個系統(tǒng)的組成軟件經(jīng)過嚴格測試，窮盡各種故障可能，確保系統(tǒng)不死機，不出故障。對所有接口關(guān)系嚴格定義，且均設(shè)立非法進入和退出處理措施。
5 變頻器的安裝
　　高爐鼓風機作為鋼鐵廠最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，它的停機輕則會導致鐵廠的停產(chǎn)，重則會導致事故發(fā)生，所以必須要保證高爐鼓風機的穩(wěn)定運行。
　　5.1 變頻器的現(xiàn)場散熱處理
　　大功率變頻器作為一個比較大的發(fā)熱源，它運行時的散熱就顯的尤為重要。高爐鼓風機位于高爐附近，周圍的粉塵量比較大，特別是導電性粉塵，所以在選擇變頻器的冷卻方式上只有以下兩種：（1）風冷和空調(diào)配合使用；（2）為液體冷卻（一般為水冷）。
　　由于高壓變頻器中需要冷卻的元器件均為導電體，因此在設(shè)計液體冷卻系統(tǒng)時必須采用間接液體冷卻，這使得冷卻系統(tǒng)的設(shè)計極為復雜，且成本高；又因為液體冷卻系統(tǒng)一處出問題有可能導致整個冷卻系統(tǒng)的癱瘓，所以穩(wěn)定性也低。
　　相反，風冷具有：（1）設(shè)計簡單；（2）可以采用冗余設(shè)計；（3）與空調(diào)冷卻配合使用，可以使變頻器的運行環(huán)境相對封閉，保證變頻器的衛(wèi)生。
　　綜合考慮，我們在6500kW/10kV變頻器的冷卻方式上選擇了風冷，并配合空調(diào)冷卻使用。
　　一臺完整的高壓變頻器分為四部分：旁路柜、變壓器柜、功率單元柜和控制柜。變壓器柜和功率單元柜幾乎占了整機全部的發(fā)熱量。變壓器柜相對于功率單元柜所要求的運行環(huán)境要低的多，而且這么大的變頻器，里面移相變壓器的發(fā)熱量也不小，為了節(jié)省空調(diào)使用數(shù)量，在變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用變壓器柜和功率單元柜分開放置的方法。
　　具體方法為：變壓器柜與功率單元柜中間隔開700mm的距離，變頻器安裝完成后中間采用隔熱材料隔開，這樣就使得一臺變頻器放在兩間房子里了。變壓器柜與旁路柜在一起并采用強迫風冷，然后再在變壓器柜頂安裝風道，收集變壓器的產(chǎn)熱直接排到安裝環(huán)境之外；功率單元柜與控制柜在一起安裝在一個相對獨立且封閉的房間里，也采用強迫風冷，并在房間內(nèi)安裝空調(diào)來降低環(huán)境溫度，保證功率單元柜及控制柜的運行環(huán)境。
　　安裝空調(diào)時為了保證變頻器的安全運行要求空調(diào)有足夠的制冷量且有余量。因為沒有變壓器的熱量，所以按照變頻器額定功率3%的發(fā)熱量來設(shè)計空調(diào)：
　　6500×0.03=195（kW）
　　現(xiàn)場實際安裝空調(diào)數(shù)量為8臺制冷量為24kW的空調(diào)，單臺空調(diào)是獨立的，這樣保證單臺空調(diào)出現(xiàn)問題是不會影響機器的運行。
　　實際運行情況為在夏天天氣最熱的幾天里，同時7臺空調(diào)運行，就能把環(huán)境溫度控制在27℃左右。
　　5.2上位機控制
　　因為高爐鼓風機壓力操作比較頻繁且精度要求比較高，綜合考慮后變頻器控制方式采
　　用上位機控制，采用RS-485網(wǎng)絡與變頻器通訊。上位機控制方式控制變頻器的運行頻率比模擬量控制更準確，使高爐壓力的調(diào)節(jié)更加精確，做到高爐壓力完全無波動調(diào)節(jié)，且能實時記錄變頻器的運行數(shù)據(jù)并保存以供需要時查詢。進一步保證高爐的穩(wěn)定運行。
　　5.3 故障自復位
　　為了在變頻器故障時能最大限度的減少損失，變頻器增加了故障自復位功能，在變頻器不斷高壓電的情況下，通過軟件或故障復位按鈕設(shè)置能讓變頻器故障自復位。這可以使變頻器出現(xiàn)故障后以最快的速度再次投入運行。
6變頻器的使用效果
　　6500kW/10kV高壓變頻器在山西永恒工貿(mào)高爐鼓風機正式投產(chǎn)日期為2010年5月5日，至本文完成時已安全無故障運行半年有余。高爐鼓風機變頻改造后顯示出以下優(yōu)點：
6.1節(jié)電效果明顯
　　在變頻器沒有安裝以前高壓電機采用定子串水電阻啟動，風壓通過風門調(diào)節(jié)。這樣電機始終運行在額定狀態(tài)，變頻器安裝以后風門全開，風壓通過調(diào)節(jié)變頻器頻率實現(xiàn)。實現(xiàn)了節(jié)電的目的，下面對節(jié)電量作定量分析。

