高压变频器在发酵罐搅拌机上的应用

　　1 引言
　　山东淄博中轩集团股份有限公司，是国内较早的生产黄原胶等生物制品的大型企业，具有三十多年的研制、开发、生产的发酵经验，目前已具有上万吨的生产规模，通过了iso9002质量体系及kosher、fcciv、usp等国际认证，形成遍布全球的销售网络，全方位的应用技术服务，发展成为全球重要的生物制品生产销售基地。
　　但是近年来，随着产销量的不断增加，企业的生产成本也在逐年攀升，特别是大型的发酵罐搅拌机械，电费居高不下，成为困扰企业发展的一大阻力。现在国家普遍提倡节能降耗，随着《中华人民共和国节能法》的颁布，改进生产工艺，降低生产成本，节能降耗势在必行。
　　目前，在生产企业中，推广应用变频调速，应用电力电子技术，提高用电效率，改善生产工艺流程，实现自动控制，并进而节约资源，减少生产成本，降低人工及电力消耗，已成为企业发展的主流。特别是近年，随着高压变频调速技术的日趋完善，高压变频器的应用正日益普及。因此，采用高压变频，对原来的工频控制设备及新上设备进行技术改造，已成为当务之急。山东中轩集团股份有限公司的领导经过多次反复的酝酿讨论，决定对目前的黄原胶发酵罐搅拌机的第2期10台设备进行技术改造，应用成熟的高压变频调速技术，淘汰掉多极电磁调速设备，取得了良好的工艺及节能效果。
　　经过考察，山东新风光电子科技发展有限公司是国内较早进行变频器研制生产的单位，具有十几年的研制开发经历，特别是在高压变频器生产方面，具有较强的实力，2007年荣获“中国名牌”产品，是中国高、低压变频器的国家标准起草审定的唯一企业单位。研发生产的高压变频器已在国内著名的钢铁、煤炭、化工、石油、制药等众多行业十分普遍地应用。在莱钢、辽河油田、胜利油田、济钢、平阴制药厂、内蒙煤矿等的除尘风机、凝结水泵、提升机等设备上都有批量应用，而且取得了较好的效果，因此他们决定采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的10kv/630kw的高压变频器进行设备改造。
　　2 现场的设备情况
　　2.1设备情况
　　(1)电机参数
　　额定功率：450kw；
　　额定电流：29a；
　　额定电压：10kv；
　　额定频率：50hz；
　　功率因数：0.89。
　　(2)运行参数
　　启动方式：直接启动；
　　工作电流区间：24～35a；
　　全年工作时间：7500h；
　　工作周期：70～72h；
　　电价：0.45元/kw·h。
　　(3)工况细节
　　工作周期是72h，可根据工艺要求进行调整，以皮带传动，在高速运行时可能会出现打滑现象。搅拌速度约120r/min。在每个工作周期，在头0～48h内，为多极调速，转速调整最大范围为额定转速的40%。运行频率约为前期的30hz，24h时运行频率为40hz，48h后运行在45hz。
　　2.2设计方案的确定
　　为满足高压变频配置中的变频器要求，本着安全第一、质量可靠的方针进行认真的分析，认为采用jd-bp38-450型高压变频器完全能满足要求，制定出如下技术方案，此方案具有以下特点：
　　(1)优良的调速性能，满足负载工艺要求；
　　(2)良好的节能效果，提高系统运行效率；
　　(3)实现系统软启动，减小启动冲击，降低维护费用，延长设备使用寿命；
　　(4)系统安全、可靠，确保负载连续运行；
　　(5)控制方便、灵活，自动化水平高。
　　设计时，根据电机容量，选用高压变频器，对搅拌机系统进行控制，原设计电机容量为10kv/450kw，因此选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的jd—bp38—450f高压变频器进行控制。为安全起见，防止在变频器检修或故障时耽误生产，系统还设计有工频旁路，可以实现工变频自动转换。
