摘要：本文介紹了風光牌高壓變頻器在煙臺恒源生物工程有限公司鼓風機上的應用情況，對節(jié)能效果進行了分析。

關(guān)鍵字：高壓變頻器 鼓風機 應用

1引言

煙臺恒源生物股份有限公司，是國家高新技術(shù)企業(yè)，現(xiàn)任中國生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會理事單位，依托國內(nèi)重點科研院所、大學，綜合運用生物技術(shù)、精細化工技術(shù)，擁有先進的生產(chǎn)工藝設備和檢測技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量達到美國食品化學品法典FCCIV的要求，取得了ISO9000認證、ISO14000環(huán)境管理體系認證、ISO18000職業(yè)健康安全管理體系、OUKOSHER認證、HALAL認證、HACCP認證及飼料添加劑生產(chǎn)許可證。目前主導產(chǎn)品有：富馬酸、L-天門冬氨酸、L-丙氨酸（工業(yè)級）、L-丙氨酸（醫(yī)藥食品級）以滿足國內(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)能力一萬噸，生產(chǎn)過程中需要的空氣中的氧氣由鼓風機提供。因此，鼓風機是消耗電能的主要負載。所以為了實現(xiàn)發(fā)電過程中電能的合理節(jié)約，希望可以將1期鼓風機通過變頻裝置進行節(jié)能拖動。

2離心式鼓風機設備簡介

2.1電機及引風機的參數(shù)

2.2鼓風機工藝要求

生產(chǎn)過程中需要的空氣中的氧氣由鼓風機提供。因此，鼓風機的風量直接影響到生產(chǎn)工藝參數(shù)。所以該鼓風機是生產(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行穩(wěn)定，連續(xù)不間斷正常運行；操作簡單，可以實現(xiàn)遠程DCS控制；頻率可調(diào)度2-50Hz；適應電網(wǎng)電壓波動能力強；保護功能完善；要求節(jié)能效果明顯。另一方面，負載為離心式鼓風機，要求變頻器啟動和停止時能適應離心式風機的較大的轉(zhuǎn)動慣性，減小對電網(wǎng)電壓的影響，對電機有必要的保護，有助于延長電機的使用壽命。

經(jīng)過對國內(nèi)外各種高壓變頻器調(diào)研、比較，最后以招標方式選擇了新風光電子公司生產(chǎn)的風光牌JD-BP37-500F型（500kW/6kV）高壓變頻器作為鼓風機的控制設備。

3新風光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家標準對電壓和電流失真的要求?？刂破鞑糠忠愿咚傥⑻幚砥鲗崿F(xiàn)控制以及與子微處理器間進行通信。風光高壓變頻器采用模塊化設計，互換性好、維修簡單，噪音低，諧波含量小，不會引起電機的轉(zhuǎn)矩脈動，對電機沒有特殊要求。

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)為六支二極管實現(xiàn)三相全波整流。逆變側(cè)通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制實現(xiàn)逆變。假如某一單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動通過軟件控制IGBT旁路而整機可以降額工作，但不影響運行，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。

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功率單元供電，每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，采用多脈沖整流方式。這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實測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立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，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)由每個單元的兩個輸出端子相互串接而成，三相星型接法輸出給電機供電。通過對每個單元的SPWM波形進行重組，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運算來實現(xiàn)，精心設計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。人機界面提供友好的全中文監(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?？刂破饔糜诠耋w內(nèi)開關(guān)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)，增強了系統(tǒng)的靈活性?？刂破骷案骺刂茊卧逯胁捎肈SP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

采用三次諧波補償技術(shù)提高了電源電壓利用率，利用了調(diào)制信號預畸變技術(shù)，使電壓利用率近似于1。系統(tǒng)采用了先進的載波移相技術(shù)，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。多個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，這兩項指標經(jīng)國家權(quán)威部門的檢測，均達到國標GB/14549-93和國際IEEEStd519-1992的標準。

2、6kV高壓變頻器，國家權(quán)威部門的檢測共有17項，全部合格。

3.2風光高壓變頻器特殊功能

具體來說，風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：

3.2.1中性點漂移功能

單元旁路功能可自動、快速地切除出現(xiàn)故障單元而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運行或降額運行。正常工作時，三相單元以Y型方式進行連接，每相相差120°。若某相中有個單元出現(xiàn)過流或過壓故障，系統(tǒng)將會在最短時間內(nèi)將該單元旁路，為了滿足現(xiàn)場工藝需要，不立即停機，采用中性點偏移技術(shù)進行處理，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稱（VAC=VCB=VBA)。電機能正常運行，同時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星點漂移波形

3.2.2瞬時停電再啟動功能

該功能主要應用于主電源發(fā)生短時失電或欠壓以及現(xiàn)場兩路主電源互相切換時，保證變頻器不停機，當電源恢復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（該值可以進行設置）

