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　　1 引言

    山東淄博中軒集團股份有限公司，是國內較早的生產黃原膠等生物制品的大型企業，具有三十多年的研制、開發、生產的發酵經驗，目前已具有上萬噸的生產規模，通過了iso9002質量體系及kosher、fcciv、usp等國際認證，形成遍布全球的銷售網絡，全方位的應用技術服務，發展成為全球重要的生物制品生產銷售基地。

    但是近年來，隨著產銷量的不斷增加，企業的生產成本也在逐年攀升，特別是大型的發酵罐攪拌機械，電費居高不下，成為困擾企業發展的一大阻力。現在國家普遍提倡節能降耗，隨著《中華人民共和國節能法》的頒布，改進生產工藝，降低生產成本，節能降耗勢在必行。

    目前，在生產企業中，推廣應用變頻調速，應用電力電子技術，提高用電效率，改善生產工藝流程，實現自動控制，并進而節約資源，減少生產成本，降低人工及電力消耗，已成為企業發展的主流。特別是近年，隨著高壓變頻調速技術的日趨完善，高壓變頻器的應用正日益普及。因此，采用高壓變頻，對原來的工頻控制設備及新上設備進行技術改造，已成為當務之急。山東中軒集團股份有限公司的領導經過多次反復的醞釀討論，決定對目前的黃原膠發酵罐攪拌機的第2期10臺設備進行技術改造，應用成熟的高壓變頻調速技術，淘汰掉多極電磁調速設備，取得了良好的工藝及節能效果。

    經過考察，山東新風光電子科技發展有限公司是國內較早進行變頻器研制生產的單位，具有十幾年的研制開發經歷，特別是在高壓變頻器生產方面，具有較強的實力，2007年榮獲“中國名牌”產品，是中國高、低壓變頻器的國家標準起草審定的唯一企業單位。研發生產的高壓變頻器已在國內著名的鋼鐵、煤炭、化工、石油、制藥等眾多行業十分普遍地應用。在萊鋼、遼河油田、勝利油田、濟鋼、平陰制藥廠、內蒙煤礦等的除塵風機、凝結水泵、提升機等設備上都有批量應用，而且取得了較好的效果，因此他們決定采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的10kv/630kw的高壓變頻器進行設備改造。

　　2 現場的設備情況

    2.1設備情況

    （1）電機參數

    額定功率：450kw；

    額定電流：29a；

    額定電壓：10kv；

    額定頻率：50hz；

    功率因數：0.89。

    （2）運行參數

    啟動方式：直接啟動；

    工作電流區間：24～35a；

    全年工作時間：7500h；

    工作周期：70～72h；

    電價：0.45元/kw·h。

    （3）工況細節

    工作周期是72h，可根據工藝要求進行調整，以皮帶傳動，在高速運行時可能會出現打滑現象。攪拌速度約120r/min。在每個工作周期，在頭0～48h內，為多極調速，轉速調整最大范圍為額定轉速的40%。運行頻率約為前期的30hz，24h時運行頻率為40hz，48h后運行在45hz。

    2.2設計方案的確定

    為滿足高壓變頻配置中的變頻器要求，本著安全第一、質量可靠的方針進行認真的分析，認為采用jd-bp38-450型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）優良的調速性能，滿足負載工藝要求；

    （2）良好的節能效果，提高系統運行效率；

    （3）實現系統軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，延長設備使用壽命；

    （4）系統安全、可靠，確保負載連續運行；

    （5）控制方便、靈活，自動化水平高。

    設計時，根據電機容量，選用高壓變頻器，對攪拌機系統進行控制，原設計電機容量為10kv/450kw，因此選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的jd—bp38—450f高壓變頻器進行控制。為安全起見，防止在變頻器檢修或故障時耽誤生產，系統還設計有工頻旁路，可以實現工變頻自動轉換。

