科陆电子某钢铁公司1800KW一次除尘风机变频改造方案

一、概述

变频调速技术是当代最先进的调速技术，它不仅能够很方便实现自动调速，达到满足炼铁工艺要求，而且更重要的是这项技术应用在风机、泵类等具有平方转矩特性的负载时，可以节约大量的能量，最大节能率可以达到30％～70％。因此应用此项技术对钢铁公司二炼铁厂炉前除尘风机进行节能改造将会有非常明显的经济意义，同时它也具有优良的环境意义和优异的速度调节性能，能最大限度地提高企业的经济效益。

二、风机及配套电机技术参数

2.1 电动机参数表
2.1.1

2.1.2

2.1.3

根据一次除尘风机及配套电动机参数以及用户要求，
表2.2.1

表2.1.2

表2.1.3

三、变频改造技术方案

对于变频改造项目来说，应从实际出发，全面考虑，综合比较，首先是必须保证变频调速装置的可靠、稳定运行。其次是节能降耗和技改投资的回收。再次是尽可能避免更换原有电机，减少系统的变动。最后，变频调速装置尽可能安装在现成的厂房、机房或控制室等建筑内，避免增加土建工程。

根据用户要求，采用CL2700-10系列型高压大功率变频器进行改造后，电气系统一次原理示意图如下图所示。

10kV电源经变频装置进线刀闸QS2到高压变频装置，变频装置输出经出线刀闸QS3送至电动机；10kV电源还可经旁路刀闸QS1直接起动电动机。进线刀闸QS2和旁路刀闸QS3的作用是：一旦变频装置出现故障，即可马上手动断开进线刀闸QS2和出线刀闸QS3，将变频装置隔离。手动合旁路刀闸QS1，在工频电源下起动电机运行。旁路柜进出线刀闸QS2、QS3和旁路刀闸QS1之间装设机械闭锁装置，旁路柜系统满足“五防”联锁要求。进线刀闸QS2、出线刀闸QS3在拉开的时候在高压变频器侧自动接地。

                    主要配置为：
                    1)   模块柜一台；
                    2)   控制柜一台；
                    3)   变压器柜一台；
                    4)   旁路柜一套；
                    5)   相关算法及控制软件一套。
3.2 变频改造二次回路改造

二次回路改造中对原有的10kV电动机保护不用作任何更改。因为增加了高压变频器，如果需要有远程操作，那么变频器与远程操作设备之间需要增加了一些必须的AI/AO、DI/DO信号（详细的单台信号清单参见实施方案）。

此外需要给高压变频器提供两路（两段不同母线上的）AC220V/3kVA的控制电源。

以上这些增加信号、控制电源都较容易实现。

3.3 安装场所问题

每台除尘风机配备的变频器外形尺寸为6280×1258×2624（L×W×H）mm。因为变频器对工作环境温度和现场粉尘有一定要求，所以需要给变频器提供一个相对独立密闭的房间，若三台变频器安装在一个房间内的话，尺寸为8200×8500×4000（L×W×H）mm。

