高压变频器在沙钢团体宏发炼铁厂除尘风机上的应用案例

摘 要：本文介绍了风光牌高压变频器在沙钢团体钢铁厂除尘风机上的应用情况。应用结果表明，采用国产高压变频器对钢厂的除尘风机设备进行调速节能改造，具有较高的经济效益和社会效益。 关键词：高压变频器  除尘风机  应用 1、引言       沙钢团体是目前国内最大的电炉钢和优特钢生产基地、江苏省重点企业团体、国家特大型产业企业，全国最大的民营钢铁企业。现拥有总资产1000多亿元，职工26700余名，主要工艺装备均达国际先进水平，形成了年产铁2230万吨、钢2720万吨、材2390万吨，其中不锈钢板100万吨的生产能力。 图1 沙钢团体厂区       为了降低对周边环境的污染，沙钢瞄准国际国内先进水平，大力推进技术创新，先后淘汰了两座5吨小电炉和6条小轧钢生产线，同时，引进先进环保治理工艺技术和装备，加大环保技改投进。近几年来，共投资两亿多元用于增添和更新改造各类环保设施。在电炉炼钢方面，采用布袋低压脉冲除尘技术、喷雾除尘技术、变频调速控制除尘风机技术。       该炼钢厂原有15t氧气顶吹转炉4座，转炉吹炼过程中，炉口会排出大量棕红色的烟气，烟气温度高，含有易燃气体和金属颗粒，按照我国1996年颁布的《大气污染物综合排放标准》（GB16297一1996），对烟气必须冷却、净化，由引风机将其排至烟囱放散或输送到煤气回收系统中备用。因此，每座转炉需配有一套除尘系统，除尘系统采用二级文氏管烟尘净化方式，风机型号AI850，电机功率1800KW/10KV。由于转炉周期性中断吹氧，为满足节能和环保要求,要求风机在整个炼钢工作周期内变速运行，吹氧时高速运行，不吹氧时低速运行。2002年，炼钢厂对其中2#和3#转炉进行扩容改造，将风机移至地面，采用液力偶合器调速，高速2700r/min（设计2900r/min），低速1200r/min。经过一段时间的运行，发现液力偶合器技术存在着局限性，主要表现在： 1）电动机的效率低，损耗大，尤其低速运行时，效率极低；  2）调节精度低、线性度差，响应慢； 3）启动电流仍比较大，影响电网稳定；  4）液力偶合器故障时，无法切换至工频旁路运行，必须停机检验；  5）漏油严重，对环境污染大，地面被油污蚀严重。       鉴于液力偶合器存在上述众多题目，因此在2008年9月，炼钢厂对2#和3#转炉风机进行改造，改用高压变频器为转炉风机进行调速。  2、高压变频器技术要求及改造方案 　　除尘风机是除尘净化系统的动力中枢，一旦除尘风机不能正常运行，不但影响生产，造成巨大的经济损失，还有可能威胁到现场生产职员的人身安全；另外，调速系统工作的环境比较恶劣；同时转炉又周期性中断吹氧；所以，和除尘风机配套的高压调速系统，要求具有极高的可靠性。基于以上工作特点，对变频调速系统的主要要求如下：                         1）要求变频器要有高可靠性，长期运行无故障。 2）要求变频器有旁路功能，一旦出现故障，可使电机切换到工频运行。                        3）调速范围要大，效率要高。 4）有共振点跳转设置，能使电机避开共振点运行，让风机不喘震。  　　经过多方调研、比较，最后决定采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-1800F型高压变频器，通过双方技术职员的合作，共同制定了2#和3#转炉除尘风机的变频改造方案，改造方案如下：       2.1 设备配置     图2 一次主回路图 QF：变频器输进侧的高压开关柜 KM1、KM2、KM3、KM4：高压变频器内置真空接触器 QS1、QS2：高压变频器内高压隔离开关 M：1800KW/10KV三相异步电动机       变频器配备了自动旁路柜，通过KM3、KM4的控制，可自动（或手动）在变频状态和工频状态之间切换。变频状态下, KM3闭合，KM4断开，变频器控制电机；工频状态下，KM3断开，KM4闭合，在切换至工频带动电机。变频器可以在重故障时自动切换工频运行，这样既保证了变频器正常运行，又避免了直接启动电机大电流对电网的冲击，保证风机连续不中断供风。并要求可以远程和本机控制。山东新风光电子科技发展有限公司生产的高压变频器调速有五种方式：就地旋钮、触摸屏、远程、上位机及多段速调节，方便用户选择。该钢铁厂采用多段速方式调节。远程控制时，自动检测转炉位置，使变频器在倒铁水时高速运行，其他时间低速运行。 2.2 电机、风机参数及变频器技术指标 1）电机参数　 2）风机参数 3）JD-BP38系列变频器技术指标 输进电压：　　　三相交流有效值10KV±10% 输进频率：　　　50±5Hz 输出电压：　　　三相正弦波电压0-10KV 输出频率：　　　0-50Hz 频率分辨率：　　0.01Hz 加速时间：　　　可按工艺要求设定 减速时问：　　　可按工艺要求设定 频率设定方式：　高低两级速度，可在0-50Hz范围内调整 故障诊断及检测：自动检测，自动定位 网侧功率因素：　0.95（高速时） 过载保护：　　　150%（每10分钟答应l分钟）、180%立即保护 防护等级：　　　IP21 环境湿度：　　　90%,无凝聚 3、JD-BP38系列高压变频器调速系统 3.1系统结构 　　JD-BP38系列高压变频调速系统的结构见图3所示，由移相变压器、功率单元和控制器组成。10KV系列有30个功率单元，每10个功率单元串联构成一相，图3中给出了系统结构示例。 图3 高压变频器系统结构图 3.2功率单元电路 图4 功率单元主电路图       每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其主电路结构如图4所示，为基本的交-直-交双向逆变电路，图中通过逆变块IGBT反并联的二极管构成三相全桥方式整流，整流后的给滤波电容充电，确定母线电压， 通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制实现双向逆变。 　　