高壓變頻器在高爐爐前除塵中的應用

劉曉兵

1 前言

山鋼股份萊蕪分公司煉鐵廠老區共有4座高爐，每座高爐分別設有1個出鐵口。出鐵后產生的大量煙塵完全依靠除塵系統進行處理。鐵口出鐵時產生煙塵量大，除塵風機風門接近全開，除塵電機處于高負荷運行狀態。鐵口封堵進入鐵水冶煉階段時，吸塵點閥門仍需打開，用以降低作業點溫度并捕集產生的煙塵，但此時除塵電機可調至低負荷運行。按現有高爐出鐵制度，鐵口出鐵時間約60 min，出鐵結束進入冶煉階段至下一鐵口開口約需30 min。即正常生產時，在一個標準出鐵周期內，只有2/3時間需要風機高負荷運行，余下的1/3時間風機可進入低負荷階段。但實際運行時，風機風門接近全開，始終處于高負荷運行狀態，而且除塵風機電機采用直接啟動，啟動時電流達到額定電流的7～8倍，整個過程造成了電能的極大浪費。

為了節約電能，保證除塵電機的使用壽命，增強設備的利用效率，迫切需要對現場的除塵系統進行技術改造，主要是增加安全、穩定、可靠性高的調速設備，保障整個除塵系統運行的穩定持續。

2 技術改造思路

考慮到爐前除塵風機對環保和生產的重要性，結合除塵系統的24 h不間斷工作制，經技術人員現場研究決定，宜在爐前除塵系統中采用高壓變頻器的方式進行節能改造。同時，增設的高壓變頻器應該具有變頻/工頻切換裝置，即在變頻器發生故障時，能手動切換到工頻方式運轉，保證電機繼續運行。并且，為滿足崗位工藝的要求，需將變頻器部分功能顯示在監控畫面上，實現上位機集中監管。

為此，在兩座高爐大修期間對3#高爐4500和6300爐前除塵風機、4#高爐1臺8000除塵風機采用ABB高壓變頻器ACS 1000系列實施變頻節能改造[1]。高壓變頻器具有以下優勢。

1）ACS 1000是應用于鼠籠式感應電機的三相變頻器。采用成熟的微處理器控制技術來監控電機的電磁狀態。這些數據配合直接轉矩控制技術（DTC）可以達到近乎完美的無傳感器電機控制。ACS 1000變頻器的輸出電壓接近正弦，它可以用于現在所使用的標準感應電機而不需要降容，因此是改造項目的理想選擇。

2）ACS 1000是一種無熔斷器保護的變頻器。這種專利設計采用新型的功率半導體開關元件IGCT作為回路的保護。為進行三電平切換運行，三相逆變器的每個橋臂由2個IGCT組成：IGCT的輸出電壓在正直流電壓、中性點（NP）和負直流電壓之間切換。采用DTC技術，就可以對輸出的電壓和頻率在零到最大值之間進行連續的控制。充電電阻在變頻器上電時限制直流回路的電流。當直流電壓達到79%額定值時，IGCT導通，充電電阻被旁路掉。保護IGCT的主要作用就是在出現故障時迅速關斷，以保護整流橋。ACS1000電氣原理見圖1。

圖1 ACS1000變頻器電氣原理

在變頻器的輸出需要加LC濾波器，用于減小輸出電壓中的諧波含量[2-3]。采用該濾波器之后，輸送給電機的電壓、電流波形接近于正弦波，如圖2所示。該濾波器還消除了dV/dt的影響，因而電機電纜中電壓的反射和電機絕緣的損害影響都完全被消除了。

圖2 變頻器輸出電壓和電流波形

ACS 1000變頻器具有先進的本地控制和遠程控制特性，控制設備集成在變頻器柜體內部，提供基于過程控制、保護和監控功能的全數字和微處理器技術，提供了硬件保護電路的備份。

3 改造內容

3.1 電機改造

在保證電機功率及轉速不改變的情況下，根據工頻/變頻切換要求，需對原有3臺工頻電機進行更換，將3個繞組共6根引出線全部引出，分別引出電機兩側的接線盒內，其中U1、V1、W1在一側接線盒內，U2、V2、W2在另一側接線盒內。改造后現場電機參數如表1所示。

表1 改造后電機參數

3.2 變頻器選型

因廠內電網頻率為50 Hz，所以3臺除塵電機使用的變頻器輸入功率均為50 Hz，輸出頻率設置為0～66 Hz。變頻器根據現場電機及風機需求，選用ACS1000變頻器參數如表2所示。

表2 3臺電機選用變頻器參數

3.3 變壓器選型

三相交流電源通過三繞組變壓器對整流橋供電（見圖1）。為了獲得12脈波整流，變壓器兩個副邊繞組之間必須存在30℃的相位差。副邊一個繞組為星形接法，另一個繞組為角形接法，3臺電機選取的變壓器相數3/6相、額定頻率50 Hz、聯結組標號Dy11d0、網側額定電壓6 000 V、閥側（d接）額定電壓1 903 V、閥側（y接）額定電壓1 903 V。但變壓器在其他方面參數根據現場實際情況有所不同，具體參數見表3。

