关键词：冶金、高炉鼓风机、高压变频器、节能改造、双机并联、无扰切换
摘要：本文介绍了汇川技术HD92系列大功率高性能高压变频器在钢铁行业高炉鼓风机上的成功应用，系统在国内首创双机并联方案，并且具备工变频的无扰切换功能，能够实现单台故障时，另一台不停机且能够无扰切换至工频运行。
一、高炉工艺简介
高炉因具有炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点，这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分。高炉为炼铁环节中最主要的设备，它为横断面为圆形的炼铁竖炉，生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。铁水从铁口放出，生成的炉渣，从渣口排出。煤气从炉顶排出，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等燃料。
图一：高炉风系统图
高炉鼓风机是高炉最重要的动力设备，上图为整个高炉的系统图，从中可以看到高炉鼓风机的位置及作用，它不但直接提供高炉冶炼所需的氧气，而且提供克服高炉料柱阻力所需的气体动力。现代大、中型高炉所用的鼓风机，大多用汽轮机驱动的离心式鼓风机和轴流式鼓风机。这种鼓风机耗电虽多，但启动方便，易于维修，投资较少。高炉冶炼要求鼓风机能供给一定量的空气，以保证燃烧一定的碳；其所需风量的大小不仅与炉容成正比，而且与高炉强化程度有关、一般按单位炉容2.1～2.5m3/min的风量配备。但实际上不少的高炉考虑到生产的发展，配备的风机能力都大于这一比例。
高炉鼓风机处于整个高炉系统的非常重要的位置，其运行可靠性关系着整个高炉生产，甚至会影响安全事故，一般情况下在高炉正常生产过程中如果高炉鼓风机意外停机将导致严重的安全生产事故，经济损失少则几十万，多则上百万。
但高炉鼓风机为整个高炉系统中功率最大的负载，其耗电量巨大，而且目前很多采用水阻柜启动加风门调节的方式启动和调节鼓风机的出口压力，能量浪费严重，变频改造逐渐进入厂家的视野，但对变频调速系统的可靠性提出了很高的要求。
二、项目概况
河北某重工企业的高炉鼓风机为大功率离心式鼓风机，采用三相异步电机驱动，工频启动采用水阻柜方式，由于启动冲击大，每次启动风机都很困难，另外由于风压采用风门调节的方式，正常生产过程中风门开度在30%到50%，能量浪费很严重，节能空间巨大，变频改造成为最好的选择，针对高炉鼓风机这种高重要型负载，我司提供了高可靠性的方案，与客户之间实现了双赢。
（1）系统方案说明
图二：高压变频器一次图
整个系统由以下设备组成：1#进线柜、1#预充柜、1#变频器、1#电抗器柜、1#出线柜、2#进线柜、2#预充柜、2#变频器、2#电抗器柜、2#出线柜、工频进线柜、电机、星点柜，其中电机与星点柜为客户原有设备，其余设备为本次变频改造新增设备。
此系统在国内首创了高压变频器双机并联方案，针对现场实际情况，我司配两台大容量的高压变频器并机构成驱动启动，通过同步脉冲发波技术解决同步问题，并经过电抗器的均流处理后共同拖动6300kW电机，两台变频器同时运行，当系统内任何一台变频器出现故障时，另外一台变频器根据现场工艺同步切换至原有工频系统运行，不影响高炉鼓风机的运转。
由于两台并联运行，当系统任意一台变频器处于突然停机状态时，系统分断相应变频器的进线断路器和出线柜，工频进线柜断路器处于断开状态，只闭合正常运行变频器对应的进线断路器和出线柜，根据现场应用情况，若满负荷生产，切换时对电网有较小冲击，为保证切换过程平滑无扰，切换时需要稍微关小风门挡板，当关小到一定程度后进行切换最为稳妥，此现场风门没有自动联锁，所以任何一台变频器故障时，高炉鼓风机将根据现场工艺调试时确定同步切换在挡板关闭到多少时同步切换可以对电网没有冲击，保证切换过程平滑无扰，当变频器修好后，系统工艺允许情况下可通过同步切换技术切回至原两台变频运行状态，使系统继续运行。
（2）系统操作说明
图三：高炉鼓风机操作台
整个系统为方便客户操作，我方设计了系统的远方操作台，所有的操作均由远控实现，远控台的设计过程中也尽可能遵循简单安全操作的基本原则，对于系统的上电、启动、调速、工变频切换均只需操作一到两个按钮完成，对于重要的开关，设置了解锁操作，以防误按造成系统事故。
