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高壓變頻調(diào)速技術(shù)在連鑄噴霧冷卻供水系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘 要:
本文介紹了高壓變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理及單元串聯(lián)多電平型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及其在連鑄噴霧冷卻供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:
變頻調(diào)速 恒壓供水 旁路
1.引言
我公司煉鋼水處理站連鑄噴霧冷卻供水泵組向煉鋼廠不銹鋼連鑄機(jī)供應(yīng)工業(yè)水。原設(shè)計(jì)流量400 m3/h,壓力1.4MPa,而連鑄機(jī)生產(chǎn)需要最大流量為370m3/h,壓力為1.3MPa,該泵組在工頻運(yùn)行下供水管網(wǎng)壓力過高,對連鑄生產(chǎn)造成不利影響。同時(shí),為保證供水連續(xù)性,在連鑄機(jī)待機(jī)時(shí)該泵組仍在全負(fù)荷供水,此時(shí)工業(yè)水從泄壓閥流回工業(yè)水池,造成了電能的巨大浪費(fèi)。
隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)和計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展,高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。它不僅解決了大功率風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速和軟啟動(dòng)問題,而且節(jié)能顯著。為此,公司決定增加高壓變頻器對該泵組電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)多方面分析后,選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A型高壓變頻器,在滿足煉鋼廠用水條件的前提下降低管網(wǎng)壓力、流量,節(jié)約能源。
2.高壓變頻調(diào)速技術(shù)
2.1 高壓變頻調(diào)速原理
變頻調(diào)速是通過改變電源頻率來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的。對于異步電動(dòng)機(jī)而言,設(shè)f為定子電源頻率,s為轉(zhuǎn)差率,p為磁極對數(shù),n為轉(zhuǎn)速,按照電機(jī)學(xué)的基本原理,電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式:
由上式可見,電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0(n0=60f/p)正比于電機(jī)的運(yùn)行頻率f,由于轉(zhuǎn)差率s一般情況下比較。0~0.05),電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n約等于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0,所以改變電機(jī)的電源頻率f,就能改變電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。
2.2 單元串聯(lián)多電平型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)
(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由移相變壓器柜、功率柜和旁路柜組成。10kV系統(tǒng)為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用700V功率單元,每8個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相,共有24個(gè)功率單元,串聯(lián)方式采用星型接法,中性點(diǎn)浮空。每個(gè)功率單元由電網(wǎng)電壓經(jīng)移相變壓器的次級繞組供電,所有功率單元都通過光纖接收來自同一個(gè)中央控制器的指令,以調(diào)節(jié)輸出電壓,功率單元輸出電壓串聯(lián)后得到可變頻率的高壓電供給電動(dòng)機(jī)。
HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)電路拓?fù)鋱D
(2)功率單元電壓疊加原理
圖2為變頻器的單元串聯(lián)基本原理圖。每個(gè)功率單元輸入700V三相交流電壓,輸出 690 V單相交流電壓,每相的8個(gè)功率單元串聯(lián)疊加后可輸出相電壓5520V,每兩相間相差120°電角度。
