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变频器的发展及在钢铁企业中的应用探究

发表时间：2020/9/29 来源：《基层建设》2020年第17期作者：汤铭聪

[导读] 摘要：我国电气设备的进步与发展，使其普遍应用在钢铁工业中，加快了钢铁企业机械自动化和智能化的进度，同时节省了生产成本，增加了经济效益。

        广州东芝白云菱机电力电子有限公司
        摘要：我国电气设备的进步与发展，使其普遍应用在钢铁工业中，加快了钢铁企业机械自动化和智能化的进度，同时节省了生产成本，增加了经济效益。但也带来了一部分问题。如果钢铁企业不能有效解决这部分问题，将直接干扰设备正常运行，降低生产效率，威胁经营管理。因此，我们有必要对变频器的发展及在钢铁企业中的应用科学研究。
        关键词：变频器；发展；钢铁企业
        引言
        我国社会经济发展中环境污染问题日益严重，加之近几年重工业发展加快，较大程度消耗了能源。基于目前分析，怎样在化解能源危机的过程利用节能技术，是一个永远在讨论的话题。对钢铁企业来讲，节能提效是迫切要达到的目标，而变频器在这个过程中发挥了重要的作用，应用变频器可提高电机节能效率。
        一、高压变频器工作原理
        目前公司改造过程中，一般利用单元串联多电平技术建立高压变频调速系统，采用高-高电源型变频器。

        图 1 功率模块电路结构
        功率模块结构：为有效控制正弦PWM，需借助IGBT逆变桥完成单相输出操作。任何功率模块结构都可以与电气性能互换。
        输入结构：将移向变压器置于输入侧，为全部功率模块提供电源，结合模块串联级数与电压等级、脉冲系统等产生互相叠加的若干级整流方式，相应优化了网侧的电流波形，不需要其它装置。
        控制器：用户结合需求使用人机操作界面，单片机由PWM进行控制。由人机操作界面处理高压变频调速系统与用户现场接口的问题，获取全中文监控界面，实现远程控制操作。将PLC逻辑处理开关置于柜内，利用接口灵活连接用户，从而满足用户的各种需求。
        二、高压变频器的性能特点
        （一）波形完美
        高压变频器输入的谐波满足了我国规定标准，为了对谐波有效抑制，可采取多样化的输入变频器，进一步获得多脉冲整流。基于理论分析，结合36脉冲整流的特点，35次及以下谐波能自主消失。比如：某公司变频器二次绕组有18个，采取三角形的连接方式，得到不同的相位组，形成了10度电角差异，二极管整流电流一般存在36脉波，检测谐波可知，其不会产生较大的畸变率。
        （二）具有较高的输入功率因数
        直流环节是对变频器输入功率因数造成影响的关键因素，电源型把电容作为中间直流环节，电容向电机提供无功电流，难以与电网产生无功交换，相应增大了功率因数；电流源型的直流环节是电感，电网与电机共同对无功功率实现交换。当降低电机负荷时，对应的功率因数也会降低。高压变频器中间环节是电源型的电容，易得到较高的输入功率数。
        （三）单元旁路功能
        如果高压变频器的一个单元出现故障，则该单元对应的相无输出电压，造成电机缺相运行，这种现象必须禁止。为此，高压变频器初步设计了单元旁路功能，当某一单元产生故障后，该单元利用对应的旁路接触器形成旁路，非正常运行，变频器保持运作。旁路时间控制在250ms之内，基于物理角度分析，该段时间可及时解决故障单元问题。同时，高压变频器科学应用中心漂移技术，保证三相线电压的平衡性。
        （四）中性点漂移
        高压变频器的单元旁路能保证变频器正常运行，当故障单元被旁路后，降低了电压容量。因此，有必要严控电机有效电压。无单元故障时，变频器将100%的电压提供给电机；某单元被旁路，输出电压失去平衡，由此可知，单元浮动表现出星形点，同时其与电机中性点分离，对单元电压的相位角科学调整。
        三、高压变频器在钢厂中的应用
        钢厂污染环境的主要原因是其自身的高消能、高资源和规模大等特点，比如河北省近几年出现严重的环境污染问题，河北相对集中了大量的钢铁企业，由此带来很大的污染。而钢铁企业的电炉炼钢使用的原料是废旧的钢材和铝合金，且对其冶炼，很多有害的气体均来自于电炉冶炼过程，比如大量的烟气出现在冶炼的氧化过程，为此根据电炉冶炼最高排烟要求设计除尘系统，利用高负荷电机完成冶炼吹氧操作，在冶炼中吹氧期不及一半，直接造成电机在该时期满负荷运行，其他时期则保持低工况运行，如此容易对电机能源资源造成浪费。冶炼过程可分为不同的时期，需要采取对应的技术手段，形成不同的烟气量，比如加料过程四处扩散的粉尘，这是形成扬尘的原因，因此为了预防出现扬尘，采取科学手段抑制粉尘的扩散，即该阶段无需实施除尘操作；而是在送电过程排除烟尘，避免吸收炼炉内的热量，无需开展大风量的除尘，故而该工程对除尘设备的要求更高。
        结合冶炼不同时期形成的除尘要求，在改造钢厂除尘系统时，应用高压变频器具体表现为：选取额定电压10000V、额定电流127A、额定转速747r/min的除尘风机电机。结合不同冶炼时期的操作特点科学设计高压变频器的使用频率，进一步向变频器传输不同时期的炼钢操作，当冶炼工艺要求传输至变频器时，变频器根据冶炼要求，其按照事先设定好的程序协调高压变频器的频率，如此可较好完成差别化变频操作，不仅保证了除尘效果，提高了冶炼水平，还可以获得理想的节能效果，推动企业发展。
        （一）系统应用
        钢厂的除尘设备应用高压变频技术，具体表现为：由交流异步电动机的转速公式n=60f（1-s）/p可知，电机转速通过三种方法实现改变，分别是改变转差率s、极对数p、电源频率f。前者调速主要通过绕线型电机实现，后者则采取笼型电机进行调速。通过变频调速，不仅节能，降低电机造价，还可以获得各种转速。因此，科学应用了高压变频调速系统，框架见图2

