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除尘降温高压变频器在高炉除尘风机中的应用风机性能信息工程的设
英文摘要 ：The paper introduces the application of multi-level high voltage inverter in Tonghua Steel Factory. The running result indicates that the adoption of high voltage inverter to Remove-Dust is successful and the effect of saving energy is distinct.
关键词： 山东新风光电子科技发展有限公司赵树国郭培彬通化钢铁集团有限责任公司 炼铁厂李洪远
1 引言
通化钢铁集团有限责任公司是吉林省省属最大的国有工业企业和唯一的大型钢铁联合企业集团。随着世贸组织的加入和市场竞争的加剧，为提高产品市场占有率、竞争力，通化钢铁集团深化改革，加快一批项目建设，其中6#高炉为新建项目之一。6#高炉为750m3高炉，它在吸取了以前旧高炉经验的基础上，又在建设中采用了大量先进的生产工艺。高炉除尘风机的变频控制就是先进工艺的典型应用。以前旧高炉除尘风机为一般工频运行或液力偶合器控制。若电机采用工频运行，通过调节风门的出口挡板调节风量来满足生产工艺要求，大量电能白白浪费在阀门上;若采用液力偶合器调速，则存在以下缺点:
(1) 调速范围窄，转速不稳定;
(2) 电机的效率低，损耗大;
(3) 液力偶合器经常出现故障，不能满足连续生产的需要;
(4) 调节精度低，响应慢。
鉴于存在以上诸多问题，因此，通钢集团炼铁厂6#高炉除尘风机改用变频调速控制。
2 高压变频器技术要求
众所周知，高炉在生产过程中，产生大量的烟尘，污染环境，根据国家法规，需要除尘处理。除尘风机是除尘工程的关键设备，一旦除尘风机不能正常工作，不但耽误生产，影响产量，还有可能对现场值班人员人身安全造成威胁，因此，和除尘风机配套的高压变频器，要求具有极高的可靠性。对高压变频器的主要要求如下:
(1) 要求可靠性高;
(2) 要求有完善的数字控制功能;
(3) 技术指标要求高;
(4) 要求适应恶劣的使用环境;
(5) 要求标准的数字通信接口;
(6) 调速范围大，效率要高;
(7) 要求满足高炉生产工艺调速要求。
经过多方考察，比较性价比，决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38型高压变频器，通过双方技术人员的合作，共同制定了6#高炉除尘风机的变频控制方案。
3 现场除尘风机设备简介
3.1 电机及风机参数
(1) 电机参数
型号 Y560-3-8
额定功率 800kW
额定电压 10kV
额定频率 50Hz
额定电流 59.5A
额定功率因数 0.82
额定转速 745r/min
(2) 风机参数
型号 Y4-73
额定流量 393797m3/h
额定转速 730r/min
轴功率 800kW
3.2 除尘风机工艺要求
高炉生产为周期性间断出铁,高炉在出铁时,产生大量棕红色烟尘,此时要求风机变频高速运行;在不出铁时,只需要很低的转速。利用变频器根据高炉实际需要对除尘风机进行变频调速控制,既保证和改善了工艺,又达到了节能降耗的目的。
通钢6#高炉一个出铁工艺高速时间约40min,每天出铁15炉。出铁时,变频器高速运行,高速定为45Hz(可调);不出铁时,变频器低速运行,低速定为20Hz(可调)。
4 高压变频器工程介绍
通钢集团有限公司炼铁厂最终选定山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP38-800F功率单元多电平串联高压大功率变频器,对6#高炉除尘风机进行调速控制。
4.1 风光牌JD-BP38-800F高压变频器主要性能指标
变频器功率 800kW
额定输出电流 69A
输入频率 50Hz±5Hz
额定输入电压 10kV
允许电压波动 ±20%
输入功率因数 ≥0.98
输出频率范围0~50Hz
输出电压范围0~10kV
变频器效率 ≥96%
过载能力 100%连续 160%连续1min 220%允许1.5s
4.2 JD-BP38-800F高压变频器主要技术性能
(1) 高—高电压源型变频器，直接10kV输入，直接10kV输出，无须任何输出变压器或滤波器，适配于普通高压电动机，对电机、电缆绝缘无损害。
