高压变频器在干熄焦循环风机系统的应用研究

贺林

山西焦化股份有限公司 山西 临汾 031400

风机类设备是焦炭生产行业的耗电大户，目前主要的控制方式是采用液力耦合器调速，或通过翻板来调节风量，其中蕴藏着巨大的节能空间。采用高压大功率变频调速方案，将会产生可观的经济效益。对节能降耗起到积极作用。随着计算机技术及 IGBT等功率器件的飞速发展，高压大功率变频器产品已日渐成熟，但是对于不同的工况条件，节能效果上差别很大，不能盲目推广投运，必须对使用条件和现场工况作细致的研究。

1 干熄焦循环风机的工艺要求

干熄焦循环风机是干熄焦气体循环系统中的关键核心设备，为气体循环提供动力，根据工况调节循环风量，控制排焦温度及锅炉入口温度。在干熄焦气体循环系统的设计中，循环风机的控制方式一般有2种:循环风机不调速，采用翻板阀门来调节风量;循环风机采用液耦或变频调速来调节风量。循环风机采用变频调速技术可以更精确地调节循环气体的流量，有利于干熄焦锅炉的稳定运行。

循环风机的工艺技术参数：型号GXS160；形式，双吸入离心式风机；容积流量，232000m3/h；压力，风机全压 13.5kPa，入口静压约-4.5kPa；介质密度，0.77kg/m3；转速，1490r/min。

高压电机的工艺技术参数：型号，YKK630-4；额定功率，2240kW；额定电压，6kV；额定电流，248A；额定转速，1486r/min；功率因数，91%。循环风机的风量要求随着干熄焦系统排焦量的变化而变化，主要目的是稳定系统的排焦温度及锅炉入口温度，风量的调节通过循环风机变频调速来实现。变频器控制方式选择:远程及本地。当选择开关打到远程位置时，控制权交给干熄焦中控室 EI 系统的后台上位工控机；当选择开关打到本地位置时，控制权交给变频器。正常工作时，循环风机的入口档板全开，在干熄焦中控室EI 系统的上位工控机画面上给定频率，控制风机的转速，调节风量。

2 变频调速控制的系统性能特点

对于2240kW/6.0kV 高压变频装置，采用HARSVERT-A系列高压变频器调速系统，可以很好的满足现场调速要求。该系列变频采用新型IGBT 功率器件，全数字化微机控制，具有以下特点：

（1）高-高电压源型变频调速系统，直接 3、6、10kV输入，直接 3、6、10kV输出，无须输出变压器。

（2）输入功率因数高，电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置。

（3）输出阶梯正弦PWM 波形，无须输出滤波装置，可接普通电 机，对电缆、电机绝缘无损害，电机谐波少，减小轴承、叶片的机械震动，输出线可以长达1000m。

（4）标准操作面板配置或彩色液晶屏全中文操作界面。

（5）内置 PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要。

（6）支持 Profibus、Modbus、TCP/IP 等多种通信协议。

（7）可接受和输出0～10V／4～20mA工业标准信号。

（8）直接内置PID 调节器，可开闭环运行。

3 基本控制原理

利用变频器恒压供风的基本原理是通过主管道上安装的压力传感器实时检测主管道的压力，与设定的压力进行比较，经过PID控制器或PLC调节后，在线自动调节变频器的给定值来控制电机转速，从而控制风机的转速，使主管道压力始终稳定在设定值上，达到压力稳定的目的。它的控制原理是闭环控制，控制原理框图见图1。

图1 恒压控制原理图

从图1看出，当压力实际值小于于压力设定值时，通过PID控制器会增加变频器的给定提高电机转速，从而提高风机的转速，使主管道的压力增高，当压力实际值大于压力设定值时，通过PID控制器会减少变频器的给定降低电机转速，从而降低风机的转速，是主管道的压力减小，通过合理的设置 PID 调节器的 P（比例）、I（积分）、D（微分）参数，可以和容易的使得压力实际值与压力设定值达到一致，此时，电机会保持速度不变，实现恒压供风。

4 高压变频器调速系统原理

4.1 系统结构

HARSVERT-A系列高压变频调速系统结构见图2，由移相变压器、功率单元和控制器组成。6000V有15（或 21）个功率单元，每5（或 7）个功率单元串联构成一相。

图2 高压变频调速系统结构图

4.2 功率单元结构

每个功率单元结构上完全一致，可以互换，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥。

4.3 输出侧结构

输出侧由每个单元的U、V 输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图3所示的阶梯PWM 波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于设备改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。

图3 高压变频调速系统输出的相电压阶梯PWM波形

当某一个单元出现故障时，通过使继电器 K闭合，可将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，变频器可持续降额运行，如此可减少很多场合下停机造成的损失。

5 设备运行特点

干熄焦循环风机变频的投运调试过程顺利，投运一次成功。该变频技术成熟，性能良好，优点主要体现在：

（1）运行稳定，安全可靠。设备自投运以来，一直运行正常，没出现过故障，并具有免维护的特点，只需定期清洗柜门上的通风滤网。

（2）速度响应及时准确，起停平稳。对电网几乎无谐波干扰，大大减少了电机的振动和噪音，完全满足干熄焦气体循环系统的工艺需求。

（3）变频器自身保护功能完备，控制器用户接口电路完善，现场信号接入灵活方便，内部控制连接采用光纤通信技术，具备良好的抗电磁干扰性，可靠性大大提高。

（4）适应电网电压波动能力强。尽管厂区内电网电压波动频繁（电压波动范围为5.7～6.3kV），变频器运行仍稳定正常。

（5）节能效果显著。根据现场实际运行工况，排焦量在140t/h左右时，系统所需风量约为额定风量的30%，此时变频器的运行频率为 40Hz。

6 结束语

1）由于采用了变频调速，使得在正常生产时，电机的输出功率大大降低，节能效果明显，比挡板调速大约节能在30%以上；

2）系统具有软启动功能，减小了在启动鼠笼式电动机时对电网的冲击，对整个电网起了保护作用，而且采用12脉动整流，有效地消除了谐波；

3）通过 PLC、中压变频器来控制电机转速来调节风机的风量和风压，真正实现了风量和风压的无级调速，波动很小；

4）采用变频调速，风机挡板始终保持全开状态，降低了磨损，且大力矩执行机构工作次数减少，故障率降低。