功率单元输出波形： 图5  单个功率单元输出波形 3.3输进侧结构 　　输进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电流、1/10的相电压、1/30的输出功率。30个单元在变压器上都有自己独立的三相输进绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互尽缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输进电流的谐波成分。 　　本机中移相变压器的副边绕组分为三组，构成36脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1，输进电流谐波成分低。实测输进电流总谐波成分小于3%,低于国家标准。 3.4输出侧结构 图6  10个单元输出波形叠加图 输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图6所示的门路PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的尽缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。 3.5控制器 　　控制器核心由高速32位数字信号处理器（DSP）运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。人机界面提供友好的全中文WINDOWS监控和操纵界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。内置PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操纵信号和状态信号的协调，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要，增强了系统的灵活性。 　　数字信号处理器（DSP）相对于模拟信号处理有很大的优越性，表现在精度高、灵活性大、可靠性好、易于集成、易于存储等方面。传统的模拟信号处理技术正由全新的数字信号处理技术（DSP）所代替。DSP是面向高速重复性数值运算密集型的实时处理。高性能DSP不仅处理速度快，而且可以无中断的完成数据的实时输进与输出。DSP结构相对单一，普遍采用汇编编程，其处理完成时间的可猜测性要比结构和指令复杂、依靠于编译系统的普通微处理器强的多。它可以单周期完成这些乘加并行操纵，而普通微处理器需要至少4个指令周期，因此在相同的指令周期和片内指令缓冲条件下，是普通微处理器运算速度的4倍以上。 　　另外，控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，并且各个功率单元的控制电源采用一个独立于高压系统的同一控制器，方便调试、维修、现场培训，增强了系统的可靠性。 3.6 控制电源 　　控制器有一套独立于高压电源的供电体系,厂房通风，在不加高压的情况下，设备各点的波形与加高压情况基本相似，给整机可靠性、调试、培训带来了很大方便。 　　系统采用三次谐波补偿技术进步了电源电压利用率，利用了调制信号预畸变技术，使电压利用率近似于1。系统还采用了先进的载波移相技术，它的特点是单元输出的基波相叠加、谐波彼此相抵消。所以串联后的总输出波形失真特别小。 4、设备运行情况及其他效益 　　08年9月份，山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-1800F变频器应用于2#和3#电转炉除尘风机进行了改造。由于我厂的每台高压变频器在出厂前均经过实际风机负载满载的整机出厂检验和调试，在现场的调试又可以在没有高压输进的情况下调试，因此在经过约一周的施工、安装和调试后，上电试验和试运行进行顺利，一次投运成功，高压变频器一直持续稳定运行。高速运行时45Hz，低速运行时20Hz。图7为变频调速后风机运行曲线图。 图7 变频调速后风机运行曲线图 运行变频器调速后，主要优越性变现在： 1）运行稳定，安全可靠。原来使用液力偶合器大概40天左右就必须更换轴承，每次需停炉半天左右，带来的巨大的经济损失。 2）节能效果明显。 下表为生产工况基本相同的条件下，随机抽取一天工频与变频各个方面的数据对比：       与原有的工频驱动方式相比，风机效率稳定在理想的范围内，电动性能耗大大降低，节约电量可达37％，变频改造后节能效果明显。 3）电动机实现了真正的软启动、软停运，变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦波电流，降低了电机的故障次数。同时，变频器设置共振点跳转频率，避免了风机长期在共振点运行，使风机工作平稳，风机轴承磨损减少，延长了电机、风机的使用寿命和维修周期，进步了风机的利用效率。  4）变频器自身保护功能完善，同原来继电保护比较，保护功能更多，更灵敏，大大加强了对电机的保护。 5）变频器同现场信号无缝接口，满足生产的需要。变频器内置PLC，现场信号接进灵活。变频器按照转炉位置自动高速、低速往复运行。 6）适应电网电压波动能力强。 7）同液力偶合器比较，在加速期间大大减小了噪声，削弱了噪声污染。由于不用定期拆换轴承，减少了机油对环境的污染，使风机房的现场环境有了极大改善。  5、结束语 　　从现场运行情况来看，山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-1800F高压变频器性能优越，运行可靠，有效地降低了生产本钱。在国家大力建设资源节约型社会的今天，通过有效的节能改造，具有明显的经济效益和社会效益。

