1 引言
大冶特殊鋼團(tuán)體第四煉鋼廠的7#煉鋼爐為60噸國產(chǎn)交流電弧爐，采用布袋除塵方式，其除塵風(fēng)機(jī)及電機(jī)的銘牌參數(shù)如下：
電機(jī) 離心引風(fēng)機(jī)
型號：Y6304-8 型號：Y4-73No311/2F
額定功率：1600 kW 額定壓力：570 - 375 mmH2O
額定電流：192.3 A 額定流量：470000 - 874000 m3/h
額定電壓：6 kV 軸 功 率：954 - 1185 kW
額定轉(zhuǎn)速：744 rpm 額定轉(zhuǎn)速：730 rpm
正常情況下，電爐每70分鐘生產(chǎn)一爐鋼，為一個(gè)生產(chǎn)周期，每個(gè)周期共分為7個(gè)步驟：1、加料，3分鐘；2、加鐵水，3分鐘；3、供電，21分鐘；4、供電供氧，30分鐘；5、采樣，5分鐘；6、出鋼，5分鐘；7、堵眼，3分鐘。在每個(gè)步驟中，電爐產(chǎn)生的煙氣量不同，對爐子的溫度要求也不一樣，因此需要調(diào)節(jié)除塵風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。若風(fēng)量過大，損失爐內(nèi)熱量，延永生產(chǎn)周期，浪費(fèi)能源；風(fēng)量小，則導(dǎo)致爐內(nèi)溫度過高，可能燒毀設(shè)備。
原工頻運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)風(fēng)量，電機(jī)通過電抗器降壓完成工頻啟動(dòng)。工頻啟動(dòng)特別困難，且對電網(wǎng)沖擊較大，并造成電機(jī)籠條松動(dòng)、有斷條的危險(xiǎn)。一般啟動(dòng)后不答應(yīng)停機(jī)，電機(jī)始終滿負(fù)荷運(yùn)行，電耗驚人。基于上述原因，四煉鋼決定對7#煉鋼爐除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。
變頻調(diào)速的優(yōu)越性已在通用變頻器中得到充分體現(xiàn)，近兩年來，國產(chǎn)高壓變頻器業(yè)已成熟，取得了國內(nèi)眾多行業(yè)的認(rèn)可，并逐步在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。四煉鋼廠變頻改造項(xiàng)目部就此項(xiàng)目考察了幾家高壓變頻器生產(chǎn)廠商及其運(yùn)行現(xiàn)場，最后通過招標(biāo)選擇了在質(zhì)量、價(jià)格及服務(wù)上有一定綜合上風(fēng)的武漢合康電氣有限公司。
2 變頻器選型及特性
變頻器容量選擇的一般原則是，額定輸出電流不小于電機(jī)的額定電流。當(dāng)然，還要考慮實(shí)際應(yīng)用工況，如負(fù)載性質(zhì)及實(shí)際功率，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)容量應(yīng)適當(dāng)選大一些，而有些負(fù)載容量可以選小一些，比如葉輪切削后的水泵軸功率減小、鍋爐引風(fēng)機(jī)所配的電機(jī)至少留有30%的余量等，這時(shí)建議根據(jù)實(shí)際功率選配變頻器，降低投資用度；環(huán)境溫度超過40℃時(shí)，變頻器需降容使用；海拔高度超過1000米時(shí),每升高100米,要求變頻器降容1%使用。
電機(jī)額定電流192.3A，為了滿足50Hz時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行要求，選用選用適合驅(qū)動(dòng)高壓異步電動(dòng)機(jī)的HIVERT-Y06/220高壓變頻器，額定輸出電流220A，其主要性能指標(biāo)如下：
● 額定容量： 1250kVA
● 適配電機(jī)功率： 1800kW
● 額定電流： 220A
● 額定輸進(jìn)電壓： 6kV（-20%～+15%）
● 輸進(jìn)功率因數(shù)： 大于0.96（額定負(fù)載時(shí)）
● 效率： 大于96%（額定負(fù)載時(shí)）
● 防護(hù)等級： IP30
運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)記錄和輸出、自動(dòng)故障記錄、限流功能、輸出電壓自動(dòng)調(diào)整功能、瞬時(shí)停電自動(dòng)跟蹤功能、單元旁路功能、PID功能等。
HIVERT變頻器采用功率單元串聯(lián)疊波技術(shù)，每相5單元串聯(lián)，所有單元都是完全相同的一個(gè)三相輸進(jìn)、單相輸出的交―直―交變頻器，原理見圖1，其優(yōu)點(diǎn)是：

● 吸收低壓變頻器成熟的控制技術(shù)和通用功率器件，可靠性高；
