SD700系列變頻器在焦化廠熄焦車上的應(yīng)用
一．引言
焦化行業(yè)屬于國家重點扶持的行業(yè)，高溫?zé)捊故且苯鸬裙I(yè)的重要組成成分，通過高溫?zé)捊沟玫降慕固靠晒└郀t冶煉、鑄造、氣化和化工等工業(yè)部門作為燃料和原料，是我國最重要的能源之一。
山西陽光焦化集團(tuán)是全國獨立焦化行業(yè)的“旗艦企業(yè)”，是山西省焦化行業(yè)“十佳”、“五十強”，目前焦炭的年生產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到330萬噸，焦?fàn)t環(huán)保配套設(shè)施齊全，總體技術(shù)裝備水平和生產(chǎn)規(guī)模目前位居山西省焦化行業(yè)首位。
二．工藝和電氣設(shè)備改造
所謂高溫?zé)捊梗褪敲涸谔炕覂?nèi)隔絕空氣加熱，經(jīng)過干燥、熱解、熔融、黏結(jié)、固化、收縮等過程最終得到焦炭，然后用推焦車推出焦炭，經(jīng)攔焦車導(dǎo)入熄焦車內(nèi)，并由電機車牽引熄焦車到熄焦塔內(nèi)進(jìn)行噴水熄焦。經(jīng)過熄焦后的焦炭卸至涼焦臺上，冷卻一定時間后送往篩焦工段貯存待運。其中焦?fàn)t平均每10分鐘出一爐，熄焦車及其電機車往復(fù)運行在攔焦車和熄焦塔之間，設(shè)備起停頻繁，在高溫，高濕，高強度的露天環(huán)境下運行。因此，對設(shè)備中電氣產(chǎn)品的質(zhì)量和控制精度，特別是對耐高溫高濕，耐粉塵侵蝕，以及適應(yīng)電源電壓波動的能力要求比較高。
此次電氣設(shè)備改造就是對原有熄焦車的電氣驅(qū)動部分進(jìn)行的。其電機車上的驅(qū)動部分采用的是兩臺90KW的三相低壓交流變頻器，用來驅(qū)動軌道上電機車的前后輪子做往復(fù)運行，兩臺電機的額定電流是166A，額定功率75KW，額定轉(zhuǎn)速是591rpm，要求在低，中，高三個速度值下穩(wěn)定運行，制動時間要求短。
由于原來的變頻器出現(xiàn)了故障，造成該熄焦車一直無法投入運行，使得目前車間的生產(chǎn)無法得到可靠的保障，分析造成原有變頻器故障較為頻繁的原因，主要是：
1）電源電壓的波動，是造成變頻器整流橋部分損壞的主要原因。由于變頻器的三相交流電源是依靠電機車上的三相電刷與軌道旁邊墻面上安裝的三相電源導(dǎo)軌接觸而提供的，在露天環(huán)境下長期使用后，電刷和電源導(dǎo)軌表面氧化后造成電源接觸不良，加上電刷滑動過程中，熄焦車運行時的震動因素，因此在變頻器的電源側(cè)有時會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的電壓波動現(xiàn)象。
2）變頻器內(nèi)的線路板出現(xiàn)短路故障和元器件過熱現(xiàn)象。由于空氣中的炭粉進(jìn)入變頻器內(nèi)部，使用一段時間后，在線路板和元器件上附著一層較厚的粉塵，嚴(yán)重時造成線路板的短路，也影響元器件的有效散熱，由此造成了故障報警和停車現(xiàn)象。
因此，此次改造的目的就是采用質(zhì)量更加可靠，系統(tǒng)配置更加齊全，售后服務(wù)和技術(shù)支持更加有效的新型變頻器替換原來使用的傳動產(chǎn)品，同時滿足原系統(tǒng)的全部控制要求。
山西陽光焦化廠經(jīng)過技術(shù)分析，比較了幾家國外進(jìn)口低壓變頻器的技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品配置，最終選擇了從西班牙原裝進(jìn)口的Power-electronics公司的SD700系列變頻器，作為此次電機車改造的驅(qū)動設(shè)備。
三．SD700系列變頻器的性能介紹
從上面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中可以看出，Power-electronics公司的SD700系列變頻器采用了內(nèi)置交流諧波電抗器，EMC輸入濾波器和輸出dv/dt濾波器作為產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置，其中：