2009年，中国风电装机容量位列世界第二，但风电迅速发展的同时，并网难也成为限制风电发展的瓶颈。风能电力如何有效上网？风电产业如何有序发展？带着这些疑问，本刊记者专访了中国可再生能源学会风能专业委员会秘书长秦海岩。
《中国经济和信息化》：去年10月份以来，内蒙古风电停转，损失超过亿元，您认为导致这种情况发生的主要原因是什么？
秦海岩：由于规划落后，电网已经成为影响风电产业发展的最大瓶颈。
具体到内蒙古的情况，内蒙古的风电输送因热电联产而受到极大限制，但主要还是体制、利益调整的问题。对于风电，内蒙古本地消化不了，京津唐甚至整个华北地区是可以吸收的，负荷也够、通道也有，但国家电网不让入网，这样就导致了问题的出现。
解决风电上网难题最核心的是观念、体制问题，是经济利益调整的问题。当然不可否认，是有很多技术难题，但技术问题并非难以解决。
风电并网问题非常复杂，标准的制定涉及技术、市场机制以及管理等多个方面，一家单位很难把所有的问题研究透彻。风电并网技术标准一定要政府、电网公司、风机制造商及风电场运营商等利益相关方共同制定。
《中国经济和信息化》：近年来，国内风电产业的发展情况如何？
秦海岩：中国风电产业真正起步是2004年。2004年以前，业内人士对产业发展的担心集中在能否制造出大型风电机组，制造业能否满足风电装机的需要。当时，每年只有不超过10万kW的装机容量。
借助巨大的市场优势，经过5年的发展，国内催生了超过多达70家的整机企业。目前国内几家主要设备企业如华锐风电、金风科技、东汽风电产值已经进入世界前10名。
我国风电机组供应能力完全可以满足市场需求。部分领头企业在国家政策的激励下，积极开展自主创新活动，初步具备了风电机组设计能力，多兆瓦级（大于2兆瓦）风电机组研制技术取得突破。
同时，经过几年发展，我国企业在风电关键零部件配套方面的能力已经得到很大提高。叶片、齿轮箱、发电机等关键零部件基本实现国产化，齿轮箱轴承、变流器等部件的供应能力也将很快得到提高。国产风电设备的国际市场开拓工作也进展良好，产品已经出口到美国、智利、泰国及印度等国家。
可以说，上一个5年，我们已经实现了风电从无到有、从有到大；下一个5年，我们应把目光放长远，实现风电产业又好又快发展。
《中国经济和信息化》：如何解决风电产业发展中存在的问题？
秦海岩：如何科学制定中国风电中长期发展目标和实现途径，保障风电产业快速有序发展，解决大规模风电开发存在的主要问题，将成为中国未来风电发展的研究重点。
首先，要让电网成为风电发展的坚强后盾。当前，总是有些人用技术上有困难、经济上不合理来评价风电并网。但是，欧洲的经验表明，风电占比达到20%基本没有什么技术上的问题，也不会带来太多的成本增加。我们国家也有非常好的例子——内蒙古的实践有力地证明了风电对电网的安全运行没有影响。
其次，要全面系统考虑风电并网问题，制定科学合理的并网技术标准。当前，风电发展正处于从前期的规模化和商业化转向可持续发展的关键阶段。非常有必要通过制定风电并网技术标准，来促进风电大规模持续发展。
再次，要大力支持风电基础技术研究，借助大市场变身风电强国。现阶段我们更应大力支持那些不太容易出成绩，但又是风电开发的根本性、基础和共性技术的开发项目。
应该抓紧研究制定符合我国的风况、环境条件的风电标准体系。我国现阶段国内风机设计采用的IEC61400-1标准，并没有考虑中国国情，不能完全适应我国的风况及气候特点。
例如：在西北地区，如果按照IEC61400－1标准，50年3秒平均极端风速几乎相当于年平均风速的7倍设计，设计的风机制造成本增大，不经济。而在东南沿海地区，按同样标准设计的风机可能会强度不足，使用寿命不够。
我们还应鼓励竞争，但是要防止牺牲质量降低价格的恶性竞争，并进一步完善检测认证体系，维护健康市场秩序。
《中国经济和信息化》：在这一过程中，政府应扮演什么角色？
秦海岩：政策驱动和引导。风电产业作为一个新兴的产业，现阶段离不开政府的扶持。
一是政府加大财政补贴的力度，继续对已实现自主创新的企业给与资金奖励。
二是鼓励开发商采购自主创新的产品，通过市场引导自主创新，利用市场培育企业研发设计能力。
三是政府要通过支持科技项目的方式，推进基础性、公共性技术的研发，整体提升产业的技术水平，以此加快向风电技术强国的转变。
《中国经济和信息化》：在风能发电方面，有哪些国际经验值得借鉴？
秦海岩：纵观风电发展历史，传统的风电市场大国，无不成就了相关设备制造的世界级企业，如丹麦的Vestas、西班牙的Gamesa、德国的Enercon和Nordex。
2009年，我国新增装机1380.32万千瓦，排名世界第一，已经成为世界上最大的风电设备市场。强势的市场地位蕴含着由制造大国向产业强国转变的机会。全球风电制造业技术远未成熟，现在我们与世界强国处于同一起跑线上，这是中国风电业的发展机遇，我们有可能成为强国。因此要支持、鼓励创新。