由于變頻器中性點(diǎn)與電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)不連接,變頻器輸出實(shí)際上為線電壓[1],由A相和B 相輸出電壓產(chǎn)生的輸出線電壓可達(dá)到10kV,線電壓不僅具有正弦波形而且疊加的階梯波數(shù)也成倍增加,因而諧波成分及dv/dt 均較小。
圖2:單元串聯(lián)電平疊加基本原理圖
2.3 單元串聯(lián)多電平型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要特點(diǎn)
(1) 功率單元故障時(shí)繼續(xù)運(yùn)行
當(dāng)某個(gè)功率單元發(fā)生故障時(shí)可自動(dòng)旁路運(yùn)行,變頻器不停機(jī),即在每個(gè)功率單元輸出端之間并聯(lián)旁路電路,當(dāng)功率單元故障時(shí),封閉對應(yīng)功率單元IGBT的觸發(fā)信號,然后讓旁路導(dǎo)通,保證電機(jī)電流能通過,仍形成通路。
為保證三相輸出電壓對稱,有的系統(tǒng)是在旁路故障功率單元的同時(shí),另外兩相對應(yīng)的兩個(gè)功率單元也同時(shí)旁路,這樣將使輸出電壓明顯下降,變頻器需降額使用。以10kV系統(tǒng)為例,當(dāng)1個(gè)功率單元故障后,每相將剩下7個(gè)功率單元,輸出最高電壓為額定電壓的87.5%。
為了在功率單元旁路時(shí)盡量減少輸出電壓下降幅度,HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用零點(diǎn)漂移法,以提高輸出電壓,同時(shí)保證三相平衡。如圖3所示。設(shè)功率單元旁路前的線電壓為U1,相電壓Ua=Ub=Uc=U,設(shè)B相一個(gè)功率單元旁路后的線電壓為U2,此時(shí)相電壓為Ub′=7U/8,根據(jù)余弦定理,對圖4中△AOB列方程有:Ua2=U22+Ub′2-2 U2×Ub′ ×cos30°,即64 U22-56 U× U2-15 U2=0,又U1= U,則解得U2/ U1=0.9567。
圖3:功率單元旁路前電壓相量圖
圖4:單個(gè)功率單元旁路后的電壓相量圖
可見,零點(diǎn)漂移法在單個(gè)功率單元故障時(shí)可使最高輸出電壓為額定輸出電壓的 95.67%,與同時(shí)旁路另外兩個(gè)完好功率單元的方法相比,電壓輸出能力有了較大的提高。
(2) 電機(jī)側(cè)的諧波和dv/dt少,適用普通異步電動(dòng)機(jī)
移相變壓器二次繞組采用延邊三角形接法,實(shí)現(xiàn)多重化,以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的,輸入電流波形接近正弦波,總的諧波電流失真小于1%,輸入的功率因數(shù)可達(dá)0.95以上[2]。
輸出電壓非常接近正弦波,每個(gè)電平臺階只有單元直流母線電壓大小,所以dv/dt很小。功率單元采用較低的開關(guān)頻率,以降低開關(guān)損耗,提高效率。輸入電機(jī)的電壓等效開關(guān)頻率大大提高,電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形,降低輸出諧波,由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱、噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都大大降低,因此對電機(jī)沒有特殊要求,可直接用于普通異步電動(dòng)機(jī)。
(3) 系統(tǒng)故障可旁路到工頻運(yùn)行
由于系統(tǒng)配有旁路柜,內(nèi)置真空接觸器和高壓隔離開關(guān)。真空接觸器可根據(jù)S7-200 PLC的指令實(shí)現(xiàn)泵組變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行之間的電源自動(dòng)切換,尤其在變頻器故障狀態(tài)下可將當(dāng)前變頻運(yùn)行的電機(jī)迅速切換至工頻運(yùn)行,從而避免了管網(wǎng)壓力和流量的突變,滿足了連鑄生產(chǎn)用水連續(xù)性、可靠性的要求。
3.連鑄噴霧冷卻供水系統(tǒng)工藝簡介
連鑄噴霧冷卻供水泵組采用兩臺MTC-A-50/04型多級泵,配套MGF-400C型異步電動(dòng)機(jī),運(yùn)行時(shí)開一備一,系統(tǒng)工藝流程如圖5所示。
圖5:連鑄噴霧冷卻供水系統(tǒng)工藝流程圖
正常運(yùn)行時(shí),單臺泵工頻運(yùn)行,全天24小時(shí)不間斷向煉鋼廠供水,在連鑄機(jī)不澆鑄時(shí)工業(yè)水通過位于煉鋼廠入口處的旁通閥流回工業(yè)水池。
4.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)際工況要求,由于連鑄機(jī)在生產(chǎn)時(shí)對供水的連續(xù)性要求非常高,如果突然中斷供水將會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量,從保證供水連續(xù)性角度考慮,結(jié)合供電系統(tǒng)的實(shí)際情況,決定采用恒壓供水控制方式,電氣主回路采用一拖二方案。
(1)電氣主回路原理