四、CL2700-10系列高压变频调速装置的基本性能
      1)   变频器为高－高结构，10kV直接输出，不需输出升压变压器，输出为单元串联移相式PWM方式； 
      2)   进线变压器采用干式变压器，按H级绝缘等级设计，配金属外壳、冷却风机，具有就地和远方超温报警和相应的控制功能；进线变压器能承受系统过电压和变频装置产生的共模电压以及谐波的影响。
      3)   进线变压器允许过负荷能力符合IEC干式变压器过负荷导则及相应国标要求。 
      4)   进线变压器安装在户内，并与高压变频装置布置在一起。供方负责进线变压器同高压变频装置之间的连接。 
      5)   进线变压器在出厂前已进行出厂试验。试验内容和方法应满足相应的国际标准和国家标准，所有试验应提供试验报告。 
      6)   进线变压器在各分接头位置时，能承受线端突发短路的动、热稳定而不产生任何损伤、变形及紧固件松动。 
      7)   系统一体化设计，包括输入干式隔离变压器，变频器等所有部件及内部连线，用户只须连接高压输入、高压输出、低压控制电源和控制信号线即可。整套系统在出厂前进行整体测试；
     8)   60脉冲输入符合并优于IEEE519～1992及GB/T14549～93标准对电压失真和电流失真最严格的要求；  
    9)    在20～100%的负载变化情况内达到或超过0.96的功率因数，并且电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置；
  10)   无需加装输出滤波器变频器就可输出正弦波形的电流和电压，因此对电机没有特殊的要求，可以使用普通异步电机，电机也不必降额使用。具有软起动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行；
  11)    变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%。变频器有共振点频率跳跃功能，可避免喘振现象。 
  12)    变频装置对输出电缆长度无任何要求，电机不会受到共模电压和dv/dt的影响； 
  13)    变频器可进行空载调试； 
  14)    变频器对电网电压波动有极强的适应能力，在+10%～-10%范围内变频器能满载工作，可以承受35%的电网电压下降而降额继续运行，电网瞬时失电5个周期可满载运行不跳闸；
  15)    变频器效率（包括变压器）>96%； 
  16)    控制系统采用全数字微机控制，有很强的自诊断功能，能对所发生的故障类型及故障位置提供中文指示，能在就地显示并远方报警，便于运行人员和检修人员能辨别和解决所出现的问题； 
  17)     具有就地监控方式和远方监控方式。在就地、远方监控方式下，通过变频器上的触摸屏显示，可进行就地人工启动、停止变频器，可以调整转速、频率；控制窗口采用中文操作界面，功能设定、参数设定等均采用中文；
  18)    变频器高压主回路与控制器之间为光纤连接，具有很高的通信速率和抗干扰能力，安全性好； 
  19)    控制系统具有在线检测变频器输入电流、输出电流、频率等； 
   20)   输出频率分辨率：0.01Hz； 
   21)   过载能力为120% 1min，150% 3s，200%立即保护（<10μs），满足泵类和风机类负荷要求； 
   22)   转矩特性：0～50Hz恒转矩特性，额定转矩输出，转矩阶跃响应＜200ms。50Hz以上恒功率特性，最大转矩与转速成反比下降； 
   23)    变频调速系统运行噪声<80dB； 
   24)    调速范围：0-100%连续可调； 
   25)    加/减速时间0.1-3000 秒，可按工艺要求设定，常规工程180～300秒； 
   26)    输出频率0-50Hz(根据电机情况可设定)； 
    27)   变频器抗地震能力为7级，振动0.5G； 
    28)   临界速度可跳过(共3组，可任意设定)； 
    29)   安装、设定、调试简便； 
    30)   功率电路模块化设计，维护简单； 
    31)   完整的故障监测电路、精确的故障报警保护；
    32)   自带冷却风机，风机电源与控制电源分开取电，电源取自输入侧变压器；冷却风机故障由柜体风道风压参数反映并报警。
    33)   内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；
    34)   可灵活选择就地/远程控制； 
    35)   完整的通用变频器参数设定功能； 
    36)   优异的性能/价格比； 
    37)   自备UPS，可维持30分钟；
    38)   变频装置有过电压，过电流，欠电压，过载，过热保护。
    39)   为了保证变频装置安全可靠运行，加有功率单元自动旁路系统。旁路柜隔离开关之间和变频装置电源开关之间须装设机械闭锁装置。变频装置两侧的隔离开关在拉开的时候在变频器侧自动接地。

五、CL2700-10系列变频器保护功能
     1)    输入变压器带浪涌吸收保护 
     2)    每个功率单元带三相输入熔断器保护 
     3)    过压保护：检测母线电压，如果超过额定电压值的130%，则变频器保护。此保护实际上包括了对电网电压正向波动的保护。 
     4)    过流保护：电机额定电流大于150%，立即保护。 
     5)    欠压保护：检测母线电压，如果低于设定的数值（65％额定电压）持续30秒后，则变频器保护。 
             此保护实际上包括了对电网电压负向波动的保护。 
     6)    缺相保护：当变频器输入侧缺相时，变频器会发出报警信号。 
     7)    输出短路保护：当发生输出短路故障时，会立刻保护。 
     8)    超频保护：当发生超频现象时，会立即保护。 
     9)    失速保护：当发生失速时，会立即保护。 
    10)   过载保护：电机额定电流的120%，电机能连续运行60秒钟；在电机额定电流的150%，立即跳闸保护。 
    11)  过热保护：过热保护包括两重保护：
          a) 变频器过热保护：在变频调速系统功率模块单元中设置温度检测，当功率模块温度极限超过预先设置的值（功率器件85℃）时会立即保护。
         b) 变压器过热保护：在变压器的绕组内安装有热电阻测温装置，当变压器温度超过预先设置的值（功率器件130℃）时会发出变压器温度过高报警信号，当变压器温度超过150℃时会发出变压器温度超高报警信号，当该报警延时5分钟后依然存在，变频器会进行变压器温度超高故障保护。

    12)   具备瞬时断电再上电的能力。在主电源失电或设备进行供电母线切换时，可坚持10s内不停机，等电网电压恢复正常后，变频器自动恢复到失电前的工作状态，而不需要手动复位或调整，可大大减少了电压跌落造成的停机现象。

以上保护可以设置与10kV断路器开关进行相应的联跳。保护性能符合有关国家标准的规定。

电网送来的三相10kV、50Hz交流电，经移相变压器，供电给10个功率单元，控制IGBT的通断，即可在A、B两点之间得到PWM波形，10个功率单元相叠加进行波形合成，三相共30个功率单元，形成Y联结结构。即可输出高压正弦波给感应电动机。

