《電子技術(shù)應(yīng)用》
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IGBT直接高壓變頻器在高爐水沖渣系統(tǒng)中的應(yīng)用
中國自動(dòng)化網(wǎng)
摘要: 通過韶鋼煉鐵廠4#高爐沖渣系統(tǒng)采用IGBT直接高壓變頻器對水泵機(jī)組進(jìn)行調(diào)速控制的實(shí)例,介紹國產(chǎn)IGBT直接高壓變頻器的性能,同時(shí)對其使用中出現(xiàn)的問題作了分析、提出解決方案.
Abstract:
Key words :

摘要:通過韶鋼煉鐵廠4#高爐沖渣系統(tǒng)采用IGBT直接高壓變頻器對水泵機(jī)組進(jìn)行調(diào)速控制的實(shí)例,介紹國產(chǎn)IGBT直接高壓變頻器的性能,同時(shí)對其使用中出現(xiàn)的問題作了分析、提出解決方案.
關(guān)鍵詞:高壓變頻器;沖渣水泵;調(diào)速

Application of IGBT high-voltage converter to the slag-washing-out pump


DAI Yue—nian,WEN Wu—si


(Shaoguan Iron&Steel Group Co.,Ltd.,Qujiang512123,Guangdong)
Abstract:In describing the appficafon of the home —made IGBT conveaer to the pump speed control for the slag-washing- out systern at No.4 BF of SISG,the paper illustrates the performance of the IGBT converter,analyses problems encountered in the appfication,and put forward resolutions to them.
Key words:high—voltage converter;slag-washing-out pump;speed control

1 概述
  高爐冶煉中產(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(shí)輸送到水渣池回收,作為煉鐵的副產(chǎn)品.高爐生產(chǎn)是不間斷的,一般情況下每天出鐵15次,出鐵前、后各放一次渣,兩次出渣時(shí)間共約30 min.在此時(shí)間內(nèi)要求水沖渣系統(tǒng)的水泵滿負(fù)荷工作,其余時(shí)間水泵只需保持約30% 水流量防止管道堵塞即可。
  廣東省韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)有限公司(以下簡稱韶鋼)煉鐵廠4#高爐使用ZGB一300型沖渣泵,有關(guān)數(shù)據(jù)如表1.


  原系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),起動(dòng)前管道進(jìn)出水閥門關(guān)閉,起動(dòng)后閥門開度約90%,機(jī)組全速運(yùn)行,電網(wǎng)電壓6300V,電機(jī)運(yùn)行電流33A,功率因素81.6%,耗電功率294kW.原來曾試用在不需沖渣時(shí),調(diào)節(jié)閥門至30%來調(diào)節(jié)水流量(此時(shí)電機(jī)電流25A),但一方面節(jié)能效果不明顯,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(shí)間,得不償失.最終只好讓機(jī)組長期滿負(fù)荷高速運(yùn)行,造成極大的能源浪費(fèi).因此很有必要對此系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造.
2 方案選擇
  從機(jī)泵工作特性曲線可得出其流量與轉(zhuǎn)速成正比、軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比,即 .根據(jù)這一原理采用變頻調(diào)速技術(shù).對目前各種高壓變頻器進(jìn)行分析后認(rèn)為:高一低一高的變頻器雖然可靠性較高,但需配置輸入、輸出變壓器,必須增設(shè)廠房,施工周期長,設(shè)備較龐大、投資費(fèi)用較高,而且效率較低、諧波含量大,嚴(yán)重影響電機(jī)使用壽命.?dāng)M應(yīng)用直接高壓變頻器,但進(jìn)口設(shè)備費(fèi)用較高,而且設(shè)備體積也不小,不是首選,故目光投向國產(chǎn).國產(chǎn)直接高壓變頻器比較見表2.


  結(jié)合上表,通過對國內(nèi)多家公司的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較和考察,從技術(shù)可靠、減少投資、體積最小、安裝簡便、維護(hù)容易等方面考慮,選擇了成都佳靈電氣有限公司生產(chǎn)的GY一6kV/400kW型IGBT串聯(lián)直接高壓變頻器.
3 技術(shù)原理與特點(diǎn)
3.1 主電路簡介

  如圖1所示,圖中系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)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,再通過逆變器進(jìn)行逆變,加上正弦波濾波器,簡單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出,直接供給高壓電動(dòng)機(jī)。


  功率器件是采用變頻器已有的成熟技術(shù),應(yīng)用獨(dú)特而簡單的控制技術(shù)成功設(shè)計(jì)出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、輸出效率達(dá)98% 的高壓調(diào)速系統(tǒng)。
  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通過開關(guān)量信號操作.此信號接人變頻器數(shù)字控制信號輸入端,需沖渣時(shí)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)一個(gè)“l”的信號,電機(jī)高速運(yùn)行,不需沖渣時(shí)將此信號取消,電機(jī)低速運(yùn)行.輸出頻率的控制與調(diào)節(jié)由變頻器本身自備的調(diào)節(jié)面板根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要任意整定。
3.2 變頻器的主要特點(diǎn)
 ?。?)使用了IGBT串聯(lián)直接高壓二電平方式,利用該公司自行研制的1/3象限壓拉動(dòng)態(tài)均壓、鉗壓技術(shù)攻克了當(dāng)今世界IGBT串聯(lián)使用時(shí)開關(guān)微秒級同步的難題。
 ?。?)正因?yàn)椴捎昧烁咝阅艿腍V—IGBT模塊,整個(gè)設(shè)備的體積非常小,跟國內(nèi)外其它同規(guī)格的變頻器比較其體積減少2/3~1/2。
 ?。?)因設(shè)置了直流平波電抗器、功率因素提升電抗器、輸出濾波器,優(yōu)化了PWM 波形,具有諧波含量和直流波紋系數(shù)較低,功率因素較高,輸出電壓波形近似正弦波等優(yōu)點(diǎn)。
 ?。?)根據(jù)共模電壓產(chǎn)生的機(jī)理,采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內(nèi)部.有效地解決了共模電壓(也叫零序電壓)問題,降低了電動(dòng)機(jī)定子繞組的中心點(diǎn)和地之問的電壓,從而不需任何絕緣措施可直接使用原有的普通鼠籠式電機(jī)。
 ?。?)投資少,其費(fèi)用比同規(guī)格的進(jìn)口設(shè)備降低1/3以上。
4 實(shí)施過程及使用效果
4.1 安裝調(diào)試