    2.3主要技術性能指標

    額定輸入電壓：10kv（-20%～+15%）；

    輸入頻率：45～55hz；

    輸入方式：36脈沖二極管全波整流輸入；

    輸出方式：每相10單元載波移相正弦波脈寬調制輸出；

    輸入功率因數：大于0.96（額定負載時）；

    效率（含變壓器）：大于96%（額定負載時）；

    輸出頻率：0～50hz，連續可調；

    頻率分辨率：0.01hz；

    過載能力：120%連續，150%1min；

    控制電源：雙路供電，220vac，5kva；

    冷卻方式：強制風冷；

    防護等級：ip20；

    模擬量輸入：四路，0～5v/4～20ma，任意設定；

    模擬量輸出：兩路，0～5v/4～20ma可選；

    開關量輸入輸出：32入/16出（可按用戶要求擴展）；

    通訊接口：rs－485接口；

    運行環境溫度：0～40℃；

    貯存/運輸溫度：-40～70℃；

    環境濕度：<90%（20℃時），不結露；

    安裝海拔高度：<1000m（超過1000m時，需降額運行）。

    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。

　　2.4風光變頻器的主要優勢特點

    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、系統安全設計和服務方面，具有以下優勢和特點：

    （1）輸入、輸出諧波含量低，輸入功率因數高。無須濾波器和功率因數補償，可直接驅動電機；

    （2）系統控制電源采用220vac和高壓主電源降壓隔離后雙路供電，系統運行更可靠、操作更簡便。可在無高壓電的情況下檢測變頻器的輸出及各點波形，便于調試、檢修及操作人員培訓；

    （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，更適應于國內電網條件，變頻器工作電壓范圍為un+15～-20%，如6kv系列可穩定運行于6900v電壓條件下；

    （5）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電狀態運行，為功率單元電容充電，并為其控制電源供電，直至主電源恢復，變頻器回到原運行狀態。瞬時停電時間典型值為3s（具體時間可以根據用戶的系統而定），超過3s變頻器則保護，檢查停電原因，以免變頻器繼續運行而引起事故；

    （6）限流功能。避免啟動或負載突然變化時，使變頻器輸出電流過大而導致保護動作；

    （7）操作平臺采用全中文win系統，運行穩定，且易學易用；

    （8）結構緊湊；

    （9）完善的上位機控制功能。可與dcs系統實現通訊或i/o方式硬連接；

    （10）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；

    （11）在系統運行安全可靠性設計方面，我公司擁有獨享專利技術,即一種使電解電容延長一倍使用壽命的裝置；

    （12）有較強的工程設計能力和溝通意識，能根據用戶現場條件和控制要求量身定做，及時滿足用戶的不同需求；

    （13）功率單元模塊化設計，可以互換，維護簡單；

    （14）二次接線模塊化設計，現場接線簡單，安裝周期短。

    2.5一次回路

    一次回路系統原理圖如圖1所示，由一次回路進線柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現故障時，將電機投入到工頻電網運行，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。

　　2.6手動旁路柜

    系統旁路方案采用一拖一方案，保留原系統所有設備,將高壓變頻器串入高壓電機回路。系統變頻運行時，改變變頻器頻率的辦法改變電機的轉速。采用“星點漂移”技術，若變頻器某單元故障，變頻器自動將該單元短路，三相輸出星點漂移，保證三相輸出線電壓平衡，高壓變頻器可降頻運行；當變頻器故障單元大于2時，高壓變頻器可自動切換到工頻運行，保證系統工作的可靠性。

    圖1中k1、k2、k3為電磁鎖，變頻運行時，k1與k2閉合，k3斷開，工頻運行時k1與k2斷開，k3閉合。二者有嚴格的機械和電氣互鎖關系，不能同時閉合，以防止工變頻同時送電，造成事故。

    旁路柜必須與上級高壓斷路器dl連鎖，dl合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。

    合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號與旁路柜“工頻投入”信號并聯后，串聯于高壓開關合閘回路。在變頻投入狀態下，變頻器故障或不就緒時，上級高壓開關（斷路器dl）合閘不允許；旁路投入狀態時，合閘閉鎖無效。

