鐵合金的生產，多數靠金屬氧化物等礦石還原。這種還原需要在較高溫度下、消耗大量能源才能實現(xiàn)。電爐作為鐵合金生產的主要設備,電爐產生的高溫煙氣，經煙道進進空冷器冷卻再進進袋式除塵器。除塵器清下的積塵，由煙塵灰斗排出，凈化后的廢氣經風機送進煙囪，排進大氣。除塵系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　除塵系統(tǒng)結構

             電爐煉鐵時產生的有害物污染主要體現(xiàn)在電爐加料、冶煉、出鐵3個階段。電爐冶煉一般分為熔化期、氧化期和還原期，其中氧化期強化脫炭，由于吹氧或加礦石而產生大量赤褐色濃煙。在上述3個冶煉期中，氧化期產生的煙氣量最大，含塵濃度和煙氣溫度最高。因此，電爐除塵系統(tǒng)按照氧化期的最大煙塵排量進行設計。在系統(tǒng)最大風量需求的基礎上增加1.1～1.3倍的安全裕度進行除塵風機選型設計。整個冶煉過程中吹氧時期占30～35%，此時風機處于較高負荷運行，而其余時間則處于較低運行工況。很顯然，除塵系統(tǒng)的利用率很低且系統(tǒng)效率差。

             長期以來，不論電爐處于哪一個運行階段，產生的粉塵大小均使除塵風機全速運行，騰達西北鐵合金有限公司原采用液力耦合器調節(jié)，效率低、功耗大、造成大量的電能浪費。隨著市場競爭的不斷加劇，節(jié)能降耗、進步生產效率成為企業(yè)發(fā)展進步競爭力的有效手段之一。

             為滿足高壓變頻改造中的變頻器要求，我廠本著安全第一、質量可靠的方針進行認真的分析，以為采用jd-bp37高壓變頻器完全能滿足要求，制定出如下技術方案，此方案具有以下特點:

             （1） 優(yōu)良的調速性能，滿足負載工藝要求;
    （2） 良好的節(jié)能效果，進步系統(tǒng)運行效率;
    （3） 實現(xiàn)系統(tǒng)軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護用度，延長設備使用壽命;
    （4） 系統(tǒng)安全、可靠，確保負載連續(xù)運行;
    （5） 控制方便、靈活，自動化水平高。

         2　變頻器選型及性能特性

             設計時，根據電機容量，及考慮海拔高度，選用高壓變頻器，對風機系統(tǒng)進行改造，變頻器串在原控制回路中，通過旁路開關柜來進行工/變頻的轉換，保持原來的啟停操縱方式不變。改造后，通過高壓變頻器，來控制高壓風機運行。

             電爐的冶煉周期一般為70～85分鐘，其中裝料6～10%，送電熔化25～30%，吹氧30～35%，還原期15～20%，沖渣出鐵6～8%。在不同的生產工藝階段，電爐產生的煙氣量和煙氣溫度不同，且差異較大。加料過程中，主要是裝料時廢鋼及渣料產生的揚塵，需要的除塵風量不大，要求粉塵不擴散，不污染電爐周邊工作環(huán)境為標準。送電過程中是原料送電拉弧加熱，引發(fā)可燃廢棄物燃燒產生廢氣。此時，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態(tài)，要求煙塵能夠及時排出，又不能過多的帶走爐體熱量以保證煉鋼周期。而在吹氧期間，不僅要求除塵系統(tǒng)能夠及時迅速的將廢氣和粉塵排走，又必須保證爐體有合適的吹煉溫度，確保終點溫度。因此，對除塵系統(tǒng)要求較高。進進還原期，吹氧告一段落，粉塵度再一次降低。在沖渣出鋼時，主要排放物是沖渣產生的水蒸汽和少量廢氣。

             通過對冶煉工藝的分析:電爐在煉鐵過程的不同階段對除塵風量的大小有明顯的不同，以吹氧冶煉為最大，加料除塵為最低。鑒于電爐除塵系統(tǒng)中除塵風機的運行方式和設備特點，對除塵風機的控制選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司自主研發(fā)生產的，適合驅動高壓異步電動機的jd-bp37-800f型變頻器。