如圖6所示,QF1為1#泵對應(yīng)高壓柜內(nèi)的真空斷路器,現(xiàn)用于向變頻器供電,QF2為2#泵對應(yīng)高壓柜內(nèi)的真空斷路器,現(xiàn)用作工頻電源。真空接觸器KM1、KM2、KM3、KM4以及高壓隔離開關(guān)QS1、QS2、QS3、QS4安裝于旁路柜內(nèi),其中,真空接觸器用于電動(dòng)機(jī)工頻和變頻運(yùn)行的自動(dòng)切換,高壓隔離開關(guān)一般情況下處于合閘狀態(tài),僅在變頻器檢修時(shí)拉開,用于電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行情況下對變頻器進(jìn)行安全檢修。
(2) 改造后泵組運(yùn)行方式
正常運(yùn)行狀況下,單臺泵變頻運(yùn)行,一用一備,當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí),當(dāng)前變頻運(yùn)行的泵自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行;當(dāng)運(yùn)行電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),自動(dòng)工頻啟動(dòng)備用泵。
倒泵操作時(shí),首先將變頻運(yùn)行的泵切換至工頻運(yùn)行,然后將備用泵變頻啟動(dòng)至50Hz,此時(shí),兩臺泵出口壓力相同,不會(huì)發(fā)生環(huán)流現(xiàn)象,最后將工頻運(yùn)行的泵退出運(yùn)行,變頻器根據(jù)設(shè)定壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率,以保持管網(wǎng)壓力恒定。
通過對真空接觸器的電氣聯(lián)鎖,保證兩臺泵不能同時(shí)變頻運(yùn)行或工頻運(yùn)行,同一臺泵不能工頻和變頻同時(shí)運(yùn)行。
圖6:電氣主回路原理圖
4.2控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
如圖7所示,原系統(tǒng)采用一體化控制系統(tǒng)來完成各系統(tǒng)的溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的顯示、控制以及各類泵、閥等設(shè)備的監(jiān)控操作和電氣室中電氣設(shè)備的監(jiān)視。中央監(jiān)控系統(tǒng)共設(shè)置兩臺服務(wù)器、三臺操作站,同時(shí)設(shè)有三個(gè)AS(自動(dòng)化控制系統(tǒng))站,采用三套西門子S7-400 PLC對煉鋼水處理站內(nèi)所有工藝設(shè)備及電氣儀表設(shè)備實(shí)行集中監(jiān)控,通訊網(wǎng)絡(luò)在底層采用Profibus DP總線。兩臺服務(wù)器、三套PLC通過100Mbps冗余光纖環(huán)形網(wǎng)相連,三臺操作站通過以太網(wǎng)與兩臺服務(wù)器相連,轉(zhuǎn)發(fā)控制命令。配置一臺打印機(jī),用于報(bào)表打印。
圖7:監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
高壓變頻器控制系統(tǒng)由原PCS7系統(tǒng)中的上位機(jī)、主控PLC、高壓變頻器組成。應(yīng)用原系統(tǒng)中的一套PLC作為主控制器,其與高壓變頻器內(nèi)置的S7-200 PLC通過硬接線進(jìn)行信號傳輸。
4.3 軟件設(shè)計(jì)
(1) 應(yīng)用軟件簡介
PCS7系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)完整、性能完善的新一代自動(dòng)化控制系統(tǒng),它體現(xiàn)了當(dāng)代過程控制領(lǐng)域最新技術(shù)的發(fā)展潮流。
在軟件開發(fā)中,采用了集成的全局?jǐn)?shù)據(jù)管理和統(tǒng)一的組態(tài)工具即SIMATIC程序管理器。其中人機(jī)界面的開發(fā)、系統(tǒng)組態(tài)應(yīng)用WinCC,通過它實(shí)現(xiàn)了各種工藝流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控;編程軟件應(yīng)用Step 7,采用單元化編程方式,把系統(tǒng)的各種工作編成功能塊,在主程序中調(diào)用,方便易用,便于用戶理解、修改。
(2)控制功能描述
對于變頻泵組的控制分為就地控制方式和遠(yuǎn)程控制方式兩種。
在就地控制方式下,在變頻器控制柜的觸摸屏上手動(dòng)啟動(dòng)變頻器,并設(shè)定運(yùn)行頻率,然后通過旁路柜的控制按鈕實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻啟動(dòng);同時(shí),也可以利用原有的就地控制箱實(shí)現(xiàn)工頻啟動(dòng)。
