運動控制

IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器在煉鐵廠沖渣泵上的應用

ainet.cn   2012年08月24日

引言

  通過對沖渣泵系統(tǒng)的變頻調(diào)速的技術(shù)改造,我廠使用了成都佳靈電氣制造有限公司制造的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器,經(jīng)過較長時間的運行檢驗,證明該產(chǎn)品性能可靠、功能齊全、技術(shù)先進,說明國內(nèi)自主開發(fā)的高壓變頻器在技術(shù)上已經(jīng)處于世界先進水平。

1 簡介

  廣東省韶關(guān)鋼鐵集團有限公司(以下簡稱韶鋼)位于韶關(guān)市南郊,占地面積8.32平方千米。韶鋼是中國500家最大工業(yè)企業(yè)和國家512家重點企業(yè)之一,世界100家大型鋼鐵企業(yè)排行第95位,具有年產(chǎn)鋼160萬噸以上能力。煉鐵廠是韶鋼的一個主體生產(chǎn)廠,負責公司所需鐵水和鐵塊冶煉。煉鐵廠現(xiàn)有6座高爐,總爐容2405m3,年產(chǎn)生鐵230萬噸。

  高爐冶煉鐵水過程中產(chǎn)生大量的熔渣,通常是用大流量的中壓水將其降溫并沖散,同時輸送到水渣池回收,作為煉鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品。高爐生產(chǎn)是不間斷的,一般情況下每天出鐵15次,在高爐出鐵前、后各放一次渣,兩次出渣時間約30分鐘,在此時間內(nèi)要求水沖渣系統(tǒng)的水泵滿負荷工作,其余時間水泵只需保持約30%水流量防止管道堵塞即可。我廠4#-高爐使用ZGB-300型沖渣泵,機組有關(guān)數(shù)據(jù)如下:

  

  原系統(tǒng)運行時,起動前管道進出水閥門關(guān)閉,起動后閥門開度約90%,機組全速運行,電網(wǎng)電壓6300V,電機運行電流33A,功率因數(shù)81.6%,耗電功率294kW。不需沖渣水時通過調(diào)節(jié)閥門在30%來調(diào)節(jié)水流量(此時電機電流25A),耗電功率214kW,一方面導致大量的節(jié)能損失,另一方面頻繁操作閥門,致使其使用壽命大大降低,增加了停產(chǎn)更換閥門的時間,為此我廠決定對4#高爐沖渣泵進行改造。

2 系統(tǒng)方案選擇

  在選擇調(diào)速方案時,我們曾從節(jié)省投資出發(fā)考慮過使用調(diào)速型液力偶合器,但由于需將原機組的混凝土基礎(chǔ)全部打掉重新?lián)v制,工作量大、施工周期長,將影響正常生產(chǎn),為此決定采用高壓變頻調(diào)速器。

  面對當今國內(nèi)外的眾多高壓變頻產(chǎn)品,2001年初,我們組織專業(yè)人員對國內(nèi)外高電壓、大功率的變頻器這一新技術(shù)進行了全面慎重的考察論證,最后決定采用國產(chǎn)高電壓、大功率變頻調(diào)速裝置,原因如下:

  1、目前國產(chǎn)高壓大功率變頻器已具備和國外產(chǎn)品相抗衡的技術(shù)水平;

  2、更符合中國國情,如:變頻器性能更適合國內(nèi)電網(wǎng)狀況、全中文操作界面等;

  3、產(chǎn)品備件采購方便;

  4、售后服務及時、周到 ;

  6、性價比高于國外同類產(chǎn)品。

  通過招標形式,我公司選用了國內(nèi)實力雄厚的成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的JCS——6kV/400kW IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器。

 

[DividePage:NextPage]

 

3 佳靈IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器原理及特點

  目前,低壓變頻調(diào)速技術(shù)已比較成熟,但在高壓變頻調(diào)速技術(shù)方面,由于變頻器的核心功率器件耐壓有限,所以高壓變頻器并不象低壓變頻器一樣具有簡單統(tǒng)一的拓撲結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生了當今各種各樣的結(jié)構(gòu)。

