高壓變頻器在生物制藥風(fēng)機上的應用

　　引言

　　煙臺恒源生物股份有限公司，是國家高新技術(shù)企業(yè)，現任中國生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )理事單位，依托國內重點(diǎn)科研院所、大學(xué)，綜合運用生物技術(shù)、精細化工技術(shù)，擁有先進(jìn)的生產(chǎn)工藝設備和檢測技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量達到美國食品化學(xué)品法典FCCIV的要求，取得了ISO9000認證、ISO14000環(huán)境管理體系認證、ISO18000職業(yè)健康安全管理體系、OUKOSHER認證、HALAL認證、HACCP認證及飼料添加劑生產(chǎn)許可證。目前主導產(chǎn)品有：富馬酸、L-天門(mén)冬氨酸、L-丙氨酸（工業(yè)級）、L-丙氨酸（醫藥食品級）以滿(mǎn)足國內外不同行業(yè)客戶(hù)的需求。

　　公司有1期和2期兩套生產(chǎn)線(xiàn)，年生產(chǎn)能力一萬(wàn)噸，生產(chǎn)過(guò)程中需要的空氣中的氧氣由鼓風(fēng)機提供。因此，鼓風(fēng)機是消耗電能的主要負載。所以為了實(shí)現發(fā)電過(guò)程中電能的合理節約，希望可以將1期鼓風(fēng)機通過(guò)變頻裝置進(jìn)行節能拖動(dòng)。

　　2離心式鼓風(fēng)機設備簡(jiǎn)介

　　2.1電機及引風(fēng)機的參數

　　2.2鼓風(fēng)機工藝要求

　　生產(chǎn)過(guò)程中需要的空氣中的氧氣由鼓風(fēng)機提供。因此，鼓風(fēng)機的風(fēng)量直接影響到生產(chǎn)工藝參數。所以該鼓風(fēng)機是生產(chǎn)工藝中重要的組成部件。

　　所以，一方面生產(chǎn)工藝要求變頻器必須安全可靠運行穩定，連續不間斷正常運行；操作簡(jiǎn)單，可以實(shí)現遠程DCS控制；頻率可調度2-50Hz；適應電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強；保護功能完善；要求節能效果明顯。另一方面，負載為離心式鼓風(fēng)機，要求變頻器啟動(dòng)和停止時(shí)能適應離心式風(fēng)機的較大的轉動(dòng)慣性，減小對電網(wǎng)電壓的影響，對電機有必要的保護，有助于延長(cháng)電機的使用壽命。

　　經(jīng)過(guò)對國內外各種高壓變頻器調研、比較，最后以招標方式選擇了新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37-500F型（500kW/6kV）高壓變頻器作為鼓風(fēng)機的控制設備。

　　3新風(fēng)光JD-BP37-500F高壓變頻調速系統

　　3.1高壓變頻器系統的原理

　　3.1.l系統組成

　　圖1高壓變頻調速系統的結構圖

　　其系統結構如圖1所示。風(fēng)光牌高壓變頻器為高--高電壓源型模式，由移相變壓器，功率單元和控制器組成。前端由一個(gè)多繞組的隔離移相變壓器供電，功率單元每相采用低壓功率單元串接組成。輸入諧波均能滿(mǎn)足國家標準對電壓和電流失真的要求。控制器部分以高速微處理器實(shí)現控制以及與子微處理器間進(jìn)行通信。風(fēng)光高壓變頻器采用模塊化設計，互換性好、維修簡(jiǎn)單，噪音低，諧波含量小，不會(huì )引起電機的轉矩脈動(dòng)，對電機沒(méi)有特殊要求。

　　3.1.2功率單元電路

　　其電路結構如圖2示，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為六支二極管實(shí)現三相全波整流。逆變側通過(guò)對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制實(shí)現逆變。假如某一單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動(dòng)通過(guò)軟件控制IGBT旁路而整機可以降額工作，但不影響運行，每個(gè)功率單元完全一樣，可以互換，這不但調試、維修方便，而且備份也十分經(jīng)濟。

　　圖2單元電路主電路圖

　　3.1.3輸入側結構

　　變頻器輸入側由移相變壓器給每個(gè)功率單元供電，每個(gè)單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實(shí)現多重化，降低輸入電流的諧波成分。

　　本機中移相變壓器的副邊繞組分為三組，采用多脈沖整流方式。這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側功率因數接近1，輸入電流諧波成分低。實(shí)測輸入電流總諧波成分小于2%。另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對獨立，類(lèi)似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術(shù)。

　　3.1.4輸出側結構

　　輸出側由每個(gè)單元的兩個(gè)輸出端子相互串接而成，三相星型接法輸出給電機供電。通過(guò)對每個(gè)單元的SPWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖3所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(cháng)度很長(cháng)，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時(shí)，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機械應力。

　　圖3變頻器輸出的相電壓階梯PWM波形圖

　　3.1.5控制器

　　控制器核心由高速DSP運算來(lái)實(shí)現，精心設計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。人機界面提供友好的全中文監控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現遠程監控和網(wǎng)絡(luò )化控制?？刂破饔糜诠耋w內開(kāi)關(guān)信號的邏輯處理，以及與現場(chǎng)各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調，增強了系統的靈活性?？刂破骷案骺刂茊卧逯胁捎肈SP和FPGA等大規模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統具有極高的可靠性。

　　控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分實(shí)現真正意義的電氣隔離，系統具有極高的安全性和可靠性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾能力。

　　3.1.6控制電源

　　采用三次諧波補償技術(shù)提高了電源電壓利用率，利用了調制信號預畸變技術(shù)，使電壓利用率近似于1。系統采用了先進(jìn)的載波移相技術(shù)，它的特點(diǎn)是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。多個(gè)單元迭加后的理論輸出波形如圖4所示。

　　圖4單元輸出迭加后的波形