         2.1　主要技術性能指標

             （1）額定輸進電壓，6kv（-20%～+15%）;
    （2）輸進頻率，45 ～ 55hz;
    （3）輸進方式，36脈沖二極管全波整流輸進;
    （4）輸出方式，每相6單元 載波移相 正弦波脈寬調制輸出;
    （5）輸進功率因數，大于0.96（額定負載時）;
    （6）效率（含變壓器），大于96%（額定負載時）;
    （7）輸出頻率，0 - 50hz，連續(xù)可調;
    （8）頻率分辨率，0.01hz;
    （9）過載能力，120%連續(xù)，150%1min;
    （10）控制電源，雙路供電，220vac，5kva;
    （11）冷卻方式，強制風冷;
    （12）防護等級，ip20;
    （13）模擬量輸進，四路，0～5v/4～20ma，任意設定;
    （14）模擬量輸出，兩路，0～5v/4～20ma可選;
    （15）開關量輸進輸出，32進/16出（可按用戶要求擴展）;
    （16）通訊接口，rs－485接口;
    （17）運行環(huán)境溫度，0～40℃;
    （18）貯存/運輸溫度， -40～70℃;
    （19）環(huán)境濕度，<90%（20℃時），不凝露;
    （20）安裝海拔高度，<1000m（超過1000m時，需降額運行）;
    （21）運行參數自動記錄和輸出、自動故障記錄、限流功能、輸出電壓自動調整功能、瞬時停電自動跟蹤功能、單元旁路功能等。

         2.2　外形尺寸及安裝要求

             變頻器外形尺寸（不含旁路柜） 
    長×寬×高= 4600×1200×2300（mm）
    旁路柜外形尺寸
    長×寬×高= 1200×1200×2300（mm）

             變頻器采用底部進出線方式，從正面看，高壓進出線孔位于左部旁路柜居后的位置，二次進出線電纜孔位于控制柜居前的位置。變頻器應安裝在電纜溝上，如圖2所示。

圖2　變頻器安裝圖（側面）

             變頻器在正面操縱。為了保證操縱、維護的方便性和透風散熱效果，變頻器正面距墻間隔不小于1.5m，背面和頂部距墻間隔不小于1m。

             室內冷卻方式:空調制冷;墻上安裝排風扇;柜頂加風罩集中透風。

         2.3　風光變頻器的主要上風特點

             風光jd-bp系列高壓變頻器與國內外同類產品比較，在產品功能設計、產品質量保障措施、系統(tǒng)安全設計和服務方面，具有以下上風和特點:

             （1）輸進、輸出諧波含量低，輸進功率因數高。無須濾波器和功率因數補償，可直接驅動電機;
    （2）系統(tǒng)控制電源采用220vac和高壓主電源降壓隔離后雙路供電，系統(tǒng)運行更可靠、操縱更簡便�？稍跓o高壓電的情況下檢測變頻器的輸出及各點波形，便于調試、檢驗及操縱職員陪訓;
    （3）冷卻風機采用高壓主電源降壓后直接驅動，風機僅在上高壓電且變頻器開機后運行，避免了冷卻風機啟、停時對控制系統(tǒng)的影響;
    （4）功率單元工作電源為外部開關電源，避免了高壓瞬時掉電時對單元的控制電源的影響;
    （5）更適應于國內電網條件，變頻器工作電壓范圍為（+15%～－20%）un，如6kv系列可穩(wěn)定運行于6900v電壓條件下;
    （6）瞬時停電保護功能。當主電源失電后，變頻器控制電機處于發(fā)電狀態(tài)運行，為單元電容充電，并為單元控制電源供電，直至主電源恢復，變頻器回到原運行狀態(tài)。瞬時停電時間典型值為3s（具體時間可以根據用戶的系統(tǒng)而定），超過3s變頻器則保護，檢查停電原因，以免變頻繼續(xù)運行而引起事故;
    （7）限流功能。避免啟動或負載忽然變化時，使變頻器輸出電流過大而導致保護動作;
    （8）操縱平臺采用全中文win系統(tǒng)，運行穩(wěn)定，且易學易用;
    （9）結構緊湊;
    （10）完善的上位機控制功能。可與dcs系統(tǒng)實現(xiàn)通訊或i/o方式硬連接。
    （11）主要器件均采用世界一流廠商的成熟產品，產品從元器件至半成品及成品，均實現(xiàn)100%的嚴格測試。各系列產品出廠前均完成100% 72h以上負載測試記錄，確保產品的可靠性。
    （12）在系統(tǒng)運行安全可靠性設計方面，我公司擁有獨享專利技術:一種使電解電容延長一倍使用壽命的裝置。
    （13）有較強的工程設計能力和溝通意愿，能根據用戶現(xiàn)場條件和控制要求量身定做，及時滿足用戶的不同需求;
    （14）功率單元模塊化設計，可以互換，維護簡單;
    （15）二次接線模塊化設計，現(xiàn)場接線簡單，安裝周期短。