1.內(nèi)置的交流電抗器，置于整流橋的前端，實現(xiàn)以下兩方面功能:一方面保護(hù)整流橋，不受電網(wǎng)電壓瞬間波動的影響，抑制電源輸入中的浪涌電流對變頻器的沖擊；另一方面,交流電抗器能夠過濾掉電網(wǎng)中的諧波和增加阻抗，使電流正弦波平滑，并且提高功率因數(shù)，由于是內(nèi)置的交流電抗器，因此可以確保變頻器和整個電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠和高效運行。
2.內(nèi)置的??波進(jìn)行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流頻譜，以抵消原線路諧波源所產(chǎn)生的諧波，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量，能大大降低高次諧波所造成的設(shè)備發(fā)熱和能量損耗，同時減小設(shè)備對電網(wǎng)的擾動，總的諧波電壓含有的THDv小于8%，完全符合工業(yè)應(yīng)用及IEC61800-3和IEC61000-6-2抗電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場合要求。PE公司的SD700系列變頻器全系列都內(nèi)置了EMC有源濾波器，從而大大提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適用性。
3.內(nèi)置的dv/dt輸出濾波器，變頻器輸出側(cè)在傳輸過程中的相間的電磁輻射和噪聲等干擾信號，將被dv/dt輸出濾波器過濾掉，滿足EN61800-3等標(biāo)準(zhǔn)，減小了大功率變頻器對周邊控制信號和檢測信號的干擾，變頻器到電機的電纜長度最長允許達(dá)到300米，并可以確保整個控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。
4．SD700全系列變頻器的線路板均采用了絕緣涂層，包括線路板上每一個元器件的管腳和焊盤都帶有絕緣涂層，完全可以適應(yīng)潮濕和導(dǎo)電粉塵等惡劣的環(huán)境要求。
5．采用了高效的散熱片，即使在50C高溫環(huán)境下重載滿負(fù)荷地運行，也不會降低變頻器的驅(qū)動能力。
6．起動轉(zhuǎn)矩高達(dá)200%，過載能力150%，持續(xù)時間可達(dá)60秒。
7．輸入電壓波動范圍可達(dá)-20%至+10%，欠壓持續(xù)時間可達(dá)60秒，適應(yīng)一定范圍和一定時間內(nèi)電源電壓的波動。
四．SD700變頻器選型，控制與接線
我們采用的變頻器型號是SD7017052，其中變頻器的額定輸出電流是170A，額定電壓380VAC，防護(hù)等級IP20，制動單元和制動電阻采用100kW,4歐姆，兩臺變頻器均采用V/F控制方式獨立運行，由于兩臺電機的轉(zhuǎn)差率和機械軸承等因素的不同，分別設(shè)定兩臺變頻器的頻率輸出值，即兩臺電機的實際轉(zhuǎn)速略有不同，保證兩臺變頻器所檢測到的輸出轉(zhuǎn)矩值相近似，以確保熄焦車及其牽引電機車在軌道上往復(fù)運行時兩臺電機的出力相互均衡。
1）兩臺變頻器的接線圖都是如下所示：
2）兩臺變頻器的主要參數(shù)設(shè)置如下：
速度參考值G3.1：多段速控制
控制方式G4.1.1：通過控制端子進(jìn)行控制
低速的速度參考值G14.1分別是：20.3%和20.0%
中速的速度參考值G14.5分別是：50.5%和50.0%
高速的速度參考值G14.7分別是：96.6%和96.0%
電源輸入欠壓等級G11.4是：323V
欠壓保護(hù)跳閘時間G11.5是：5秒
注：SD700變頻器的速度參考值是以50Hz為基數(shù)的百分比來表示。
五．結(jié)束語
經(jīng)過三個多月的連續(xù)運轉(zhuǎn)，安裝了SD700變頻器的熄焦車及其電機車運行狀態(tài)平穩(wěn)，操作人員反映，比起原先的設(shè)備運行時要平穩(wěn)的很多，面對同樣的電源條件和機車設(shè)備，再也沒有發(fā)生以前的報警停車和故障維修的現(xiàn)象，而且Powerelectronics公司的產(chǎn)品保質(zhì)期是3年，加上完善的售前技術(shù)支持和培訓(xùn)工作，工作人員對SD700的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)服務(wù)都非常滿意，取得了該設(shè)備改造的預(yù)期目標(biāo)，確保了全車間焦炭生產(chǎn)任務(wù)的完成。