3.4 增加變頻/工頻切換柜

為提高環保質量，保證爐前除塵風機的連續運行，防止變頻器故障停機后造成污染，需實現變頻故障后能及時切換至工頻運行功能，因此增加了變頻/工頻切換柜，保證了在變頻故障時，除塵風機能及時倒用至工頻運行。切換柜原理見圖3。

圖3 切換柜原理

切換柜內的Q1、Q2、Q3、Q4、Q5均為隔離開關，其中Q1、Q5聯動，Q1在合位時Q5在分位；Q2、Q3聯動，Q2在合位時Q3也在合位。隔離開關操作時必須確認進線側不帶電方能打開前大門進行操作。分合隔離開關Q1～Q5時，必須用力操作使開關完全分合到位。Q1、Q2、Q3在合位、Q4、Q5在分位時，切換柜實現電機變頻調速運行；Q1、Q2、Q3在分位、Q4、Q5在合位時，切換柜實現電機工頻運行。

3.5 實現上位機監控、控制

改造實現了風機運行上位機監控、控制。除塵值班室監控電腦通過網線與PLC通訊，PLC與高壓變頻器[3]、高壓變頻器與高壓供電柜、高壓供電柜與PLC均通過硬線連接。

開除塵風機時，點擊監控電腦中“高壓柜合閘”按鈕，監控電腦發出高壓柜合閘指令，PLC發出一個脈沖，對應的繼電器閉合1次，此時合閘信號進入高壓變頻器，變頻器輸出合閘信號，高壓柜合閘線圈得電，高壓柜合閘。合閘信號反饋至PLC，在監控電腦顯示。PLC發出合閘反饋信號至高壓變頻器。此時主回路接通，高壓變頻器檢測到“高壓柜合閘反饋”信號后發出“變頻器準備好”信號至PLC，同時監控電腦顯示該信息。點擊監控電腦中“變頻器啟動”按鈕，監控電腦發出變頻器運行指令，PLC發出1個脈沖，對應的繼電器閉合1次，此時變頻器運行信號進入高壓變頻器，變頻器運行，電機開始轉動。

停除塵風機時，點擊監控電腦中“變頻器停止”按鈕，監控電腦發出變頻器停止指令，PLC發出脈沖，對應的繼電器閉合1次，此時變頻器停止信號進入高壓變頻器，高壓變頻器停止，電機停止轉動。檢修時，為確保檢修安全，需分斷高壓斷路器，點擊監控電腦中“高壓柜分閘”按鈕，監控電腦發出高壓柜分閘指令，PLC發出1個脈沖，對應的繼電器閉合1次，此時分閘信號進入高壓變頻器，高壓變頻器輸出分閘信號，高壓柜分閘線圈得電，高壓柜分閘。分閘信號反饋至PLC，在監控電腦顯示。PLC發出分閘反饋信號至高壓變頻器。

通過機旁箱切換開關實現機旁/遠控的切換。當切換開關打至機旁時，通過機旁箱控制；當切換開關打至遠控時，通過上位機控制。機旁箱打至機旁或遠控時，監控電腦顯示機旁或遠控；同時，監控電腦具備變頻器報警、變頻器故障，工頻（變頻）工作位、變頻器運行（停止）狀態顯示功能。電機轉速在監控電腦上設定，通過PLC發出對應的（4～20）mA電流信號至變頻器，變頻器接收到電流信號后實時調整電機轉速，并將電機實際運行速度反饋至PLC，在監控電腦上顯示。

設置變頻器急停功能。在機旁箱上加裝急停按鈕，遇突發情況時按下急停按鈕，急停信號進入變頻器，變頻器停止運行。

因除塵崗位人員有限，在人員外出點檢、放灰時，不能及時在高爐出鐵和冶煉時調整電機運行頻率，造成電能的浪費。針對此情況，在除塵值班室監控電腦設置高爐主控室/除塵值班室切換開關，并設置高速/低速頻率設定，將高爐主控室PLC和除塵值班室PLC通過硬線連接。當切換開關打至高爐主控室時，由高爐工長根據生產情況選擇高頻或低頻，及時調整電機運行頻率，降低電能消耗。

4 改造效果

電機在工頻運行時，三相繞組為星形接法；在變頻運行時，三相繞組為三角形接法。通過實際測算電流和電機轉速，按照功率因數0.82計算出電機的消耗功率。3#高爐、4#高爐檢修周期均為40 d，每次檢修24 h，檢修時風機停機。按照此測算，3#高爐、4#高爐年實際生產時間為357 d。每個正常出鐵周期內，出鐵時間為60 min，鐵水冶煉時間為30 min，則每天為16個出鐵周期。變頻改造后，3臺除塵風機年節電量分別為138.94萬、234.91萬、250.69萬kW·h，年節電效益合計374.72萬元。

采用變頻調速后，電機實現了軟啟動，電機啟動電流遠遠小于工頻啟動電流，減輕了對電網的沖擊。電機使用變頻實現軟啟動后，啟動時間相應延長，減輕了啟動時機械轉矩對電機的機械傷害，延長了電機的使用壽命；減少了風道的振動，相應延長了許多零部件的壽命；減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，節約了檢修費用。

參考文獻：

［1］ 吳忠智.變頻器應用手冊［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［2］ 倚鵬.高壓大功率變頻器技術原理與應用［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［3］ 吳玢.變頻器與PLC應用技術基本功［M］.北京：人民郵電出版社，2010.