         2.4　一次回路的工作原理

             一次回路由進線柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操縱控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現(xiàn)故障時，將電機投進到工頻電網運行，保證生產不受影響。

             變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。

             手動旁路柜（如圖3所示）。

圖3　變頻器安裝圖（側面）

             圖3所示的旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，k2與k3采用電磁互鎖操動機構，實現(xiàn)電磁互鎖。當k1、k3閉合，k2斷開時，電機變頻運行;當k1、k3斷開，k2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢驗、維護和調試。

             旁路柜必須與上級高壓斷路器dl連鎖， dl合閘時，盡對不答應操縱旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操縱職員和設備的安全。

             （1） 合閘閉鎖:將變頻器“合閘答應”信號與旁路柜“工頻投進”信號并聯(lián)后，串聯(lián)于高壓開關合閘回路。在變頻投進狀態(tài)下，變頻器故障或不停當時，上級高壓開關（斷路器dl）合閘不答應;旁路投進狀態(tài)時，合閘閉鎖無效。
    （2） 故障分閘:將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投進”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關分閘回路。在變頻投進狀態(tài)下，當變頻器出現(xiàn)故障時，分斷變頻器高壓輸進;旁路投進狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。
    （3） 保護:保持原有對電機的保護及其整定值不變。

         2.5　二次回路及控制

             控制系統(tǒng)由控制器，plc和人機界面組成。控制器由三塊光纖板，一塊信號板，一塊主控板和一塊電源板組成。

             光纖板通過光纖與功率單元傳遞數據信號，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發(fā)出脈寬調制（pwm）信號或工作模式。單元通過光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號，并在故障時向光纖板發(fā)出故障代碼信號。

             主控板采用高速單片機，完成對電機控制的所有功能，采用正弦波載波移相方式產生脈寬調制的三相電壓指令。通過rs-232通訊口與人機界面主控板進行交換數據，提供變頻器的狀態(tài)參數，并接受來自人機界面主控板的參數設置。

             人機界面為用戶提供友好的全中文操縱界面，負責信息處理和與外部的通訊聯(lián)系，可選上位監(jiān)控而實現(xiàn)變頻器的網絡化控制。通過主控板和plc采集的數據，計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數，提供記錄功能，并實現(xiàn)對電機的過載、過流進行報警和保護。通過rs-232通訊口與主控板連接，通過rs-485通訊口與plc連接，實時監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。

             plc用于變頻器內部開關信號以及現(xiàn)場操縱信號和狀態(tài)信號的邏輯處理，增強了變頻器現(xiàn)場應用的靈活性。plc有處理4路模擬量輸進和2路模擬量輸出的能力，模擬量輸進用于處理來自現(xiàn)場的流量、壓力等模擬信號或模擬設置時的設置信號;模擬輸出量是頻率給定信號。

圖4　高壓變頻調速系統(tǒng)的結構圖 （以6單元的為例）

             其系統(tǒng)結構如圖4示。由移相變壓器，功率單元和控制器組成。風光6kv高壓變頻器，變壓器有18組付邊繞組，分為6個功率單元 / 相，三相共18個單元，采用36脈沖整流，輸進真?zhèn)�諧波成分遠低于國標規(guī)定。
 
2.5.1　控制方式

             風光變頻器有三種控制方式:

             （1）本地控制:從變頻器操縱界面控制電機的啟動和停機，并能完成變頻器的所有控制;
    （2）遠程控制:通過內置plc接受來自現(xiàn)場的開關量控制;
    （3）上位控制:通過rs-485接口，采用prpfibus通訊協(xié)議，接收上位dcs系統(tǒng)的控制;或與dcs硬連接。

         2.5.2　速度設置方式（或閉環(huán)運行時的給定方式）:

             風光變頻器有多種速度設置方式，在閉環(huán)運行時，速度設置方式即為被控量的給定方式:

             （1） 本地設置:通過薄膜式液晶屏設置運行頻率;
    （2） 模擬設置:接收dcs系統(tǒng)0～10v或4～20ma模擬信號設置運行頻率或被控量給定值;
    （3） 通訊設置:通過通訊方式接收來自dcs系統(tǒng)的運行頻率或被控量給定值;
    （4） 多檔設置:通過開關量設置多檔運行速度或被控量給定值;
    （5） 閉環(huán)調節(jié):由pid自動設置運行頻率。