所以，依托自己的大市场，我们完全可能催生自己的世界级的知名风电设备制造企业。同时，我们也完全可以通过对全国风况和环境参数的观测及统计分析，建立起适合我国国情的技术标准体系，为我国风电技术的发展，创出一条主流的发展道路，并形成自有的技术门槛，变身技术强国，从而掌握世界风电技术发展的潮流和话语权。
3L系列三叶罗茨鼓风机 产品简介 3L系列罗茨鼓风机是我公司吸收了日本、德国等国家的先进经验，在L系列风机的基础上开发的一种新型的高效节能、低噪音的产品。该产品采用CAD软件设计和先进的数控加工工艺，确保风机的优良性能，产品广泛地用于污水处理、冶金、电力、化工、石油、水产养殖业用什么风机、食品轻工等部门的气力输送。 性能范围 升压：9.8-68.6KPa 流量：0.95-274m3/min 输送介质 空气、中性气体 转动方式    直连、皮带传动 产品特点    ·叶轮采用了复合型线，增加了一道密封面，泄漏少、效率高。在相同机型、相同压力条件下能耗下降5-8%。    ·采用了国际先进的逆流冷却技术，使气流脉动更加平缓、排气温度明显地下降6-8℃，在高压条件（﹥68.8KPa）时尤为明显，排气温度下降10-30℃，同时噪声降低6-10dB(A)。    ·轴承座部采用离心式甩油机构，确保风机终身不会漏油。    ·采用径向与平面相结合的组合迷宫密封，使气体泄漏更少。    ·叶轮经过严格的动平衡试验，平衡精度高于6.3级的国家标准规定，达到5.6级以上，因而整机几乎无振动。    ·齿轮采用优质碳素钢低碳合金钢，经高频淬火后磨齿，齿轮精度达5级。    ·整机设计紧凑，结构简单，与L系列风机相比，维修更方便。 订货须知 1.订货时请注明风机的型号、升压和流量。 2.单机供应鼓风机壹台、电动机壹台。 3.成套供应：风机壹台、电机壹台、进出口消声器、空气滤清器、、逆止阀、安全阀、温度计、压力表、排空阀、T型接头、可曲橡胶接头、电控柜。 4.用户如有特殊要求请与我公司技术部门联系，联系电话0513-86728828   3L53W三叶罗茨鼓风机性参数表                                  执行标准：JB/T8941.1-1999 转速 n r/min   理论流量 Qth r/min 传动方式 升压 △      p MmH2O 进口流量 Qac M3/min 轴功率 Ns Kw 配套电机 主机重量（不含电机） 型号 功率kw 重量kg 730 24.34 D 1000 20.8 4.42 Y160L-8 7.5 145 794 2000 19.3 8.84 Y180L-8 11 182 3000 18.1 13.3 Y200L-8 15 290 4000 17.1 17.7 Y225M-8 22 303 5000 16.1 22.1 Y250M-8 30 400 6000 15.2 26.5 Y250M-8 30 400 7000 14.3 30.9 Y280M-8 37 522 980 32.68 D 1000 29.2 5.93 Y160L-6 11 140 2000 27.7 11.87 Y180L-6 15 186 3000 26.5 17.8 Y200L2-6 22 260 4000 25.4 23.7 Y225M-6 30 302 5000 24.4 29.7 Y250M-6 37 400 6000 28.5 35.6 Y280M-6 45 533 7000 22.6 41.5 Y315S-6 55 590 1150 38.35 D 1000 34.8 6.96 Y160M-4 11 123 2000 33.3 13.9 Y180M-4 18.5 173 3000 32.1 20.9 Y200L-4 30 255 4000 31.1 27.9 Y225S-4 37 305 5000 30.1 34.8 Y225M-4 45 333 6000 29.2 41.8 Y250M-4 55 400 7000 28.3 48.7 Y280S-4 75 560 1250 41.68 C 1000 38.3 7.57 Y160L-4 15 144 2000 66.7 15.1 Y180M-4 18.5 173 3000 35.5 22.7 Y200L-4 30 255 4000 34.4 30.3 Y225S-4 37 305 5000 33.4 37.8 Y225M-4 45 333 B 6000 32.5 45.4 Y250M-4 55 400 7000 31.6 53.0 Y280S-4 75 560 1450 48.35 D 1000 44.8 8.78 Y160L-4 15 144   2000 43.3 17.6 Y180L-4 22 197 3000 42.1 26.3 Y200L-4 30 255 4000 41.1 35.1 Y225M-4 45 333 5000 40.1 43.9 Y250M-4 55 400 6000 39.2 52.7 Y280S-4 75 560 7000 38.3 61.4 Y280S-4 75 560  