(2) 输入功率因数高，电流谐波小，无须功率因数补偿、谐波抑制装置。
(3) 单元电路模块化设计，维护简单，互换性好。
(4) 输出阶梯正弦PWM波形。
(5) 高压主回路与控制器之间为光纤连接，强弱电隔离，安全可靠。
(6) 完善的故障检测，精确的故障保护及准确的定位显示和报警。
(7) 内置PLC，易于改变控制逻辑关系，可灵活选择现场控制/远程控制，适应现场多变需求。
(8) 采用载波移相控制技术，大大抑制了输出电压的谐波成分，保证输出波形是完美正弦波。
(9) 控制电源与高压电相互独立，无高压时可以检测变频器输出，便于现场调试以及培训操作人员，便于维护。
(10) 采用准优化SPWM调制技术，电压利用率高。
(11) 功率单元经24h高温老化、150％负载试验，可靠性高。
(12) 中文Windows 操作界面，彩色液晶触摸屏操作。用户操作监控工程界面十分友好和完善，工程包括上位机(商用PC机)、下位机(工控机)、单片机。其中单片机给用户提供一个4位LED数码显示屏和一个12键的小键盘操作平台，可对变频器进行全部操作，包括参数设置和各种运行指令。工控机用触摸屏和通用键盘给用户提供操作平台，其功能更齐全，包括参数设定、功能设定、运行操作、运行数据打印、故障查询等等。上位机(商用PC机)放在总控室，可对多台变频器进行遥测、遥控。若只有一台变频器，上位机可省，或让客户自定。
(13) 可接收和输出多路工业标准信号。
(14) 可打印输出运行报表。
4.3 高压变频工程介绍
风光牌JD-BP38型高压变频工程采用直接“高-高”变换方式，属电压源型，采用功率单元多电平串联方式，以最新型西门子IGBT为主控器件，全数字化控制，彩色液晶触摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标的优质变频调速器。
(1) JD-BP38型高压变频调速工程
其工程结构如图1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30组付边绕组，分为10个功率单元/相，三相共30个单元，采用36脉冲整流，输入端的谐波成分远低于国标规定。
(2) 功率单元电路
每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构如图2示，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为六支二极管实现三相全波整流，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制。每个功率单元完全一样，可以互换，这不但调试、维修方便，而且备份也十分经济。假如一单元发生故障，该单元的输出端能自动通过可控硅旁路而整机可以暂时降额工作，直到缓慢停止运行。
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(3) 输入侧结构
输入侧由移相变压器给每个单元供电，每个功率单元都承受电机
摘要:介绍了设计开发的风机性能信息工程，着重论述了产品段性能曲线和整机性能曲线的拟合算法、各种单一气体物性参数的平面插值算法等数学方法，还涉及到开发环境的信息集成和数据库的应用等技术。
关键词： 通风机 性能曲线 拟合算法 数据库
中图分类号：TP274 文献标识码：B
文章编号：1006-8155（2005）05-0030-03
Abstract: The designed and developed fan performance information system is introduced. The fitting algorithm of product section and overall unit performance curves, the plane interpolation algorithm and mathematical method of physical property parameter of various single gas are mainly discussed, and also dealt with the technique of information integration on developing environment and data base application etc.