　　2.3主要技术性能指标
　　额定输入电压：10kv(-20%～+15%)；
　　输入频率：45～55hz；
　　输入方式：36脉冲二极管全波整流输入；
　　输出方式：每相10单元载波移相正弦波脉宽调制输出；
　　输入功率因数：大于0.96(额定负载时)；
　　效率(含变压器)：大于96%(额定负载时)；
　　输出频率：0～50hz，连续可调；
　　频率分辨率：0.01hz；
　　过载能力：120%连续，150%1min；
　　控制电源：双路供电，220vac，5kva；
　　冷却方式：强制风冷；
　　防护等级：ip20；
　　模拟量输入：四路，0～5v/4～20ma，任意设定；
　　模拟量输出：两路，0～5v/4～20ma可选；
　　开关量输入输出：32入/16出(可按用户要求扩展)；
　　通讯接口：rs－485接口；
　　运行环境温度：0～40℃；
　　贮存/运输温度：-40～70℃；
　　环境湿度：<90%(20℃时)，不结露；
　　安装海拔高度：<1000m(超过1000m时，需降额运行)。
　　运行参数自动记录和输出、自动故障记录、限流功能、输出电压自动调整功能、瞬时停电自动跟踪功能、单元旁路功能等。
　　2.4风光变频器的主要优势特点
　　风光jd-bp系列高压变频器与国内外同类产品比较，在产品功能设计、产品质量保障措施、系统安全设计和服务方面，具有以下优势和特点：
　　(1)输入、输出谐波含量低，输入功率因数高。无须滤波器和功率因数补偿，可直接驱动电机；
　　(2)系统控制电源采用220vac和高压主电源降压隔离后双路供电，系统运行更可靠、操作更简便。可在无高压电的情况下检测变频器的输出及各点波形，便于调试、检修及操作人员培训；
　　(3)冷却风机采用高压主电源降压后直接驱动，风机仅在上高压电且变频器开机后运行，避免了冷却风机启、停时对控制系统的影响；
　　(4)功率单元工作电源为外部开关电源，避免了高压瞬时掉电时对单元的控制电源的影响，更适应于国内电网条件，变频器工作电压范围为un+15～-20%，如6kv系列可稳定运行于6900v电压条件下；
　　(5)瞬时停电保护功能。当主电源失电后，变频器控制电机处于发电状态运行，为功率单元电容充电，并为其控制电源供电，直至主电源恢复，变频器回到原运行状态。瞬时停电时间典型值为3s(具体时间可以根据用户的系统而定)，超过3s变频器则保护，检查停电原因，以免变频器继续运行而引起事故；
　　(6)限流功能。避免启动或负载突然变化时，使变频器输出电流过大而导致保护动作；
　　(7)操作平台采用全中文win系统，运行稳定，且易学易用；
　　(8)结构紧凑；
　　(9)完善的上位机控制功能。可与dcs系统实现通讯或i/o方式硬连接；
　　(10)主要器件均采用世界一流厂商的成熟产品，产品从元器件至半成品及成品，均实现100%的严格测试。各系列产品出厂前均完成100%72h以上负载测试记录，确保产品的可靠性；
　　(11)在系统运行安全可靠性设计方面，我公司拥有独享专利技术,即一种使电解电容延长一倍使用寿命的装置；
　　(12)有较强的工程设计能力和沟通意识，能根据用户现场条件和控制要求量身定做，及时满足用户的不同需求；
　　(13)功率单元模块化设计，可以互换，维护简单；
　　(14)二次接线模块化设计，现场接线简单，安装周期短。
　　2.5一次回路
　　一次回路系统原理图如图1所示，由一次回路进线柜(旁路柜)、变压器柜、变频单元柜和操作控制柜组成。旁路柜在变频器维护过程中或变频器出现故障时，将电机投入到工频电网运行，保证生产不受影响。变频运行时，变频器为电机提供全面的保护。