        图 2 高压变频调速除尘系统框图
        综合考虑生产工艺和保障安全，变频调速系统的具体要求如下：
        （1）变频器具备较强的可靠性，长时间安全运行；
        （2）变频器设定旁路功能，若发生故障，电机可快速转换至工频运行；
        （3）扩大调速范围，提高运行效率；
        （4）突出逻辑控制能力，自行根据吹氧周期提高降速；
        （5）配备共振点跳装置，预防电机发生共振点运行。
        高压变频器的类型有很多，为对其改造需采用单元串联多电平变频器完成。这一变频器的中心是功率单元模块。
        功率单元模块在处理三相电源时采取整流方式，进一步得到变频电源。每个功率单元模块均可发挥单相低压变频器作用。
        移向变压器通过6kv电源时，形成不一样相位的低压三相电源，每一组三相电源与功率单元模块对应，共同完成驱动操作。多若干个功率单元模块合理划分，形成三组，每一组均以串联形式输出，获得三相高压电源。该高压变频调速系统具有下列优点：
        （1）提升了电机的效率。采用了变频器以后，较大程度提高了电机的效率，明显优于传统的系统；
        （2）软启动功能。电机顺利实现软启动和软停运，提高了风机运行的稳定性，避免风机轴发生较大磨损。增加了电动机、风机的工作时间；
        （3）扩大了调速范围，提高了调速精度，结合工艺要求改变除尘风机的风量，相较于传统液力耦合器调节方式，变频拖动风机在规定范围内可随意调节，相应提高了调节效率，有利于除尘系统实现自动化操作；
        （4）优化环境，减轻噪音。与液力耦合器对比，加速操作的噪声有效减小，减轻了噪音污染。此外，使用变频器真正解决了液力耦合器的漏油问题。
        （二）效益分析
        比较高压变频调速与液力耦合器调速，吨钢除尘耗电量节省数据见表1。
        表1 吨钢除尘电耗量节能数据

        高压变频调速与液力耦合器对比，前者吨钢除尘电耗减少了3.117KWh，节电率达35.26%。
        结束语
        钢铁企业是耗能大户，其中单机容量在技术改造和产品升级中逐步增大，相应也加重了对电能的消耗，一定程度影响了电网的启动与停止。钢铁企业为可持续发展，实现节能减排的目标，通过变频器控制高压电机显得至关重要。因此，变频器在钢铁行业有着广阔的应用前景。
        参考文献：
        [1]彭敏.高压变频器在炼钢厂一次除尘风机进行节能改造的案例[J].产业与科技论坛，2017（21）：85-86.
        [2]陈楠.变频器节能降耗原理及其应用研究[J].中国科技博览，2018（23）.
        [3]宋晖.高压变频器在锅炉送、引风机上的应用[J].变频技术应用，2017，（3）.