　　定量計算：電價按0.45元計算，一年運行時間按330天。
　　電機工頻年耗電量：
　　W工=1.732×10×366×0.9×24×330
　　=45185247.36（度）
　　變頻器耗電量：
　　W變=1.732×10×270×0.95×24×330
　　=35185233.6（度）
　　空調(diào)最大耗電量：
　　W空=1.732×380×17.5×0.85÷1000×7×24×330
　　=542764.807（度）
　　年節(jié)省費用：
　　F= （W工－W變－W空） ×0.45
　　=（45185247.36－35185233.6－542764.807） ×0.45
　　=9457248.953×0.45
　　=4255762（元）
　　綜上所述，變頻改造后，節(jié)能效果是非常顯著的。
6.2 變頻器軟啟動功能解決鼓風機啟動問題
　　永恒工貿(mào)一共有三個廠區(qū)：鐵廠，燒結(jié)車間和鋼廠。三個廠區(qū)公用一個變壓器，變壓器容量為25000kVA。而6500kW/10kV高爐鼓風機使用定子串水電阻方式啟動，啟動時沖擊電流大，持續(xù)時間長，這使得在鐵廠高爐鼓風機啟動時必須讓燒結(jié)車間與鋼廠停止生產(chǎn)，把所有的大型用電設(shè)備停掉，然后才能啟動。這樣麻煩的啟動方式致使在設(shè)備檢修不出鐵時也盡量不讓高爐鼓風機停止，這不僅讓機器的檢修不方便也無形中造成了大量電能的浪費。
　　用上變頻器以后，變頻器帶動電機從0.5Hz軟啟動，啟動電流不超過額定電流，不僅讓高爐鼓風機開停機極為方便，也節(jié)約了電能；還減小了啟動時對電機、風機及整個高爐系統(tǒng)的沖擊。
6.3 減小電機振動及噪音
　　6500kW電機因功率大，運行時噪音污染特別嚴重。但是高爐鼓風機作為重要環(huán)節(jié)必須24小時有人監(jiān)護，這種環(huán)境勢必要給工人的身心健康造成嚴重傷害。最大限度的減小電機、風機的振動，不但能改善監(jiān)護人員的工作環(huán)境，還能延長設(shè)備壽命，減少設(shè)備故障率及維護、維修費用。
　　下面表5是用變頻前后高壓電機軸振動幅值：

　　由以上數(shù)據(jù)可知，使用變頻器可有效減少設(shè)備振動，從而降低噪音，減少設(shè)備維護費用。
6.4變頻器的其他優(yōu)點
　?。?）飛車啟動功能：能夠識別電機的速度并在電機不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。
　　（2）矢量控制技術(shù)和載波移相控制技術(shù)：采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準。
　?。?）旋轉(zhuǎn)中再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電三十秒鐘內(nèi)恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
　?。?）運行過程中外部頻率給定信號出現(xiàn)故障（短路或開路），整機維持故障前的運行頻率不變，給出報警信號。
　?。?）參數(shù)自整定功能：無須手動設(shè)置，自識別電機參數(shù)，適配于普通異步電機。
　　（6）整機旁路功能：在變頻器整機出現(xiàn)故障時，變頻器能提供工頻旁路，讓系統(tǒng)繼續(xù)運行。
7 結(jié)束語
　　高爐鼓風機經(jīng)過變頻改造后，不僅達到了良好的節(jié)能效果，并且使整套高爐系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了一個臺階。這是國內(nèi)為數(shù)不多的超大功率高壓變頻器在高爐風機上的應用，改造是極為成功的，也說明了國產(chǎn)高壓變頻器已經(jīng)擁有了生產(chǎn)超大功率高壓變頻器的技術(shù)。
　　隨著國家對節(jié)能減排工作的越來越重視，企業(yè)通過各種措施降低生產(chǎn)成本，其中變頻技術(shù)起到了關(guān)鍵作用，取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，適應了國家建設(shè)資源節(jié)約型社會的潮流。