图1手动旁路柜一次回路图

　　2.6手动旁路柜
　　系统旁路方案采用一拖一方案，保留原系统所有设备,将高压变频器串入高压电机回路。系统变频运行时，改变变频器频率的办法改变电机的转速。采用“星点漂移”技术，若变频器某单元故障，变频器自动将该单元短路，三相输出星点漂移，保证三相输出线电压平衡，高压变频器可降频运行；当变频器故障单元大于2时，高压变频器可自动切换到工频运行，保证系统工作的可靠性。
　　图1中k1、k2、k3为电磁锁，变频运行时，k1与k2闭合，k3断开，工频运行时k1与k2断开，k3闭合。二者有严格的机械和电气互锁关系，不能同时闭合，以防止工变频同时送电，造成事故。
　　旁路柜必须与上级高压断路器dl连锁，dl合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。
　　合闸闭锁：将变频器“合闸允许”信号与旁路柜“工频投入”信号并联后，串联于高压开关合闸回路。在变频投入状态下，变频器故障或不就绪时，上级高压开关(断路器dl)合闸不允许；旁路投入状态时，合闸闭锁无效。
　　故障分闸：将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下，当变频器出现故障时，分断变频器高压输入；旁路投入状态下，变频器故障分闸无效。
　　保护：保持原有对电机的保护及其整定值不变。
　　2.7二次回路及控制
　　控制系统由控制器，plc和人机界面组成。控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板和一块电源板组成。各部分之间的联系如图2的变频器控制系统结构图所示。

图2高压变频调速系统的结构图(以6单元的为例)

　　光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制(pwm)信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。
　　主控板采用高速单片机，完成对电机控制的所有功能，采用正弦波载波移相方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过rs－232通讯口与人机界面主控板进行交换数据，提供变频器的状态参数，并接受来自人机界面主控板的参数设置。
　　人机界面为用户提供友好的全中文操作界面，负责信息处理和与外部的通讯联系，可选上位监控而实现变频器的网络化控制。通过主控板和plc采集的数据，计算出电流、电压、功率、运行频率等运行参数，提供记录功能，并实现对电机的过载、过流进行报警和保护。通过rs－232通讯口与主控板连接，通过rs－485通讯口与plc连接，实时监控变频器系统的状态。
　　plc用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。plc有处理4路模拟量输入和2路模拟量输出的能力，模拟量输入用于处理来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置信号；模拟输出量是频率给定信号。
　　其系统结构如图2所示。由移相变压器，功率单元和控制器组成。风光10kv高压变频器，变压器有27组付边绕组，分为9个功率单元/相，三相共27个单元，以6单元/相为例，采用36脉冲整流，输入端的谐波成分远低于国标规定。
　　2.8控制方式
　　风光变频器有三种控制方式：
　　(1)本地控制，从变频器操作界面控制电机的启动和停机，并能完成变频器的所有控制；
　　(2)远程控制，通过内置plc接受来自现场的开关量控制；
　　(3)上位控制，通过rs－485接口，采用prpfibus通讯协议，接收上位dcs系统的控制，或与dcs硬连接。
　　2.9速度设置方式(或闭环运行时的给定方式)
　　风光变频器有多种速度设置方式，在闭环运行时，速度设置方式即为被控量的给定方式：
　　(1)本地设置，通过薄膜式液晶屏设置运行频率；
　　(2)模拟设置，接收dcs系统0～10v或4～20ma模拟信号设置运行频率或被控量给定值；
　　(3)通讯设置，通过通讯方式接收来自dcs系统的运行频率或被控量给定值；
　　(4)多档设置，通过开关量设置多档运行速度或被控量给定值；
　　(5)闭环调节，由pid自动设置运行频率。
　　2.10运行方式
　　风光变频器有开环和闭环两种运行方式：
　　(1)开环运行：变频器以设置频率输出。频率(或称速度)的设置方式有本地设置、模拟设置、通讯设置和多档设置；
　　(2)闭环运行：对一个运行参数(如流量、压力、温度等，简称被控量，此处以压力为例)实现跟踪控制。闭环运行时，实际压力信号来自于现场信号，而压力期望值有3种设置方式，分别为本地设置、模拟设置、通讯设置。
　　2.11对外接口
　　(1)模拟量输入：2路，4～20ma或0～5vdc。4～20ma时输入阻抗250ω，0～5vdc电压输入时输入阻抗≥10mω。用于接收速度设置或被控量设置的模拟信号；
　　(2)模拟量输出：2路，4～20ma或0～5vdc输出。4～20ma输出时最大阻抗500ω，0～5vdc电压输出时最小阻抗5000ω。以模拟方式输出变频器的运行速度、变频器的输出电流等变量；
　　(3)数字量输入：32路，光电隔离，隔离电压500vac。接收远程控制信号，速度给定开关信号及各开关状态等；
　　(4)数字量输出：16路，中间继电器隔离，隔离电压750vac，接点容量5a。输出变频器状态，控制主电源开断等；
　　(5)通讯接口：rs－485，profi-bus通讯规约，实现与上位系统的通讯。
　　控制接线表如图3所示。