Key words: Fan Performance curve Fitting algorithm Data base
1 引言
在处理风机的气动性能时，如何根据相关的设计数据和工况点记录数据、环境数据等来快速、准确地计算出风机的性能数据并绘制出性能曲线图，以便能及时进行产品的科学评价，对赢得用户信誉十分重要。因此，设计开发一套功能齐全、实用的风机产品的性能信息软件工程，意义重大。
工程不仅能对当前产品的试验数据进行录入、修改和多项模糊条件下的检索输出，更主要的是能进行性能计算、性能曲线绘制及输出图形和数据，而且对一段时间内（例如，最近5年生产的几百台产品）所积累的产品性能数据（包括图形）进行检索和输出。因此，该软件工程必须是一个集工程设计与资料管理于一体的软件工程，一个可维护性较好的工程。软件工程从功能上可分为几个部分，由于篇幅所限，这里仅简述几个问题。
2 性能数据的维护及数据点的性能计算
对所需要的风机产品性能试验的各种数据进行人工录入（或者对于由采集工程自动采集的数据也可进行数据文件的自动导入）、查询及修改。其中包括：试验总表维护、整机设计参数维护、段设计参数维护、工况点记录维护、试验装置记录维护、变速箱和轴承的油流量和温度数据维护、混合气体组分数据维护。
根据数据库结构定义，这些数据被分配在不同的数据表中，数据维护就是录入、查询和修改这些数据表的数据。
检索输出是根据要求，工程自动检索出所要产品的多个相关数据表或性能曲线，自动排版打印输出。
当一台风机产品的数据录入完成并送入数据库后，就可进行点性能计算。即分别针对储存在计算机中的物性参数模型，用平面插值方法计算出试验气体和设计气体（如果是单一气体）的各种物性参数；如果设计气体是多组分气体（如裂解气、混合气），则调用专门的程序按照气体的各种组分及其百分比数据计算出该气体的物性参数；再按照产品所属气动性能模型（绝热过程模型或多变过程模型）计算该工况点试验气体和试验转速条件下的各种性能参数，再换算成设计条件和设计转速下的各种性能参数值，送入数据库，并将该点的主要性能参数列于“主要性能参数表”中显示。
为了弥补采集的数据“质量差、数据少”的不足，当一个产品段的所有工况点的性能计算完成后，再用“插点”功能进行数据点的自动插补，目的是在绘制段曲线图时增加一些数据点来提高段曲线的质量（这些插补的数据点，仅用于图形处理）。
3 风机产品段性能曲线的拟合
在进行风机产品性能试验时，风机的每一工况段均设几个测试点（工况点）。试验过程中，不断地改变工况，直接由数据采集工程（或由人工）记录下工况的关键数据（如进口温度、入口压力、出口温度、出口压力等），连同输入的设计数据、环境数据、几何数据等，经过计算、处理，得到该风机产品的工况点气动性能。由于工况点测量数据往往带有仪器仪表误差、工程误差等多种误差，所以说它具有一定的不准确性。因此说，少量的数据很难反映出风机产品的固有性能，只有足够数量的数据，才能反映出产品本身固有的规律性。在计算出该段上所有工况点的性能参数后，就可以对该段绘制性能曲线图。根据压缩机性能的规律，这些有限个离散点绘成的曲线，既要使之误差最小，又不能有拐点。段性能曲线还关系到整机性能叠加的准确性。对解决此问题来说，选择最小二乘法来拟合一条二次曲线是适宜的。如风机的压比是随着容积流量变化的曲线，轴功率是随着容积流量变化的曲线。至于有些特殊情况，软件中使用了对某些点的“加权”处理后，使性能曲线问题得到了较好的解决。
性能曲线图和相应的评估数据显示出来后，选择图形面板上的“文件”菜单的子菜单“另存为”（这时弹出文件目录选择框），使用者选择目录、文件名按照图上的名字输入，然后“保存”图形。
4 整机性能的叠加计算
在各段的性能曲线图绘制完成后，就可以进行整机性能叠加计算了。首先将第一段性能曲线图的容积流量区间（横坐标）分成m等份，产生出m+1个节点Q1i，i=1,2,…，m+1。可分别从第一段的容积流量—压比曲线、容积流量—轴功率曲线上插值得出ε1i和psh1i,i=1,2,…，m+1。由ε1i可计算出第1段的出口压力、第2段的进口压力和第1段的实际功率。由第2段的进口压力，又可以计算出第2段的进口容积流量。由第2段的进口容积流量在第2段的性能曲线上，可插值得出：