  變頻器的安裝、調(diào)試從2001年11月開始,系統(tǒng)調(diào)試按如下步驟進(jìn)行:
  各控制單元單獨(dú)上電(正常→整機(jī)控制系統(tǒng)上電(正常))→主電路上電(24h正常)→帶電機(jī)運(yùn)行(先25Hz運(yùn)行8h再50Hz運(yùn)行48h正常)→帶水泵負(fù)荷運(yùn)行(針對帶載試機(jī)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行改進(jìn))。
  在調(diào)試過程中對設(shè)備出現(xiàn)的如下問題進(jìn)行了改進(jìn):
 ?。?)輸出電抗器溫度過高.在帶載試機(jī)過程中用紅外線測溫儀測得在室溫25℃ 時(shí)電抗器繞組表面溫度達(dá)110℃.經(jīng)與廠家工程技術(shù)人員研究分析,認(rèn)為其原因是原設(shè)計(jì)三相差模同心電抗器散熱效果不好.于是改用三相差模獨(dú)立分體電抗器,達(dá)到了室溫40℃時(shí)電抗器繞組表面最高溫度≤90℃ 的目的。
  (2)濾波電容器膨脹爆炸.原因是原選用成都某電器廠生產(chǎn)的電容器制造質(zhì)量有缺陷,后改用西安電氣廠同規(guī)格產(chǎn)品,未再出現(xiàn)故障。
  (3)IGBT串聯(lián)模塊驅(qū)動(dòng)電源傳導(dǎo)線放電.原因是原選用耐壓30kV的傳導(dǎo)線耐壓等級不夠.改用耐壓40kV的傳導(dǎo)線后此問題得以解決。
4.2 使用效果
  變頻器于2002年4月投入運(yùn)行,運(yùn)行情況一直良好.機(jī)組可在管道閥門全開狀態(tài)下起動(dòng),沖渣時(shí)運(yùn)行頻率49.5HZ、測試變頻器輸入端電流28A、電壓6300V、功率因數(shù)0.80、耗電功率244kW;不沖渣時(shí)運(yùn)行頻率25HZ、測試變頻器輸入端電流l0A、電壓6300V、功率因數(shù)0.82、耗電功率90kW.技術(shù)性能指標(biāo).使用變頻器前后電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)及耗電量分別見表3.

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析
 ?。?)機(jī)組確變頻調(diào)速與無變頻調(diào)速時(shí)耗電差


 ?。?)機(jī)組有變頻調(diào)速時(shí)高、低速耗電差


 ?。?)年節(jié)電量


(注:每年按365天工作日、H1一沖渣時(shí)間=15×30/60=7.5 h;H2一不沖渣時(shí)間=24—7.5=16.5
h)
(4)年節(jié)電效益Y

Y=1064340×0.56=59603O(元)


 ?。?)節(jié)約維修費(fèi)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?zèng)_刷下,很短時(shí)間內(nèi)管壁就會(huì)變薄、閥門密封損壞須重新更換.一般情況下每年需維修費(fèi)用約l5萬元.經(jīng)變頻調(diào)速改造后,有一半時(shí)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(fèi)用約30% ,即5萬元。
 ?。?)每年可節(jié)省電費(fèi)和維修費(fèi)共646030元,本項(xiàng)目設(shè)備投資共60萬元,安裝費(fèi)用1萬元,由煉鐵廠2001年固定資產(chǎn)大修費(fèi)用開支.1a可全部收回成本。
5 項(xiàng)目實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)及存在問題
 ?。?)對于經(jīng)技術(shù)論證可行的項(xiàng)目要大膽實(shí)施,敢于應(yīng)用新技術(shù),不必貪大求洋。
 ?。?)現(xiàn)有的變頻器用于元件冷卻的風(fēng)機(jī)太小,數(shù)量過多,宜采用大風(fēng)機(jī)以減少數(shù)量,有利于提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。
 ?。?)變頻器開關(guān)柜的操作目前是手動(dòng)開關(guān),宜改為直流全閘機(jī)構(gòu)控制分、合閘,以提高安全系數(shù).
(4)功率因數(shù)偏低,有待變頻器設(shè)計(jì)時(shí)改進(jìn)。
6 結(jié)語
  實(shí)踐證明國內(nèi)首例IGBT串聯(lián)直接高壓變頻器在韶鋼的應(yīng)用是成功的,開創(chuàng)了直接高壓變頻器工業(yè)應(yīng)用的先河,在高壓電子技術(shù)方面具有先進(jìn)性,在運(yùn)行方面具有高可靠性,在使用維護(hù)方面具有簡易性,在費(fèi)用投資方面具有較高的可比性,能有效地為節(jié)能降耗、提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和自動(dòng)化控制水平發(fā)揮作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳加林.IGBT直接高壓變頻器[J].變頻器世界,20O3(7).

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