  佳靈高壓變頻器由于解決了IGBT直接串聯(lián)這一世界性難題,使其具有和低壓變頻器一樣簡單的結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品成功融入IGBT直接串聯(lián)技術(shù)、正弦波技術(shù)、抗共模電壓技術(shù)和直接速度控制(DSC)技術(shù),使得產(chǎn)品具有與其它形式(單元串聯(lián)多重化、中心點箝位三電平等)產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)越性,該產(chǎn)品已被列為“國家重點技術(shù)創(chuàng)新項目”。

  

  圖1 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器原理圖

  圖1可以看出:該系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進入變頻器,經(jīng)過高壓二極管全橋整流、

  直流平波電抗器和電容濾波,再經(jīng)逆變器逆變,加上正弦波濾波器,簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出,直接供給高壓電動機。其優(yōu)點在于:

  1、 整個系統(tǒng)沒有輸入輸出變壓器,體積小重量輕,僅為其他品牌體積的1/2,減少了基建投資,解

  2、 決了我廠基建空間不足的實際情況。

  3、 由于該變頻器結(jié)構(gòu)簡單,無變壓器,所以故障點大大減少,整個系統(tǒng)效率高,額定負載效率98%以上。

  3、采用正弦波技術(shù),大大提高輸出波形質(zhì)量,輸出電壓諧波含量小于3%,特有的共模技術(shù)使整個系統(tǒng)的共模電壓及輸出du/dt值完全符合MGI的標準,消除了電機振動現(xiàn)象,減小了軸承和葉片的機械應力,不需更換我廠原有的舊電機,無需降容使用。

  4、 采用用直接速度控制技術(shù)(DSC),響應速度高于其它同類產(chǎn)品,轉(zhuǎn)矩脈動小,低速仍能保持平

  5、 滑靜音運行。

  6、 可實現(xiàn)工頻旁路,檢修方便,而且具有完善的系統(tǒng)保護功能。

 

[DividePage:NextPage]

 

4 改造方案

  由電機轉(zhuǎn)速公式可知 : n=60f ×(1-s) /p

  其中:s- 轉(zhuǎn)差率

  n- 轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)

  f -電流頻率

  p-電機的極對數(shù)

  可見,只要改變電機的頻率f,就可以實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),高電壓大功率變頻器通過控制IGBT(絕緣柵雙極型電力場效應管)的導通和關(guān)斷,使輸出頻率連續(xù)可調(diào)。而且是隨著頻率的變化,輸出電流、電壓、功率都將發(fā)生變化,即負荷大時轉(zhuǎn)速大,輸出功率大,負荷小時轉(zhuǎn)速小,輸出功率也小。

  由流體力學可知:

  Q′=Q(n′/n)

  H′=H(n′/n)2

  P′=P(n′/n)3

  當泵機低于額定轉(zhuǎn)速時節(jié)電為

  E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)

  式中:n-額定轉(zhuǎn)速

  n′- 實際轉(zhuǎn)速

  P- 額定轉(zhuǎn)速時電機功率

  T-工作時間

  可見,通過變頻改造,沖渣泵流量Q、壓力H及軸功率P都將發(fā)生較大的改變,不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運行性能。

  以上公式為我廠提供了充分理論依據(jù),我廠根據(jù)沖渣泵的實際特性對其進行了具體改造,沖渣泵在沖渣時工作在49.5Hz,在不沖渣時工作在25Hz,考慮到工藝對調(diào)速精度要求不是很高,本系統(tǒng)只采用開環(huán)控制并在高爐值班室操作,需沖渣時給調(diào)節(jié)系統(tǒng)一個“1”的信號,電機高速運行,不需沖渣時將此信號取消,電機低速運行,取得了很好的節(jié)能效果。

5 改造后的系統(tǒng)實際運行狀況

  變頻器到廠后,我廠技術(shù)人員同成都佳靈電氣制造有限公司派出的技術(shù)人員一道,經(jīng)過幾天的安裝,一次性調(diào)試成功。于2001年11月28日開始正式運行,現(xiàn)已累計運行18個月,經(jīng)過反復多種測試各運行參數(shù)一直正常,變頻器質(zhì)量性能良好,安全可靠,各項指標均達到了設(shè)計要求:

  1、諧波抑制效果良好。電壓諧波含量小于3%,符合IEEE519-1992和GB/T14549-93標準。

  2、各種保護功能完善。過流、過壓、欠壓、故障保護等功能可靠,并且考慮了外部電網(wǎng)的防雷擊等多環(huán)節(jié)保護功能。

  3、各種指示功能完備。具有輸入、輸出電流和電壓、運行頻率、故障顯示、運行狀態(tài)指示等功能。

  4、操作簡便。同普通的低壓變頻器的功能操作方式相似,功能設(shè)置和調(diào)整簡單方便。

6 節(jié)能量的驗證及測試方法

  1、測量無變頻調(diào)速時另一臺機組在工頻電壓下運行的電壓、電流、功率因數(shù)。

  2、測量有變頻調(diào)速時機組在49.5Hz頻率電壓下運行變頻器輸入端的電壓、電流、功率因數(shù)。

  3、測量有變頻調(diào)速時機組在25Hz頻率電壓下運行變頻器輸入端的電壓、電流、功率因數(shù)。

  4、測量儀表型號為:電壓互感器:JDZJ—6;電壓表:16L1-V;電流互感器:LZZB—10 50/5;電流表:16L1-A;功率因數(shù)鉗型表:HIOI—3266。

  5、 通過上述測量參數(shù),根據(jù):P=1.732U×Icosф

  計算得出:P50=294kW、P49.5=214kW、P25=82kW。

 

[DividePage:NextPage]

 

7 改造效益

  1、節(jié)能經(jīng)濟效益

  機組49.5Hz運行和無變頻器運行相比可節(jié)省功率ΔP1=P50—P49.5=80kW

  機組25Hz運行和無變頻器運行相比可節(jié)省功率ΔP2=214kW—P25=132kW

  年節(jié)電量:ΔW=(H1ΔP1+H2ΔP2)=365(7.5×80+132×16.5)=1013970kW.h

 ?。ㄗⅲ好磕臧?65天計,H1:沖渣時間=15×30/60=7.5小時;H2:不沖渣時間=24—7.5=16.5小時)

  經(jīng)濟效益:ΔW電價=1013970×0.56=567823(元)(注:韶鋼廠工業(yè)電價0.56元/kW.h)

  2、節(jié)約維修費用:

  因沖渣水含有大量的爐渣,原系統(tǒng)管道和閥門在含渣水的高速沖刷下,很短時間內(nèi)管壁就會變薄、閥門密封損壞須重新更換,一般情況下每年需維修費用約15萬元。經(jīng)變頻調(diào)速改造后,有一半時間內(nèi)管道的水流速度降低,磨擦減少,管道和閥門的使用壽命大大延長,每年可降低維修費用約1/3,即5萬元。

  3、實現(xiàn)電機軟起動功能,延長了電機壽命,大大減少了沖渣泵故障發(fā)生率。

  4、提高了自動化水平,節(jié)約了大量工業(yè)用水。

  由上述可知,綜合經(jīng)濟效益每年可達60多萬元,一年即可全部收回成本。

8 結(jié)論

  通過對沖渣泵系統(tǒng)的變頻調(diào)速的技術(shù)改造,我廠使用了成都佳靈電氣制造有限公司制造的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器,經(jīng)過較長時間的運行檢驗,證明該產(chǎn)品性能可靠、功能齊全、技術(shù)先進,說明國內(nèi)自主開發(fā)的高壓變頻器在技術(shù)上已經(jīng)處于世界先進水平。由于IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器無輸入輸出變壓器、體積小、性價比高、綜合性能好等方面均超過了國內(nèi)外其它產(chǎn)品,是新一代高性能高壓變頻產(chǎn)品的代表,為高壓變頻調(diào)速技術(shù)在我廠內(nèi)其它工序的技術(shù)改造提供了一條可行的途徑,在高壓變頻改造領(lǐng)域具有極大的推廣價值。

(轉(zhuǎn)載)

標簽:IGBT 高壓變頻器 沖渣泵 我要反饋 
泰科電子ECK、ECP系列高壓直流接觸器白皮書下載
億萬克
專題報道