焦化行業(yè)屬于國家重點扶持的行業(yè)，高溫?zé)捊故且苯鸬裙I(yè)的重要組成成分，通過高溫?zé)捊沟玫降慕固靠晒└郀t冶煉、鑄造、氣化和化工等工業(yè)部門作為燃料和原料，是我國最重要的能源之一。
山西陽光焦化集團(tuán)是全國獨立焦化行業(yè)的“旗艦企業(yè)”，是山西省焦化行業(yè)“十佳”、“五十強”，目前焦炭的年生產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到330萬噸，焦?fàn)t環(huán)保配套設(shè)施齊全，總體技術(shù)裝備水平和生產(chǎn)規(guī)模目前位居山西省焦化行業(yè)首位。
二．工藝和電氣設(shè)備改造
所謂高溫?zé)捊梗褪敲涸谔炕覂?nèi)隔絕空氣加熱，經(jīng)過干燥、熱解、熔融、黏結(jié)、固化、收縮等過程最終得到焦炭，然后用推焦車推出焦炭，經(jīng)攔焦車導(dǎo)入熄焦車內(nèi)，并由電機車牽引熄焦車到熄焦塔內(nèi)進(jìn)行噴水熄焦。經(jīng)過熄焦后的焦炭卸至涼焦臺上，冷卻一定時間后送往篩焦工段貯存待運。其中焦?fàn)t平均每10分鐘出一爐，熄焦車及其電機車往復(fù)運行在攔焦車和熄焦塔之間，設(shè)備起停頻繁，在高溫，高濕，高強度的露天環(huán)境下運行。因此，對設(shè)備中電氣產(chǎn)品的質(zhì)量和控制精度，特別是對耐高溫高濕，耐粉塵侵蝕，以及適應(yīng)電源電壓波動的能力要求比較高。
此次電氣設(shè)備改造就是對原有熄焦車的電氣驅(qū)動部分進(jìn)行的。其電機車上的驅(qū)動部分采用的是兩臺90KW的三相低壓交流變頻器，用來驅(qū)動軌道上電機車的前后輪子做往復(fù)運行，兩臺電機的額定電流是166A，額定功率75KW，額定轉(zhuǎn)速是591rpm，要求在低，中，高三個速度值下穩(wěn)定運行，制動時間要求短。
由于原來的變頻器出現(xiàn)了故障，造成該熄焦車一直無法投入運行，使得目前車間的生產(chǎn)無法得到可靠的保障，分析造成原有變頻器故障較為頻繁的原因，主要是：
1）電源電壓的波動，是造成變頻器整流橋部分損壞的主要原因。由于變頻器的三相交流電源是依靠電機車上的三相電刷與軌道旁邊墻面上安裝的三相電源導(dǎo)軌接觸而提供的，在露天環(huán)境下長期使用后，電刷和電源導(dǎo)軌表面氧化后造成電源接觸不良，加上電刷滑動過程中，熄焦車運行時的震動因素，因此在變頻器的電源側(cè)有時會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的電壓波動現(xiàn)象。
2）變頻器內(nèi)的線路板出現(xiàn)短路故障和元器件過熱現(xiàn)象。由于空氣中的炭粉進(jìn)入變頻器內(nèi)部，使用一段時間后，在線路板和元器件上附著一層較厚的粉塵，嚴(yán)重時造成線路板的短路，也影響元器件的有效散熱，由此造成了故障報警和停車現(xiàn)象。
因此，此次改造的目的就是采用質(zhì)量更加可靠，系統(tǒng)配置更加齊全，售后服務(wù)和技術(shù)支持更加有效的新型變頻器替換原來使用的傳動產(chǎn)品，同時滿足原系統(tǒng)的全部控制要求。
山西陽光焦化廠經(jīng)過技術(shù)分析，比較了幾家國外進(jìn)口低壓變頻器的技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品配置，最終選擇了從西班牙原裝進(jìn)口的Power-electronics公司的SD700系列變頻器，作為此次電機車改造的驅(qū)動設(shè)備。
三．SD700系列變頻器的性能介紹
從上面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中可以看出，Power-electronics公司的SD700系列變頻器采用了內(nèi)置交流諧波電抗器，EMC輸入濾波器和輸出dv/dt濾波器作為產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置，其中：
1.內(nèi)置的交流電抗器，置于整流橋的前端，實現(xiàn)以下兩方面功能:一方面保護(hù)整流橋，不受電網(wǎng)電壓瞬間波動的影響，抑制電源輸入中的浪涌電流對變頻器的沖擊；另一方面,交流電抗器能夠過濾掉電網(wǎng)中的諧波和增加阻抗，使電流正弦波平滑，并且提高功率因數(shù)，由于是內(nèi)置的交流電抗器，因此可以確保變頻器和整個電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠和高效運行。
