高壓變頻器在生物制藥風(fēng)機(jī)上的應(yīng)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(xiàn)任中國生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)理事單位，依托國內(nèi)重點(diǎn)科研院所、大學(xué)，綜合運(yùn)用生物技術(shù)、精細(xì)化工技術(shù)，擁有先進(jìn)的生產(chǎn)工藝設(shè)備和檢測技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到美國食品化學(xué)品法典FCCIV的要求，取得了ISO9000認(rèn)證、ISO14000環(huán)境管理體系認(rèn)證、ISO18000職業(yè)健康安全管理體系、OUKOSHER認(rèn)證、HALAL認(rèn)證、HACCP認(rèn)證及飼料添加劑生產(chǎn)許可證。目前主導(dǎo)產(chǎn)品有：富馬酸、L-天門冬氨酸、L-丙氨酸（工業(yè)級）、L-丙氨酸（醫(yī)藥食品級）以滿足國內(nèi)外不同行業(yè)客戶的需求。

　　公司有1期和2期兩套生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力一萬噸，生產(chǎn)過程中需要的空氣中的氧氣由鼓風(fēng)機(jī)提供。因此，鼓風(fēng)機(jī)是消耗電能的主要負(fù)載。所以為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電過程中電能的合理節(jié)約，希望可以將1期鼓風(fēng)機(jī)通過變頻裝置進(jìn)行節(jié)能拖動(dòng)。

　　2離心式鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備簡介

　　2.1電機(jī)及引風(fēng)機(jī)的參數(shù)

　　2.2鼓風(fēng)機(jī)工藝要求

　　生產(chǎn)過程中需要的空氣中的氧氣由鼓風(fēng)機(jī)提供。因此，鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量直接影響到生產(chǎn)工藝參數(shù)。所以該鼓風(fēng)機(jī)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(yùn)行穩(wěn)定，連續(xù)不間斷正常運(yùn)行；操作簡單，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程DCS控制；頻率可調(diào)度2-50Hz；適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)；保護(hù)功能完善；要求節(jié)能效果明顯。另一方面，負(fù)載為離心式鼓風(fēng)機(jī)，要求變頻器啟動(dòng)和停止時(shí)能適應(yīng)離心式風(fēng)機(jī)的較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，減小對電網(wǎng)電壓的影響，對電機(jī)有必要的保護(hù)，有助于延長電機(jī)的使用壽命。

　　經(jīng)過對國內(nèi)外各種高壓變頻器調(diào)研、比較，最后以招標(biāo)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(jī)的控制設(shè)備。

　　3新風(fēng)光JD-BP37-500F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

　　3.1高壓變頻器系統(tǒng)的原理

　　3.1.l系統(tǒng)組成

　　圖1高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

　　其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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。輸入諧波均能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(shè)計(jì)，互換性好、維修簡單，噪音低，諧波含量小，不會(huì)引起電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對電機(jī)沒有特殊要求。

　　3.1.2功率單元電路

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

　　圖2單元電路主電路圖

　　3.1.3輸入側(cè)結(jié)構(gòu)

　　變頻器輸入側(cè)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(dú)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(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。

　　本機(jī)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(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)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(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對獨(dú)立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。

　　3.1.4輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

　　輸出側(cè)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(jī)供電。通過對每個(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(jī)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(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)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(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。人機(jī)界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破饔糜诠耋w內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。控制器及各控制單元板中采用DSP和FPGA等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)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(xiàn)真正意義的電氣隔離，系統(tǒng)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(bǔ)償技術(shù)提高了電源電壓利用率，利用了調(diào)制信號預(yù)畸變技術(shù)，使電壓利用率近似于1。系統(tǒng)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