在遠(yuǎn)程控制方式下,分為遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。在遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方式下,可人工設(shè)定管網(wǎng)的控制壓力,該設(shè)定值進(jìn)入S7-400 PLC,同時(shí)PLC根據(jù)現(xiàn)場壓力變送器傳輸過來的壓力反饋信號與設(shè)定壓力值進(jìn)行比較,經(jīng)過PID模塊運(yùn)算后,給出變頻器運(yùn)行頻率信號,從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,保持管網(wǎng)壓力恒定。此外,在自動(dòng)控制方式下的壓力設(shè)定值分為連鑄機(jī)生產(chǎn)時(shí)的定值和連鑄機(jī)待機(jī)時(shí)的定值,后者遠(yuǎn)小于前者,二者的選擇根據(jù)連鑄機(jī)的起、停信號來控制,這樣既保證了生產(chǎn)又最大限度地節(jié)約了電能,提高了節(jié)能效果;在遠(yuǎn)程手動(dòng)模式下,可手動(dòng)設(shè)定變頻器運(yùn)行頻率,變頻器將根據(jù)設(shè)定的頻率調(diào)節(jié)輸出,使電機(jī)恒速運(yùn)行。
5.節(jié)能效果計(jì)算
5.1 在連鑄機(jī)生產(chǎn)和待機(jī)不同負(fù)荷下泵組運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)
在連鑄機(jī)生產(chǎn)和待機(jī)不同負(fù)荷下泵組運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。
表1:連鑄機(jī)生產(chǎn)和待機(jī)工況下泵組運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)表
變頻改造前
變頻改造后
連鑄機(jī)工作狀態(tài)
生產(chǎn)
待機(jī)
生產(chǎn)
待機(jī)
平均運(yùn)行時(shí)間(%)
85
15
85
15
閥門開度(%)
100
100
總管流量(m3/h)
310~320
270~280
150~270
12~50
總管壓力(MPa)
1.60~1.65
1.66~1.69
1.35
1.35
電機(jī)平均電流(A)
13.1
12.1
8.1
4.0
5.2 工頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算
連鑄機(jī)工作狀態(tài)
生產(chǎn)
待機(jī)
平均運(yùn)行時(shí)間(%)
85
15
電機(jī)電流平均值(A)
13.1
12.1
工頻功耗平均值(kW)
198.75
179.61
表3:變頻狀態(tài)下電機(jī)功耗
連鑄機(jī)工作狀態(tài)
生產(chǎn)
待機(jī)
平均運(yùn)行時(shí)間(%)
85
15
電機(jī)電流平均值(A)
8.1
4.0
工頻功耗平均值(kW)
137.49
67.90
6.結(jié)束語
通過高壓變頻技術(shù)改造,完全實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求,降低了供水管網(wǎng)的運(yùn)行壓力,改善了連鑄噴霧冷卻供水系統(tǒng)的運(yùn)行工況,克服原有工頻運(yùn)行下出口壓力高、管損嚴(yán)重的現(xiàn)象,滿足了連鑄生產(chǎn)對冷卻水壓力的要求,提高了工作效率,節(jié)約了大量電能。初步計(jì)算,該泵組每年節(jié)約電費(fèi)愈20萬元。此外,變頻改造保護(hù)了水泵、電機(jī),減少了泵體和電機(jī)維護(hù)費(fèi)用,延長了設(shè)備的使用壽命,降低了公司的生產(chǎn)成本。
參考文獻(xiàn)
[1] 徐孟. 單元串聯(lián)高壓變頻器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用. 哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)出版社,2004
[2] 孫青海,胡強(qiáng)國,辛?xí)詽嵉? 高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)分析及應(yīng)用. 淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2005,5(16)
狀 態(tài): 離線
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公司名稱:
北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
聯(lián) 系 人:
總機(jī)轉(zhuǎn)
電 話:
010-010-89776666
傳 真:
010-69764853
地 址:
北京市昌平區(qū)陽坊鎮(zhèn)陽坊工業(yè)南區(qū)
郵 編:
102205
主 頁:
http://www.ld-harvest.com
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