      ,車間降溫設備;   2.5.3　運行方式

             風光變頻器有開環(huán)和閉環(huán)兩種運行方式。

             （1） 開環(huán)運行:變頻器以設置頻率輸出。頻率（或稱速度）的設置方式有本地設置、模擬設置、通訊設置和多檔設置。
    （2） 閉環(huán)運行:對一個運行參數（如流量、壓力、溫度等，簡稱被控量，此處以壓力為例）實現(xiàn)跟蹤控制。閉環(huán)運行時，實際壓力信號來自于現(xiàn)場信號，而壓力期看值有3種設置方式，分別為本地設置、模擬設置、通訊設置。

         2.5.4　對外接口

             （1） 模擬量輸進:2路，4～20ma 或0～5vdc 。4～20ma時輸進阻抗250ω，0～5vdc電壓輸進時輸進阻抗≥10mω。用于接收速度設置或被控量設置的模擬信號。
    （2） 模擬量輸出:2路，4～20ma 或0～5vdc輸出。4～20ma輸出時最大阻抗500ω，0～5vdc電壓輸出時最小阻抗5000ω。以模擬方式輸出變頻器的運行速度、變頻器的輸出電流等變量。
    （3） 數字量輸進:32路，光電隔離，隔離電壓500vac。接收遠程控制信號，速度給定開關信號及各開關狀態(tài)等。
    （4） 數字量輸出:16路，中間繼電器隔離，隔離電壓750vac，接點容量5a。輸出變頻器狀態(tài)，控制主電源開斷等。
    （5） 通訊接口:rs-485，profibus通訊規(guī)約，實現(xiàn)與上位系統(tǒng)的通訊。

             控制接線如附表所示。

             附表　控制接線編號

         2.5.5　全中文windows人機界面

         　　全中文windows人機界面如圖5所示。

   ,負壓風機報價;     

圖5

             主界面如下:

             參數設置界面（如圖6所示）。

圖6　人機界面

         3　工作原理

             風光變頻器采用先進的功率單元串聯(lián)疊波（又稱功率單元多重化結構）方式、正弦波pwm調制方法，利用成熟的低壓變頻器技術和功率器件igbt，從原理上保證了系統(tǒng)的可靠性，并使變頻器的輸進輸出波形得到極大改善，在美國該方式變頻器號稱完美無諧波。

             功率單元和控制系統(tǒng)之間采用光纖通訊，實現(xiàn)強弱電間的完全電氣隔離，進步了整個系統(tǒng)的抗干擾能力。

         4　單元旁路及冗余設計

    ,廠房負壓通風降溫設計;         為了最大限度滿足試驗連續(xù)運行的要求，本系統(tǒng)提供兩種旁路運行方式:單元旁路和工頻旁路。

         4.1　單元旁路

             運行過程中，若某個功率單元發(fā)生可旁路性故障（如單元過熱、單元過流、igbt故障等），系統(tǒng)將自動旁路掉故障單元及另外兩相相同位置的單元。單元旁路后，因每相串聯(lián)單元數減少，變頻器將降容運行（輸出額定電流不變，額定電壓降低）。此時，若變頻器運行頻率較低，單元旁路不對變頻器運行造成任何影響。

             功率單元采用晶閘管作為旁路器件，整個旁途經程是微秒級的，不會對運行產生沖擊。因此，旁路是無擾動的。

             變頻器單元旁路運行時，將給出輕故障報警信號。在條件答應的情況下，用戶應盡快使變頻器退出運行，更換故障單元。

         4.2　工頻旁路

             當變頻器發(fā)生重故障無法繼續(xù)運行時，變頻器將立即分斷高壓輸進，系統(tǒng)自動將電機投進工頻運行，以確保生產的連續(xù)性。

             從上述幾點可以看到，首先風光變頻器是穩(wěn)定可靠的，其次，即便變頻器出現(xiàn)故障，仍可以通過相應手段保證電機繼續(xù)運行，不會對生產造成影響。

         5　風機的特性及節(jié)能效益分析 

             風機是一種平方轉矩負載，其轉速n與風量ｑ、風壓ｈ及風機軸功率的關系為：
    ｑ1＝ｑ2（n1/n2）、h1＝h2（n1/n2）2、ｎ1＝n2（n1/n2）3 

             當然轉速的下降也會引起效率的降低及對附加控制裝置的效率影響等，假定效率為η,一般為80%。

             采用變頻技術調節(jié)不同風量時消耗的功率為:
    p變=n3p1/η

             原運行狀態(tài)風機擋板開度約為70%，變頻改造后，將風門全開，調整電機轉速，頻率調至工頻頻率的70%,頻率按調至38hz運行。
    則n= n1/n2=38/50=0.76