● 輸進(jìn)側(cè)30脈沖不可控整流輸進(jìn)，消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網(wǎng)側(cè)諧波的產(chǎn)生。變頻器引起的電網(wǎng)諧波含量滿足IEEE Std 519-1992和GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》對諧波含量的最嚴(yán)格要求，無需安裝輸進(jìn)濾波器；輸進(jìn)功率因數(shù)高；
● 單元串聯(lián)脈寬調(diào)制疊波輸出，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形幾近完美的正弦波，無需輸出濾波裝置，可以驅(qū)動(dòng)普通高壓電動(dòng)機(jī)，保護(hù)電機(jī)盡緣不受dv/dt應(yīng)力的損害；
● 采用全中文WINNT操縱平臺(tái)，12英寸真彩LCD顯示，液晶屏直接操縱，更適合國人使用習(xí)慣；
● 輸進(jìn)電壓范圍寬廣，更適合國內(nèi)電網(wǎng)條件；
● 功率單元模塊化結(jié)構(gòu)，可以互換，維護(hù)簡單；
● 隔離RS485接口，采用MODBUS通訊規(guī)約，可以和單獨(dú)的上位機(jī)或大系統(tǒng)中的DCS聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)智能化控制；
● 控制電源采用220VAC和高壓電源雙路供電，運(yùn)行過程中220VAC掉電時(shí)，不影響變頻器正常工作；
● 直接高-高結(jié)構(gòu)，體積小，效率高；
● 功率單元自動(dòng)旁路功能，進(jìn)一步進(jìn)步了運(yùn)行的可靠性；

3 系統(tǒng)方案
考慮到變頻器退出運(yùn)行后，為了不影響生產(chǎn)，確保除塵系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)需配置工頻旁路，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，將電機(jī)投切到工頻下運(yùn)行。
圖3旁路柜中，共有3個(gè)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采用一個(gè)雙投隔離開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自然機(jī)械互鎖。當(dāng)K1、K2閉合，K3斷開時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在變頻狀態(tài)；當(dāng)K1、K2斷開，K3閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來，便于檢驗(yàn)、維護(hù)和調(diào)試。旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，旁路柜隔離開關(guān)未合到位時(shí)，不答應(yīng)DL合閘，DL合閘時(shí)，盡對不答應(yīng)操縱隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操縱職員和設(shè)備的安全。
系統(tǒng)中保存了原有啟動(dòng)電抗器CK，同時(shí)保存原有對電機(jī)的保護(hù)及其整定，以確保電機(jī)工頻旁路時(shí)的啟動(dòng)性能，及實(shí)現(xiàn)工頻旁路時(shí)對電機(jī)的保護(hù)和變頻運(yùn)行時(shí)對變頻器的保護(hù)。
變頻器大約有4%的損耗，以熱量的方式通過柜頂離心風(fēng)機(jī)帶到變頻器外，為了防止室內(nèi)環(huán)境溫度超過40℃，采取了兩個(gè)措施：
● 墻體上安了裝兩臺(tái)APB-60E產(chǎn)業(yè)排氣扇，加強(qiáng)與室外空氣交換；
● 室內(nèi)安裝了兩臺(tái)5P產(chǎn)業(yè)空調(diào)，夏天室外環(huán)境溫度超過40℃時(shí)，以制冷方式確保室內(nèi)環(huán)境溫度。

4 控制方案
在煉鋼周期的7個(gè)步驟中，對風(fēng)量的要求不一樣，需要電機(jī)運(yùn)行在不同的速度，其中第1、2、5、6、7步低速運(yùn)行，第3、4步高速運(yùn)行。變頻器設(shè)置六檔速度，分別為額定速度的40%、50%、60%、70%、90%和100%，操縱按鈕裝設(shè)在爐前的控制室內(nèi)，可根據(jù)煉鋼爐的實(shí)際工況選擇速度，并將運(yùn)行速度檔反饋到按鈕指示燈上。