转子稳态响应是在频率不变的不平衡激振力下产生的，而瞬态响应的激振力频率是时刻变化的。激振力的不同使得转子稳态和瞬态响应有很大的差别。因为转子系统存在阻尼，阻尼的滞后作用使得振幅响应滞后于不平衡激振力，激振力频率变化得越快，响应滞后得就越多[1]。

　　针对稳态响应和瞬态响应发展了两种平衡转子的方法——稳态平衡法和瞬态动平衡法。稳态平衡法比较简单可行，但对柔性转子平衡转速在临界转速附近，平衡时危险性很大；而瞬态动平衡则可以很大的加速度迅速跨过临界转速，使振幅大幅度下降，减小平衡的危险性，但瞬态动平衡比稳态平衡难度大[2]。国外 Gregory L.Reed 曾做过加速度大小对转子启动过程振幅的影响分析[3]，为了进一步了解稳态响应和瞬态响应振幅及临界转速的差别，进而确定转子动平衡的平衡方法，分析加速度对转子瞬态响应的影响规律。

1　 Jeffcott转子稳态和瞬态响应对比分析 　　 　　转子的物理模型见图1，具体尺寸参数：轴的直径d=1.7cm，跨距52cm，盘的直径D=12cm，厚5cm，质量m=4.7kg，不平衡量me=1.41×10-5kg·m，转子系统在盘A-A截面处的刚度系数为3.3×105N/m，阻尼Ce=20N·s/m。

　

　　通过matlab中的simulink动态仿真模块对上式方程组进行数值求解，得到不同加速度下转子系统的振幅响应[5]。令自转角加速度й=0 ，则可得到转子系统在某一转速下的稳态响应。因此先令初始自转角加速度й=35rad/s2，计算得出转子系统的瞬态响应，然后再令й=0 ，取不同的自转角速度й，得出不同自转角速度下的转子系统的稳态响应，将这些数据在同一个图上表示出来，即能反映出 Jeffcott 转子稳态响应和瞬态响应的差别。

　　Jeffcott 转子稳态响应和瞬态响应的对比分析见图2。分析图2得出：随着加速度a的增大，转子的振幅下降，临界转速增加；转子系统的稳态响应振幅在临界转速附近要明显高于瞬态响应，但在转速低于转子系统临界转速的80%区域内，稳态响应和瞬态响应是相同的，此时可采取稳态平衡法，相反在高于临界转速80%的区域则应采用瞬态动平衡法；转子在以角加速度为35rad/s2的加速过程中，最大振幅为1.165×10-4m ，对应转速为 2631r/min，而稳态响应最大振幅为1.8684×10-4m ，对应转速为2531r/min。计算后知稳态响应的峰值高出了瞬态响应的60%，瞬态响应出现峰值的转速比稳态响应滞后了100r/min。因此对于一个不平衡的转子系统长期运行于临界转速附近是非常危险的。对于需要工作在高于临界转速的转子系统，必须以很大的加速度迅速跨过临界转速区域，以防转子系统在临界转速附近因振幅过大而直接损坏，造成不必要的损失。

  2 单盘悬臂转子稳态和瞬态响应对比分析

　　转子的物理模型见图3，L1=0.24m,L2=0.96m,L3=0.05m；k1、k2分别为两支撑的刚度，k1=1×106N/m，k2=1×108N/m；轮盘质量m=20kg，直径D=0.5m, 偏心矩e=9.6×10-4m ，盘的自转角加速度a=50rad/s2；轴的直径d=3cm。为便于用传递矩阵对其进行研究，在轴上做出了6个截面。