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

圖6瞬時停電再啟動電路圖

圖7瞬時停電再啟動功能波形

3.2.3“飛車啟動”功能

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

(1)轉(zhuǎn)動慣量比較小的場合。典型負載如風機，它的機械轉(zhuǎn)動慣性比較小，輕微的自然風就可能使其自然旋轉(zhuǎn)，而對于無此功能的變頻器，在投入運行時，可能會出現(xiàn)過流保護，必須等待電機完全靜止后才能再啟動，而這勢必會耽誤調(diào)試或生產(chǎn)時間。

(2)對于一個風道采用兩個風機引風的場合，在停止一臺風機時，另一臺也會拖動停止的風機旋轉(zhuǎn)，要想停下勢必要兩臺風機都停下，這樣就比較麻煩。

(3)對于一拖多的場合，當然這種場合可能較少，有時會用到變頻轉(zhuǎn)工頻、工頻轉(zhuǎn)變頻的場合，也需要檢測轉(zhuǎn)速，實施跟蹤控制。

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

3.2.4無擾并網(wǎng)

該功能主要實現(xiàn)大功率電機軟啟動的功能。主要采用電壓互感器檢測，應用鎖相環(huán)技術(shù)，實時對電網(wǎng)電壓、變頻器輸出電壓進行頻率、相位的精確跟隨，精度高，相應快，使變頻器輸出電壓與工頻電網(wǎng)電壓同頻、同相時將電動機以最小電流切換至工頻電源。并網(wǎng)時，對電動機基本無沖擊，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機的軟啟動要求。無擾并網(wǎng)電路如圖8所示。

圖8無擾并網(wǎng)電路圖

3.2.5“工/變頻”自動切換功能

該功能主要是實現(xiàn)當變頻器出現(xiàn)故障時，自動將電機切換到工頻運行，或者變頻器具備運行條件后，又可自動使電機從工頻狀態(tài)自動切換到變頻狀態(tài)。實現(xiàn)該功能，要求變頻器的控制方式具備自動切換功能。

（1）變頻自動切換工頻：變頻器正常運行時，變頻側(cè)開關(guān)為閉合，工頻側(cè)接觸器為斷開狀態(tài)。當變頻器出現(xiàn)故障或現(xiàn)場DCS給出“轉(zhuǎn)工頻”信號時，變頻側(cè)開關(guān)自動斷開，2秒后工頻側(cè)接觸器吸合，電機由變頻轉(zhuǎn)為工頻運行。

（2）工頻自動切換變頻：該功能主要由“飛車啟動”功能實現(xiàn)。當DCS給出“變頻轉(zhuǎn)工頻”信號，首先對單元電解電容進行預充電，當變頻器具備轉(zhuǎn)換條件時，工頻側(cè)接觸器斷開，電機處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時變頻器自動搜索電機的運行頻率，使變頻器以適當?shù)念l率切換拖動電機運行，完成電機由工頻轉(zhuǎn)為變頻運行。飛車啟動波形如圖9所示。

圖9飛車啟動波形

4變頻控制方案

為防止變頻器檢修或故障對生產(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，配置手動工頻旁路，主回路接線如圖10所示。

圖10手動旁路柜主回路

手動旁路中，共有3個高壓隔離開關(guān)K1、K2、K3，當K1、K2閉合，K3斷開時，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送至電動機，電動機變頻運行；一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，可斷開隔離刀閘K1、K2，合上K3，在工頻電源下啟動電機運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。隔離刀閘K1、K2、K3之間具有閉鎖和防止誤操作功能。

高壓變頻器和上級進線開關(guān)柜設置連鎖，當上級進線開關(guān)柜斷路器處于合閘位置時，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，當出現(xiàn)嚴重的故障時，及時跳開上級開關(guān)柜斷路器保護高壓變頻器和電機。

利用原有DCS控制系統(tǒng)的預留點，將高壓變頻器有關(guān)信號接入原有DCS控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠方/就地控制功能。當高壓變頻器出現(xiàn)故障時，將故障信息發(fā)送給DCS，以便于及時排除故障。

5節(jié)能效益

本項目排粉風機變頻改造項目于2009年8月12日正式投入運行，至今運行正常6年多，除了正常的維護停機外，高壓變頻器均正常工作，保障了生產(chǎn)正常進行，得到了用戶高度贊譽。變頻器根據(jù)生產(chǎn)工藝需要對鼓風機電機進行調(diào)速控制，實現(xiàn)鼓風機的變負荷調(diào)節(jié)，降低了電流。電廠節(jié)能服務中心對鼓風機正常運行時參數(shù)實際測量如表2、表3所示。

工頻運行1周記錄

變頻運行1周記錄

由上表格的工頻運行6天與變頻運行6天的運行記錄的對比可以明顯的看出，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機有明顯的節(jié)能效益。

6結(jié)束語

在風機泵類上應用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅節(jié)能效果明顯，而且提高了設備運行可靠性和經(jīng)濟性，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著我國“十二五”對節(jié)能減排工作的日益重視，變頻器用于各個行業(yè)的風機、泵類等設備節(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：

[1]新風光電子使用手冊[Z].新風光電子公司。

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

作者簡介：

陳勇，男，中級工程師，供職于汶上縣人力資源和社會保障局。