每个功率单元的额定电压为580V，相邻功率单元的输出联接起来，使得变频器的额定相电压为5800，线电压为10000V。每个功率单元由一体化的移相变压器的副边线圈分别供电。为了降低输入谐波电流，移相变压器实行多重化设计，30套副边绕组，采用延边三角形联结，每相分为10个不同的相位组，互差6°电角度。

功率单元是一个三相输入单相输出的电压型逆变器结构，形成60脉波整流。移相变压器副边输出的580V三相交流电经功率单元的三相二极管整流桥整流后，经滤波电容形成直流母线电压，再经由4个IGBT构成的H型单相逆变桥，实行PWM控制，在其输出端输出电压为0～580V、频率为50Hz/60 Hz（此频率可根据电机的额定频率调整）的单相交流电，每个单元中有4种不同的开关组合，即V1和V4同时导通，则输出正的直流母线电压+U；V2和V3同时导通，则输出负的直流母线电压-U；V1和V3同时导通或V2和V4同时导通，输出电压为0。由此可见，4种不同的开关状态，输出了3种不同的电压，即+U、O和-U。每相10个功率单元串联叠加，共有21种电平即O、±U、±2U、±3U、±4U、±5U、±6U、±7U、±8U、±9U、±10U。对应的线电压，有37种电平。而一般的变频器，其输出电压的电平数只有2个或3个，由于输出电压的电平数越多，变频器的输出电压波形就越接近正弦波，使输入电流波形接近正弦波，总的电流谐波失真低于1％。这就使得该变频器的输出电压波形非常接近正弦波。不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。这一优点是其它任何类型的变频器无法比拟的。

采用变频器对二炼铁厂炉前除尘风机进行改造后可以：
                    1)     节能；
                    2)     改善工艺过程，根据工艺需求自动调节风量；
                    3)     提高生产工艺自动化程度，实现除尘风机自动调节；
                    4)     减轻电机起停时对管网造成的冲击；
                    5)     延长设备的使用寿命，减少维修量。

附件3：产品主要技术优势

深圳市科陆变频器有限公司是目前国内3kV/6kV/10kV电压等级串联多电平技术的高压变频器设计、生产与服务的企业。其产品的主要电子元器件均采用德国、美国进口，其水平状况在国内处于领先地位，完全可以取代同类国外进口产品。

对比于国内外其他厂家，深圳市科陆变频器有限公司高压变频器的主要技术优势如下：

（一）高效率、无污染、高功率因数

CL2700系列高压变频调速系统采用的是功率单元串联的高-高方案，采用了多绕组高压移相变压器，二次侧绕组中流过的电流，在变压器一次侧叠加时，形成非常逼近正弦波的电流波形。经过实际测试，50Hz运行时，网侧电流谐波< 2％，电机侧输出电压谐波 < 1.5％（即使在40Hz时，仍然 < 2％），成套装置的效率> 97％，功率因数 > 96％。完全满足了IEEE 519－1992对电压、电流谐波含量的要求。

通过采用自主开发的专用PWM控制方法，比同类的其它方法可进一步降低输出电压谐波1～2（二）先进的故障单元旁路运行（专业核心技术）

为了提高系统的可靠性，整个变频调速系统中考虑了一定的输出电压余量，并在各功率单元中增加了旁路电路。当某个功率单元出现故障时，可以自动监测故障并启动旁路电路，使得该单元不再投入运行，同时程序会自动进行运算，调整算法，使得输出的三个线电压仍然完全对称，电机的运行不受任何影响。这种控制方法处于国际先进，国内领先水平，将大大提高系统的可靠性。

（三）高性能的控制技术

CL2700系列高压变频调速系统率先实现了简易矢量控制技术，可以实现恒转矩快速动态响应，并且具有加、减速自适应功能，即可根据运行工控参数的实际情况，自动调整加、减速时间，在不超过最大允许电流的情况下，快速达到设定转速。同时，系统可以自动识别电机转速，用户可以不考虑电机目前的运行状态，电机不需要停止运行时，可直接实现电机的启动、加速、减速或停止操作。

CL2700系列高压变频调速系统还可以实现反馈能量自动限制功能。 
（四）高可靠性

控制电源可实现外部380V供电和高压电源辅助供电双路电源自动切换，即使两路电源都出现故障时，控制系统仍然可以工作足够长的时间，控制整个系统安全停机，发出报警，并记录故障时的所有状态参数。

采用高速光纤通信，可有效避免电磁干扰。

当单元故障数目超过设定值时，系统可自动切换到工频运行。

整流变压器有完善的温度监控功能。

独特设计的功率柜风道，主要发热元器件都靠近或处于风道中，散热效果好，保证了系统的过载能力。

抗电网电压波动能力强，当电网电压在－15％～＋15％范围内波动时，系统可以正常工作；对于功率单元，在电压－25％～20％范围内变化时，都可正常工作。