    故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。

    保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

    2.7二次回路及控制

    控制系統由控制器，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出脈寬調制（pwm）信號或工作模式。單元通過光纖接收其觸發指令和狀態信號，并在故障時向光纖板發出故障代碼信號。

    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作界面，負責信息處理和與外部的通訊聯系，可選上位監控而實現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，實時監控變頻器系統的狀態。

    plc用于變頻器內部開關信號以及現場操作信號和狀態信號的邏輯處理，增強了變頻器現場應用的靈活性。plc有處理4路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力，模擬量輸入用于處理來自現場的流量、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。

    其系統結構如圖2所示。由移相變壓器，功率單元和控制器組成。風光10kv高壓變頻器，變壓器有27組付邊繞組，分為9個功率單元/相，三相共27個單元，以6單元/相為例，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分遠低于國標規定。

    2.8控制方式

    風光變頻器有三種控制方式：

    （1）本地控制，從變頻器操作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接受來自現場的開關量控制；

    （3）上位控制，通過rs－485接口，采用prpfibus通訊協議，接收上位dcs系統的控制，或與dcs硬連接。

    2.9速度設置方式（或閉環運行時的給定方式）

    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）閉環調節，由pid自動設置運行頻率。

    2.10運行方式

    風光變頻器有開環和閉環兩種運行方式：

    （1）開環運行：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）實現跟蹤控制。閉環運行時，實際壓力信號來自于現場信號，而壓力期望值有3種設置方式，分別為本地設置、模擬設置、通訊設置。

    2.11對外接口

    （1）模擬量輸入：2路，4～20ma或0～5vdc。4～20ma時輸入阻抗250ω，0～5vdc電壓輸入時輸入阻抗≥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）數字量輸入：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，控制主電源開斷等；

　　3 原理特點

    風光變頻器采用先進的功率單元串聯疊波（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的可靠性，并使變頻器的輸入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之間采用光纖通訊，實現強、弱電間的完全電氣隔離，提高了整個系統的抗干擾能力。

    4單元旁路及冗余設計

    為了最大限度滿足試驗連續運行的要求，本系統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，若某個功率單元發生可旁路性故障（如單元過熱、單元過流、igbt故障等），系統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，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，整個旁路過程是微秒級的，不會對變頻器的運行產生沖擊。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。在條件允許的情況下，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

    當變頻器發生重故障無法繼續運行時，變頻器將立即分斷高壓輸入，系統自動將電機投入工頻運行，以確保生產的連續性。

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

    5改造后的應用效果

　　（1）變頻改造后，對同一臺電機，在同樣的工況下，節能率達到25%，年節電收益可達15～16萬元；

    （2）變頻器本身具有軟啟動、軟停機功能，可減少啟動時對電網及負載的沖擊，延長了電機及攪拌機的使用壽命，有利于保護電網及機械部分；

    （3）變頻器可提高功率因數，達到0.95以上，可省去原來的功率因數補償電容，節約了投資，減少了無功損失；

    （4）變頻器是無級平滑的進行調速，減少了原來的多級調速帶來的不便，并節約了電能；

    （5）變頻器具有過壓、欠壓、短路、過流、溫升過高等多種保護功能，有利于保護電機及負載；

    （6）通過變頻改造精簡了控制程序，使系統更安全、可靠，確保負載連續運行，使操作更加方便，提高了生產效率，其綜合效益是十分明顯的。

    6結束語

　　通過高壓變頻器在山東中軒集團發酵罐攪拌機上的應用，說明了變頻器在改善生產工藝，提高生產效率，節能減排降耗方面有著很好的應用效果，國家正在大力推廣企業節能減排活動，相信變頻器在這方面是會有所作為的，變頻器的應用場合必將取得更大的拓展，發揮更大的作用，為我們國家和眾多的企業做出貢獻。