高壓變頻器在生物制藥風機上的應用

　　引言

　　煙臺恒源生物股份有限公司，是國家高新技術企業，現任中國生物發酵產業協會理事單位，依托國內重點科研院所、大學，綜合運用生物技術、精細化工技術，擁有先進的生產工藝設備和檢測技術，產品質量達到美國食品化學品法典FCCIV的要求，取得了ISO9000認證、ISO14000環境管理體系認證、ISO18000職業健康安全管理體系、OUKOSHER認證、HALAL認證、HACCP認證及飼料添加劑生產許可證。目前主導產品有：富馬酸、L-天門冬氨酸、L-丙氨酸（工業級）、L-丙氨酸（醫藥食品級）以滿足國內外不同行業客戶的需求。

　　公司有1期和2期兩套生產線，年生產能力一萬噸，生產過程中需要的空氣中的氧氣由鼓風機提供。因此，鼓風機是消耗電能的主要負載。所以為了實現發電過程中電能的合理節約，希望可以將1期鼓風機通過變頻裝置進行節能拖動。

　　2離心式鼓風機設備簡介

　　2.1電機及引風機的參數

　　2.2鼓風機工藝要求

　　生產過程中需要的空氣中的氧氣由鼓風機提供。因此，鼓風機的風量直接影響到生產工藝參數。所以該鼓風機是生產工藝中重要的組成部件。

　　所以，一方面生產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；操作簡單，可以實現遠程DCS控制；頻率可調度2-50Hz；適應電網電壓波動能力強；保護功能完善；要求節能效果明顯。另一方面，負載為離心式鼓風機，要求變頻器啟動和停止時能適應離心式風機的較大的轉動慣性，減小對電網電壓的影響，對電機有必要的保護，有助于延長電機的使用壽命。

　　經過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光電子公司生產的風光牌JD-BP37-500F型（500kW/6kV）高壓變頻器作為鼓風機的控制設備。

　　3新風光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現控制以及與子微處理器間進行通信。風光高壓變頻器采用模塊化設計，互換性好、維修簡單，噪音低，諧波含量小，不會引起電機的轉矩脈動，對電機沒有特殊要求。

　　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現三相全波整流。逆變側通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制實現逆變。假如某一單元發生故障，該單元的輸出端能自動通過軟件控制IGBT旁路而整機可以降額工作，但不影響運行，每個功率單元完全一樣，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功率單元供電，每個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側的電流波形，使其負載下的網側功率因數接近1，輸入電流諧波成分低。實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，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。

　　3.1.4輸出側結構

　　輸出側由每個單元的兩個輸出端子相互串接而成，三相星型接法輸出給電機供電。通過對每個單元的SPWM波形進行重組，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，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，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運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。人機界面提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的靈活性。控制器及各控制單元板中采用DSP和FPGA等大規模集成電路和表面焊接技術，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，低壓部分和高壓部分實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提高了電源電壓利用率，利用了調制信號預畸變技術，使電壓利用率近似于1。系統采用了先進的載波移相技術，它的特點是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯后的總輸出波形失真特別小。多個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