ε2i和psh2i,i=1,2,…，m+1。由此，又可计算出第2段的出口压力、第3段的进口压力和第2段的实际轴功率。由第3段进口压力，又可计算出第3段的容积流量。就可在第3段的性能曲线上，插值得出ε3i和psh3i,i=1,2,…，m+1。……直到该压缩机的最后一段。
在遇到计算出的某段的某个进口容积流量值不在该段的性能曲线的容积流量（横坐标）区间时，该点就被舍弃，而进行下一个流量点的叠加计算。那么最后保留下来的容积流量—最后计算压比和容积流量—最后一段的实际轴功率的点，就是整机性能叠加计算的结果。
5 整机性能曲线的拟合
由于整机性能叠加计算结果数据具有较强的规律性，因此，使用这些数据点进行风机产品整机性能曲线的拟合，选用参数样条方法。关于如何使用参数样条方法来拟合容积流量—压比曲线和容积流量—轴功率曲线，方法与过程见文献[1]。
同样，整机性能曲线图显示出来后，选择图形面板上的“文件”菜单的子菜单“另存为”，使用者选择目录和文件名，然后“保存”图形。
6 几种单一气体物性参数的平面插值
作为试验介质或者设计介质的空气、氧气、氮气及二氧化碳等,它们的物性参数（绝热指数k、压缩性系数z、质量定压热容Cp、动力粘度μ、等压偏差系数x等）是风机产品性能计算过程中的关键参数。
为了及时准确地获得试验介质和设计介质的物性参数，首先把它们的各种物性参数的“模拟曲线族”存入电脑中，开发出相应的插值软件，上述目标就能实现。
如何把每一种气体的每一种物性参数对应的方格纸上的曲线族（称它为“模拟曲线族”），存入电脑中？这首先需要将族中每条曲线进行数字化，即找出一些关键坐标点，放入电脑中，再用适当的数学处理方法（笔者使用的是最小二乘法或参数样条算法）拟合出平面上的一条条光滑曲线，也就是求出每一条光滑曲线的系数放在电脑中。在此基础上，再进行“平面插值”。具体方法与过程如下。
如何用最小二乘法或参数样条算法，进行平面上的插值？
已知X-Y平面上有一族曲线Q1，Q2，Q3，…Qn。它们分别是某个空间曲线族或者某个空间曲面在该平面上的投影Q=v1，Q=v2，Q=v3，…Q=vn。
这里说的“平面上的插值”，是用已知曲线族和给定Q=v和X坐标值，求出对应的Y坐标值。
这里的“平面插值”的一般做法是：（1）先用已知曲线族插出要求的一条新曲线Q=v，即找出Q=v的表达式；（2）再由表达式求出X所对应的Y值。
要找出一条新曲线的表达式，必须先找出已知曲线族的足够的数据点组（一个点组，是由同一个X坐标下的各条已知曲线上的对应点组成的），利用这一组组的数据点分别进行插值，求出曲线Q=v上的一个个数据点。再用求出的Q=v上的这些数据点进行插值，求得曲线Q=v的表达式。
实际上，并不需要插出Q=v的一条曲线，只需要用已知曲线族的横坐标为X的一个点组就够了。即用已知X坐标处的点组（v1，Y1），（v2，Y2），…（vn，Yn）插出一条与给定的X坐标对应的v-Y曲线，即求得它的表达式，再将v值代入表达式，得到Y值。关于如何得到这条v-Y曲线，请见3和5。
为了获得较高的精度，尽量采用参数样条方法拟合的曲线。如果该族曲线都是直线，也可选用最小二乘法，它也有较高的精度。而且，用最小二乘法拟合的曲线不但可用于内插，而且还可用于外插。而用参数样条拟合的曲线只能用于内插，不能用于外插。因此，工程中气体的物性参数插值软件中，就有两套程序。在使用过程中，凡能用参数样条拟合曲线的，尽量使用参数样条拟合的曲线。如果遇到曲线参数v或者x坐标值超界时，工程自动调用最小二乘法的插值程序，求得一个近似值。
这样，既保证了插值的高精度，又避免了当参数越界时因求不出气体的某些物性参数值而无法继续工作的问题。
7 工程管理子工程
在这里，工程管理子工程，包括用户组授权、用户管理、数据库清理、数据库的合并、在线帮助信息等。设置该子工程的目的是提高工程的可维护性等。
8 结束语
该软件工程是一个集风机热动力试验模型与方法、计算技术、图形技术、数据库应用技术等现代科学技术于一体，以及一个集工程处理与数据管理于一体的软件工程，又是一个完全WINDOWS软件工程。
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