             （1）201#風機
　　電機參數為:
　　p0=800kw u0=6000v i0=89.54a cosφ=0.90
　　原系統(tǒng)實際運行功率為p1≈515kw
　　在變頻低速（38hz）下運行時的功耗為:
　　p變1=n3p1 / η =0.763 ×515/0.80=282kw
　　變頻改造后在吹風時，可以運行在38hz，可以滿足生產的需要。
　　變頻改造后在吹風時每小時節(jié)省電能為:
　　△p= p1－p變2=515－280=235kw
　　根據電爐逐日出鐵四次,每爐均勻冶煉時間4h。
　　共計節(jié)省電能w=△p×t=235×4=940kw?h
　　按電費0.31元/ kw?h，天天4爐，每年300天計算,
　　節(jié)省電費:0.31×4×940×300=349680.00元
    （2）202#風機
　　電機參數為:
　　p0=800kw u0=6000v i0=89.54a cosφ=0.90
　　原系統(tǒng)實際運行功率為p1≈595kw
　　在變頻低速（38hz）下運行時的功耗為:
　　 p變1=n3p1 / η =0.763 ×595/0.80=208kw
　　變頻改造后在吹風時，可以運行在38hz，可以滿足生產的需要。
　　變頻改造后在吹風時每小時節(jié)省電能為:
　　△p= p1- p變2=595-208=387kw
　　根據電爐逐日出鐵4次,每爐均勻冶煉時間4h。
　　共計節(jié)省電能w=△p×t=387×4=1540kw?h
　　按電費0.31元/ kw?h，天天4爐，每年300天計算,
　　節(jié)省電費:0.31×4×1540×300=572880.00元
    （3）101#風機
　　電機參數為:
　　p0=630kw u0=6000v i0=71.62a i1=60a cosφ=0.90
　　原系統(tǒng)實際運行功率p1=1.732×i1×u×cosφ=
　　 1.732×60×6000×0.90≈561kw
　　在變頻低速（38hz）下運行時的功耗為:
　　p變1=n3p1/ η =0.763 ×561/0.80=307kw
　　變頻改造后在吹風時，可以運行在38hz ，可以滿足生產的需要。
　　變頻改造后在吹風時每小時節(jié)省電能為:
　　△p= p1－p變2=561－307=254kw
　　根據電爐逐日出鐵4次,每爐均勻冶煉時間4h
　　共計節(jié)省電能w=△p×t=254×4=1016kw?h
　　按電費0.31元/ kw?h，天天4爐，每年300天計算,
　　節(jié)省電費:0.31×4×1016×300=377952.00元
    （4）102#風機
　　電機參數為:
　　p0=800kw u0=6000v i0=89.54a cosφ=0.90
　　原系統(tǒng)實際運行功率為p1≈595kw
　　在變頻低速（38hz）下運行時的功耗為:
　　p變1=n3p1 / η =0.763 ×595/0.80=208kw
　　變頻改造后在吹風時，可以運行在38hz，可以滿足生產的需要。
　　變頻改造后在吹風時每小時節(jié)省電能為:
　　△p= p1- p變2=595-208=387kw
　　根據電爐逐日出鐵4次,每爐均勻冶煉時間4h。
　　共計節(jié)省電能w=△p×t=387×4=1540kw?h
　　按電費0.31元/ kw?h，天天4爐，每年300天計算,
　　節(jié)省電費:0.31×4×1540×300=572880.00元

         6　結束語

             變頻改造后，節(jié)能是主要的，其次還能帶來很多其他的效益。

             （1）變頻調速器其良好的可靠性以及調速范圍廣且平滑能滿足工藝要求，軟啟動，小的啟動電流亦可以減少對電網的沖擊；
    （2）變頻系統(tǒng)各種保護功能可靠，從而消除了因電機過載或單相運行而燒毀電機的現(xiàn)象，確保了安全運行；
    （3）減少了設備的維護和維修量，降低了維修用度；
    （4）減少了調節(jié)閥門的開關次數，降低員工的勞動強度；
    （5）改造后，精簡了控制程序，使操縱更加方便，進步了生產效率，從而達到了節(jié)能降耗的目的。其綜合效益是特別明顯的。