　　利用传递矩阵法推导出单盘悬臂转子的运动微分方程为

　　

　　如同Jeffcott转子一样，设定角加速度a＝0rad/s2，取不同自转角速度30rad/s、50rad/s、70rad/s、100rad/s、120rad/s等值，通过求解上式方程组得出不同转速下悬臂转子系统的稳态响应；再取a＝50rad/s2，得出转子系统的瞬态响应。然后在一张图上画出稳态和瞬态的计算结果，见图4。

　　分析图4看出：随着加速度的增大，转子振幅减小，临界转速增加；单盘悬臂转子的稳态响应峰值在临界转速附近要明显高于瞬态响应；出现峰值时的转速，瞬态要滞后于稳态，且加速度越大，滞后的越多；当转速低于转子系统临界转速的70%时，稳态响应和瞬态响应是相同的。从图中还可以看出，转子在以角加速度为50rad/s2的加速过程中，振幅最大峰值为1.85×10-4m，对应的转速为1425r/min，而稳态响应的峰值为3.2514×10-4m ，对应的转速为1299r/min，计算后知稳态响应的峰值要高出瞬态响应的75.7%，瞬态响应出现峰值的转速滞后稳态响应126r/min。

3 双盘转子稳态和瞬态响应对比分析

　　双盘转子的物理模型见图5，两盘的质量分别为m1=5kg，m2=10kg，两盘的直径分别为D1=0.2m，D2=0.4m，两盘的偏心距分别为e1=e2=2×10-5m，两盘处的阻尼分别为Ce1=100N·s/m、Ce2=100N.s/m，弹性支承的刚度分别为k1=k2=5.63×105N/m；各轴段的长度分别为L1=0.2m，L2=0.5m，L3=0.7m，L4=0.1m；各轴段的直径为D＝0.03m；加速度为30rad/s2。

　　利用传递矩阵法得到上面双盘转子系统的运动微分方程为

　　上式中的各系数如下(A为1～4截面的传递矩阵，C为5～8截面的传递矩阵，B=CA)：

　　　

　　双盘转子系统的运动微分方程明显要比单盘转子系统复杂得多，从4个方程变成了8个。利用matlab中的simulink动态仿真模块对该方程组进行求解，令角加速度й＝0，取自转角速度分别为20rad/s、60rad/s、110rad/s、140rad/s、160rad/s等值，得出双盘转子系统的稳态响应。然后再令й＝100rad/s2，求出转子系统的加速瞬态响应，最后将稳态和瞬态响应的结果绘于同一张图上，对它们进行比较，见图6和图7,车间降温水帘。

　　分析图6和图7知：双盘转子随着加速度的增大，两盘振幅减小，临界转速上升；由图上标出的数值看出，在一阶临界转速，1盘稳态响应的峰值高出瞬态响应的21％，2盘稳态响应的峰值高出瞬态响应的27％。1盘瞬态响应峰值出现的转速要滞后稳态响应161rad/s，2盘瞬态响应峰值出现的转速要滞后稳态响应151rad/s；在二阶临界转速，1盘稳态响应的峰值高出瞬态响应的11.2％，2盘稳态响应的峰值高出瞬态响应的7％，1盘瞬态响应峰值出现的转速要滞后稳态响应127rad/s，2盘瞬态响应峰值出现的转速要滞后稳态响应134rad/s。

4 　结论

　　通过上面对单双盘转子系统的各种模型的大量数值仿真得出：随着转子加速度的增大，转子振幅下降，临界转速上升；稳态响应峰值要大于瞬态响应；瞬态响应出现峰值的转速要滞后于稳态响应。

　　上述得出的结论与理论相符。因为当转子越过临界转速时，挠度要明显加大，轮盘质心的切线速度就会相应得到提高，致使转子的动能提高很多。这部分动能的增量是由外力矩做功获得的。因为旋转的轮盘在挠度增加时，要受到哥氏惯性力的作用，由其形成的阻力矩需由外力矩来克服，所以，外力矩消耗的功是用于转变成挠度增加所需要的动能。可见系统能量的增加是一种能量的积累过程，转子增速的快慢，将直接影响能量积累的时间，从而影响挠度的增加以及对应于挠度峰值的转速。如果提高转子增速的速率，使越过临界状态的时间相应缩短，那么，临界转速的挠度就会变小，其峰值也会滞后出现。而稳态响应则相当于加速无穷缓慢，使能量积累时间无限长，因而能量积聚的越多，振幅越大。

参 考 文 献

［１］  顾家柳，等.转子动力学[M].国防工业出版社，1985.12.