2.內(nèi)置的??波進(jìn)行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流頻譜，以抵消原線路諧波源所產(chǎn)生的諧波，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量，能大大降低高次諧波所造成的設(shè)備發(fā)熱和能量損耗，同時減小設(shè)備對電網(wǎng)的擾動，總的諧波電壓含有的THDv小于8%，完全符合工業(yè)應(yīng)用及IEC61800-3和IEC61000-6-2抗電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場合要求。PE公司的SD700系列變頻器全系列都內(nèi)置了EMC有源濾波器，從而大大提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適用性。
3.內(nèi)置的dv/dt輸出濾波器，變頻器輸出側(cè)在傳輸過程中的相間的電磁輻射和噪聲等干擾信號，將被dv/dt輸出濾波器過濾掉，滿足EN61800-3等標(biāo)準(zhǔn)，減小了大功率變頻器對周邊控制信號和檢測信號的干擾，變頻器到電機的電纜長度最長允許達(dá)到300米，并可以確保整個控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。
4．SD700全系列變頻器的線路板均采用了絕緣涂層，包括線路板上每一個元器件的管腳和焊盤都帶有絕緣涂層，完全可以適應(yīng)潮濕和導(dǎo)電粉塵等惡劣的環(huán)境要求。
5．采用了高效的散熱片，即使在50C高溫環(huán)境下重載滿負(fù)荷地運行，也不會降低變頻器的驅(qū)動能力。
6．起動轉(zhuǎn)矩高達(dá)200%，過載能力150%，持續(xù)時間可達(dá)60秒。
7．輸入電壓波動范圍可達(dá)-20%至+10%，欠壓持續(xù)時間可達(dá)60秒，適應(yīng)一定范圍和一定時間內(nèi)電源電壓的波動。
四．SD700變頻器選型，控制與接線
我們采用的變頻器型號是SD7017052，其中變頻器的額定輸出電流是170A，額定電壓380VAC，防護(hù)等級IP20，制動單元和制動電阻采用100kW,4歐姆，兩臺變頻器均采用V/F控制方式獨立運行，由于兩臺電機的轉(zhuǎn)差率和機械軸承等因素的不同，分別設(shè)定兩臺變頻器的頻率輸出值，即兩臺電機的實際轉(zhuǎn)速略有不同，保證兩臺變頻器所檢測到的輸出轉(zhuǎn)矩值相近似，以確保熄焦車及其牽引電機車在軌道上往復(fù)運行時兩臺電機的出力相互均衡。
1）兩臺變頻器的接線圖都是如下所示：
2）兩臺變頻器的主要參數(shù)設(shè)置如下：
速度參考值G3.1：多段速控制
控制方式G4.1.1：通過控制端子進(jìn)行控制
低速的速度參考值G14.1分別是：20.3%和20.0%
中速的速度參考值G14.5分別是：50.5%和50.0%
高速的速度參考值G14.7分別是：96.6%和96.0%
電源輸入欠壓等級G11.4是：323V
欠壓保護(hù)跳閘時間G11.5是：5秒
注：SD700變頻器的速度參考值是以50Hz為基數(shù)的百分比來表示。
五．結(jié)束語
經(jīng)過三個多月的連續(xù)運轉(zhuǎn)，安裝了SD700變頻器的熄焦車及其電機車運行狀態(tài)平穩(wěn)，操作人員反映，比起原先的設(shè)備運行時要平穩(wěn)的很多，面對同樣的電源條件和機車設(shè)備，再也沒有發(fā)生以前的報警停車和故障維修的現(xiàn)象，而且Powerelectronics公司的產(chǎn)品保質(zhì)期是3年，加上完善的售前技術(shù)支持和培訓(xùn)工作，工作人員對SD700的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)服務(wù)都非常滿意，取得了該設(shè)備改造的預(yù)期目標(biāo)，確保了全車間焦炭生產(chǎn)任務(wù)的完成。
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