三、变频改造优势
高炉鼓风机的变频改造不同于其他风机，所以系统的安全可靠性为方案设计的最重要方向，裕量设计较大，所以系统在正常运行时1#~2#变频器以较低电流进行输出，即可满足常用风机满载运行，本系统方案优势如下：
（1）两台变频器一直带电，可减少变频器维护，减少因长期放置而造成故障的威胁；
（2）变频器以较低电流输出，减少变频器自身的损耗；
（3）系统拥有充足裕量，以面对突发事故，单台变频故障时，另外一台可以继续驱动电机运行，并且可以实现变频与工频之间真正的无冲击切换，保证高炉系统生产的连续性；
（4）变频改造的主要目的是节能，之前风门开度在30%~50%，造成了严重的能量浪费，本次改造节能效果明显，总体节能效果在20%到30%之间，在非正常生产期间，其节电率更高；
（5）延长电机及负载的使用寿命：变频改造真正实现了电机及负载的软启动，减少了冲击，能够有效延长其使用寿命，之前客户每次启动此电机都非常麻烦，需要停掉所有用电设备，而现在可以随意进行电机的启动，而且现场电机使用轴瓦，也有效的减小了启动时对轴瓦的冲击；
（6）使用简单、自动化水平高、检修方便：本系统配备有远程操作台，且操作台的设计遵从安全简单的原则，方便工人的操作，系统中的关键部位均配备有隔离刀闸，方便将来设备的检修；
（7）降低电机噪声污染：变频改造后将根据高炉实际需求风压进行变频调速，电机噪声明显降低，改善了工人的作业环境；
（8）对电网谐波污染小：HD92系列高压变频器采用单元级联型，10kV产品为54脉冲整流，对电网谐波污染小于国家标准；
四、汇川技术HD92高压变频器的优势
汇川技术HD92系列高性能矢量型高压变频器采用功率单元级联式技术路线，矢量控制高压变频器，控制核心采用DSP+ARM+FPGA组成，指令在纳秒级完成，因此控制波形和逆变波形可以实时校验。具有国际领先的技术！
所有产品均进行满载72小时测试，除一些保护功能外，磁链闭环矢量控制技术、高频技术、快速叠频技术、Syn-transfer技术、非对称旁路技术、双路控制电源、同步机变频等功能，这些功能技术上处于国际领先水平。
HD92系列高压变频器系统在设计上有以下技术特点，部分技术在高压变频器上使用是国内及国际领先。
1) 高性能的控制器使用了DSP、FPGA、ARM、PLC器件可靠，分工明确。
2) 国内第一家设计的高频输出控制器，最高频率可达330Hz,适用于高转速类负载，省掉了负载侧的增速齿轮箱，降低设备成本和维护量，提高系统的响应能力和转矩输出能力。
3) 利用syn-transfer技术可以把电机从变频运行状态平滑无冲击的切到工频运行，或者把电机从工频运行平滑无冲击的切换到变频运行。
4) 率先设计了内置PID调节器和模糊控制调节器,进行闭环控制，也可以使用外置调节器进行闭环控制。
5) 控制器系统远程通信监控接口为RS232/RS485，另外备有计算机网络监控的RJ45扩展口和通信转换模块，可以灵活支持Modbus、Profibus、TCP/IP或IEC61850等通信协议。
6) 功率单元故障旁路后采用非对称旁路技术，保证输出电压产生最小的电压降。系统在一个功率单元旁路时，可以维持95%以上输出电压。
7) 独创性的设计了快速叠频技术，通过矢量算法在输出电压矢量上叠加可控的高频分量，使电机产生更大的阻力矩，加快电机的制动，大大减少了降速时间。
8) 电网瞬间失电后来电可以自动再启动。
9) 完善的功率单元保护和系统保护，故障诊断定位准确，历史故障记录和运行记录完备。
五、现场应用照片
图四：现场设备运行照片
图五：运行过程中触摸屏照片
图六：现场鼓风机监控界面
六、结束语
冶金行业历来属于高耗能行业，大功率电机数量巨大，常年工频运行导致能源浪费严重，变频改造不仅能够实现显著地节能效果，且能够改善运行工艺，达到多重改造效果，经济效益及社会效益显著，高炉鼓风机的变频改造不仅能够实现较高的节能效果，还能够实现大功率电机的启动问题，但方案的设计上一定要遵从安全可靠的原则，汇川技术HD92系列高压变频器之所以能够成功的改造此次高炉鼓风机，也是产品高性能、高可靠性的一个证明。
汇川技术有限公司依托多年的自动化行业的应用经验，对冶金行业的变频改造具有独到的方案解决能力，HD9X系列高压变频器为采用矢量控制技术的高性能变频器，产品适用于冶金、电力、化工、市政等多个应用领域。