［２］  钟一愕,何衍宗,王正,等.转子动力学[M].北京:清华大学出版社，1987.11.

［３］  Gregory L.Reed Theoretical And Experimental Investigation Of The Response Of A Rotor Accelerating Through Critical Speed NAVAL POSTGRADUATE SCHOOL 1995.

［４］  和兴锁.理论力学[M]. 科学出版社 ,2005.6.

［５］  陈桂明，张明照，戚红雨，等.应用Matlab建模与仿真[M]. 科学出版社，2001.

   
　日前在京与全球著名半导体供应商英飞凌签署核心技术变流器模块技术引进协议，该协议没有授权期限及生产配额的限制。业内分析人士认为，此举释放出金风科技在未来企业发展中的三大信号。

　　首先，变流器模块技术是影响直驱永磁风电机组低电压穿越和成本效益的核心系统，被认为是实现“电网友好型”风电的关键技术。金风科技董事长武钢说，近年来，电网对风电的发展提出更高的要求，金风科技引起核心技术旨在致力于“电网友好型”风电的发展方向。

　　其次，金风科技从2007年开始在英飞凌支持下自主研制变流器，此次签署技术协议后，金风科技从英飞凌获得“兆瓦级风力发电机组变流器模块”的国内生产权，其生产模块将应用到1 .5 MW和2.5MW风电机组中，并逐渐向3.0MW直驱机组扩展。这表明，随着国内风电机组大功率化趋势的加剧，金风科技开始加强对大功率直驱风机核心技术的掌控能力。

　　其三，据介绍，全功率变流器在风电机组核心技术部件总成本中占15%。金风科技引进英飞凌变流器模块技术并批量自产后，无疑将降低企业成本，提高市场竞争力。武钢表示，“这项技术引进及自产在带来显著成本效益的同时，还将有效确保变流器核心模块的即时供应，增强企业服务客户的能力。更重要的是，我们还能从中学习到以英飞凌为代表的先进德国生产工艺和质量控制经验,浙江车间通风，对提高公司整体生产管控水平大有裨益。”