图3控制接线表

　　2.12全中文windows人机界面
　　主界面如图4所示。

图4主界面图

　　参数设置界面如图5所示。

图5参数设置界面

　　3 原理特点
　　风光变频器采用先进的功率单元串联叠波(又称功率单元多重化结构)方式、正弦波pwm调制方法，利用成熟的低压变频器技术和功率器件igbt，从原理上保证了系统的可靠性，并使变频器的输入输出波形得到极大改善，在美国该方式变频器号称完美无谐波。
　　功率单元和控制系统之间采用光纤通讯，实现强、弱电间的完全电气隔离，提高了整个系统的抗干扰能力。
　　4单元旁路及冗余设计
　　为了最大限度满足试验连续运行的要求，本系统提供两种旁路运行方式：单元旁路和工频旁路。
　　4.1单元旁路
　　运行过程中，若某个功率单元发生可旁路性故障(如单元过热、单元过流、igbt故障等)，系统将自动旁路掉故障单元及另外两相相同位置的单元。单元旁路后，因每相串联单元数减少，变频器将降容运行(输出额定电流不变，额定电压降低)。此时，变频器运行频率较低，单元旁路不对变频器运行造成任何影响。
　　功率单元采用晶闸管作为旁路器件，整个旁路过程是微秒级的，不会对变频器的运行产生冲击。因此，旁路是无扰动的。
　　变频器单元旁路运行时，将给出轻故障报警信号。在条件允许的情况下，用户应尽快使变频器退出运行，更换故障单元。
　　4.2工频旁路
　　当变频器发生重故障无法继续运行时，变频器将立即分断高压输入，系统自动将电机投入工频运行，以确保生产的连续性。
　　从上述几点可以看到，首先风光变频器是稳定可靠的，其次，即便变频器出现故障，仍可以通过相应手段保证电机继续运行，不会对生产造成影响。
　　5改造后的应用效果(1)变频改造后，对同一台电机，在同样的工况下，节能率达到25%，年节电收益可达15～16万元；
　　(2)变频器本身具有软启动、软停机功能，可减少启动时对电网及负载的冲击，延长了电机及搅拌机的使用寿命，有利于保护电网及机械部分；
　　(3)变频器可提高功率因数，达到0.95以上，可省去原来的功率因数补偿电容，节约了投资，减少了无功损失；
　　(4)变频器是无级平滑的进行调速，减少了原来的多级调速带来的不便，并节约了电能；
　　(5)变频器具有过压、欠压、短路、过流、温升过高等多种保护功能，有利于保护电机及负载；
　　(6)通过变频改造精简了控制程序，使系统更安全、可靠，确保负载连续运行，使操作更加方便，提高了生产效率，其综合效益是十分明显的。
　　6结束语通过高压变频器在山东中轩集团发酵罐搅拌机上的应用，说明了变频器在改善生产工艺，提高生产效率，节能减排降耗方面有着很好的应用效果，国家正在大力推广企业节能减排活动，相信变频器在这方面是会有所作为的，变频器的应用场合必将取得更大的拓展，发挥更大的作用，为我们国家和众多的企业做出贡献。