除塵系統(tǒng)的監(jiān)控在間隔變頻器安裝現(xiàn)場約80米外的操縱室內(nèi)，變頻器通過RS485接口與操縱室內(nèi)上位工控機(jī)聯(lián)接，雙方采用MODBUS通訊規(guī)約。操縱室內(nèi)的工控機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對變頻器的啟動(dòng)、停機(jī)、復(fù)位和高壓分?jǐn)嗟瓤刂疲ㄟx擇上位控制答應(yīng)時(shí)有效），設(shè)置變頻器各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置（選擇上位參數(shù)設(shè)置答應(yīng)時(shí)有效），調(diào)節(jié)變頻器給定頻率（選擇上位給定答應(yīng)時(shí)有效）,水簾廠家，并實(shí)時(shí)監(jiān)視變頻器的運(yùn)行工況。變頻器輸出頻率和輸出電流，以4-20mA方式反饋到DCS系統(tǒng)。
在保護(hù)方面，變頻器有兩對接點(diǎn)與高壓開關(guān)柜相連，一對接點(diǎn)是“合閘答應(yīng)”，串聯(lián)于DL的合閘回路中，當(dāng)處于變頻投進(jìn)狀態(tài)，而變頻器無控制電源或故障狀態(tài)時(shí)，高壓無法合閘。一對接點(diǎn)是“高壓分?jǐn)唷保�并�?lián)于DL分閘回路，當(dāng)變頻器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障或拍下高壓分?jǐn)嘧枣i按鈕時(shí)，分?jǐn)嘧冾l器的高壓輸進(jìn)電源。
5 變頻效果
變頻器2月18日運(yùn)抵安裝現(xiàn)場，并于越日安裝到位。2月23日7#爐檢驗(yàn)停機(jī)，完成變頻器主電路接線和與高壓開關(guān)柜聯(lián)鎖接線，于下午6：30變頻器一次投運(yùn)成功。
理論上，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比。隨著轉(zhuǎn)速的降低，風(fēng)機(jī)在維持效率不變（風(fēng)阻不變?yōu)闂l件）的狀態(tài)下，軸功率以轉(zhuǎn)速的立方關(guān)系下降，電機(jī)消耗的電能急劇減��；而采用進(jìn)口導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)時(shí)，風(fēng)量下降導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率降低和風(fēng)壓的升高，運(yùn)行工況偏離額定工況越遠(yuǎn)效率越低，因此，風(fēng)量固然下降了，風(fēng)機(jī)軸功率及電機(jī)消耗的電能變化并不大，這就是風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能依據(jù)。
該風(fēng)機(jī)在變頻改造前，工頻運(yùn)行電流基本保持在165-170A，消耗功率約為1530kW，變頻改造后，實(shí)測運(yùn)行參數(shù)見表1。
運(yùn)行頻率（Hz） 輸進(jìn)電流（A） 輸出電流（A） 輸進(jìn)電壓（V） 輸進(jìn)功率（kW） 運(yùn)行時(shí)間（Min）
20 13.2 72.8 6338 128 15
25 23.5 78.5 6334 247 15
30 35.2 86.6 6500 388 10
35 57.3 101.3 6241 605 15
45 122.6 150.6 6157 1263 10
50 148.4 166.6 6360 1585 5
變頻運(yùn)行時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)的均勻運(yùn)行功率為650kW，與工頻運(yùn)行相比，均勻節(jié)約功率880 kW，一天節(jié)電量：
880×24 = 21120 度/天
按電價(jià)0.46元/度計(jì)算，一天節(jié)約電費(fèi)：
21120 × 0.46 = 9700 元/天
除上述實(shí)實(shí)在在的電費(fèi)節(jié)省外，變頻運(yùn)行還帶來下列軟性效益：
● 實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，延長電機(jī)使用壽命，減小啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊；
● 調(diào)節(jié)簡便，快捷；
● 易于實(shí)現(xiàn)智能控制，下一步預(yù)備改造成爐溫、煙氣閉環(huán)控制；
● 減小電爐熱量損失，節(jié)約能源；
● 降低風(fēng)機(jī)噪音，改善環(huán)境；
● 降低風(fēng)壓，延長風(fēng)道及風(fēng)機(jī)使用壽命等。