矿用对旋轴流主透风机的变频改造

摘 要：本文先容了矿用主透风机变频改造的必要性和其改造后的节能效果，并结合具体应用阐述了高压变频器的主要技术特点和应用效果。          关键词：矿用对旋轴流透风机 高压变频器 调速节能          一、矿井和矿用对旋轴流透风机概述          　　星村煤矿位于山东省曲阜市境内，生产系统按照120万吨/年装备，为全隐蔽型井田。井田内主要有第四系、侏罗系和石炭二叠系含煤地层，煤层埋躲较深，采用立井开拓方式。矿井透风方式采用中心并列式。副井进风，主井回风。两台对旋轴流风机，一用一备。          　　将一个叶轮装在另一个叶轮的后面，而叶轮的转向彼此相反，称为对旋型轴流透风机，或者对置式轴流风机。煤矿所使用的对旋轴流风机因其主要由该透风机采用两级叶轮对旋式结构，两级叶轮分别由容量及相同型号电动机驱动，两个叶轮旋转方向相反，从进风口看，第一级叶轮顺时针方向旋转，第二级叶轮则按逆时针方向旋转。当空气流进第一级叶轮获得能量后并经第二级叶轮排出，第二级叶轮兼备普通轴流风机中静叶的功能，在获得正直圆周方向速度风量的同时，增加气流的能量，从而达到了高效率，高风压。          　　我矿主透风机为湘潭平安电气生产的BD-II系列弯掠组合正交型隔爆对旋轴流式主透风机。型号为BD-II-8-NO.27。一用一备，每台风机配置两台450kW、10kV防爆型鼠笼电机。电机采用了南阳防爆团体的风机用高压隔爆型三相异步电动机。电机型号为YBF630M-8。电机电压为10kV，转速为744转/分，额定电流33.9A.。通过调节风机叶片角度和风道挡板来完成风量的调节。          二、矿用对旋轴流透风机变频改造的必要性          　　矿用对旋轴流透风机（俗称“主透风机”）是煤矿的“呼吸系统”的中枢，须24小时不中断运行。由于煤矿企业受复杂的生产条件和环境影响，在设备选型上煤矿根据反风及开采后期运行工况所设计的透风机及拖动的电动机的功率，远大于煤矿正常生产所需的运行功率，造成了大马拉小车的普遍现象，耗能相当严重。如何降低企业的生产本钱，进步劳动生产效率是煤炭生产企业需要解决的主要题目。          　　从透风机选型的过程和煤炭生产的实际情况，对旋轴流透风机在恒速运行中存在以下题目：          　　1.电能的严重浪费          　　主扇风机设计上余量大，主扇风机一直处在较轻负载下运行。由于采用档板调节，因此造成能源浪费，增加了生产本钱。          　　2.启动困难，机械损伤严重          　　主扇风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的尽缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。          　　3.自动化程度低          　　主扇风机依靠人工调节档板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风骚短路，将对矿井正常生产造成严重影响。          　　高压变频器作为一种新型的电力变换装置，已经成熟地应用到产业生产的各个行业，不但启动轻易，节能效果明显，而且对电机的保护功能齐全。因此，为保证矿井生产的安全，降低生产本钱，进步自动化程度，对旋轴流透风机的变频改造就成为事在必行的工作。          三、高压变频器的技术特点          　　为克服以上存在的题目，我们决定对主透风机进行变频改造。根据论证分析和现在高压变频的技术现状，我们采用了利德华福公司的HARSVERT-A 10/070功率单元串联多电平高压变频器。利用一台变频器直接拖动一台风机的两台电机的改造方案。          　　HARSVERT-A系列高压变频调速系统采用单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，直接10kV输进，直接10kV高压输出。变频器主要由移相变压器、功率模块和控制器组成。它采用了新型IGBT功率器件，全数字化微机控制。具有可靠性高、易操纵、性能稳定等特点。          　　1.功率模块结构：功率单元结构原理是由不可控二极管整流的三相全控桥、低压尽缘栅双极型晶闸管（IGBT）逆变桥、电容器组等元件组成的控制回路，为基本的交-直-交单相逆变电路，通过对IGBT逆变桥进行正弦脉冲宽度调制（PWM）控制，可得到功率单元输出的PWM波形。每个功率单元结构一致，可以任意互换，而且当某个功率单元出现故障时，封闭该功率单元IGBT的触发信号，然后让旁路SCR导通，将这个功率单元隔离出往，而不影响其他功率单元的运行。          　　2.输进侧结构：输进侧由移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为三组，根据电压等级和功率模块串联级数，为48脉冲构成多级相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形（网侧电压电流谐波指标满足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其负载下的网侧功率因数接近于1，无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置。          　　3.输出侧结构：输出侧由每个功率模块的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到门路正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的尽缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。同时，电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。          　　4.控制器：控制器由DSP芯片、嵌进式人机界面和PLC共同构成。DSP芯片实现PWM控制。嵌进式人机界面提供友好的全中文WINDOWS监控和操纵界面，同时可以实现远程监控和网络化控制，输进输出波形采集。内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处理，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要。          　　控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，可靠性大大进步。另外，交流220V控制电源掉电时，控制器可由配备的UPS继续供电，变频器可以保持运行。          四、改造后的主要应用效果          　　1.变频起动对电网没有任何冲击。由于变频器改造后风机可以实现变频软起动，避免了起动电流的冲击，减少了对电网电压的任何冲击，而且还可以随时起动或停止，这体现了高压变频器作为软起动器的作用。          　　2.按需调节风量，避免浪费。变频改造后，风机的送风量不再需要由风门来调节，而是通过变频调节风机的转速来实现，调节范围可以从0%?100%;因而可以根据生产需要随意调节风量。          　　3.变频器运行中，假如需要机组切换，直接点击人机界面中的“启动1#”或者“启动2#”进行切换。          　　4.变频器运行过程中，可以一键反风功能，减少了操纵员工的工作，缩短了工作时间，进步了工作效率。          　　5.变频节能运行，节约了大量能源。由于变频改造后不再使风机一直处于满负荷工作状态，节能率高达30%以上。          　　6.需要留意的是煤矿对旋风机变频调速后，一般情况下要求两台电机的运行频率尽量一致，从而保证电机转速一致。避免一台转速高，一台转速低，形成风阻，影响风机的正常运行。          五、运行效果          　　变频器于2008 年5月30 日安装完成,6月3日投进运行。变频器显示采用中文图形人机界面，触摸屏操纵，生动直观，并且配备有上位监控计算机，变频器的运行状态一目了然，各种运行数据和报警信息可在触摸屏和上位机上查询，便于操纵职员及时了解变频器的运行情况。变频器操纵简单，两级风机可以同时起动，可在短时间内起动至高速，达到所需风量。缩短的起动时间确保了生产安全，实现了一键反风，反风操纵比以前简单可靠，完全可满足10 min内实现反风的要求。变频器投进运行以来一直运行稳定，输出频率、电压和电流符合要求，满载时网侧电流谐波总容量小于3%，风机以低于额定转速运行，不仅节约了能源，减少了维护用度，还降低了风机的运行噪声，经济效益良好。          　　由此可见，矿用透风机采用变频调速，不但实现了软起停，节约了电能，而且可根据巷道的风量需求方便的进行调速，应用效果是十分理想的。变频运行时，风机效率为80%，其节电率在30%以上，节能效果十分明显。

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