高压变频器在生物制药风机上的应用

　　引言

　　烟台恒源生物股份有限公司，是国家高新技术企业，现任中国生物发酵产业协会理事单位，依托国内重点科研院所、大学，综合运用生物技术、精细化工技术，拥有先进的生产工艺设备和检测技术，产品质量达到美国食品化学品法典FCCIV的要求，取得了ISO9000认证、ISO14000环境管理体系认证、ISO18000职业健康安全管理体系、OUKOSHER认证、HALAL认证、HACCP认证及饲料添加剂生产许可证。目前主导产品有：富马酸、L-天门冬氨酸、L-丙氨酸（工业级）、L-丙氨酸（医药食品级）以满足国内外不同行业客户的需求。

　　公司有1期和2期两套生产线，年生产能力一万吨，生产过程中需要的空气中的氧气由鼓风机提供。因此，鼓风机是消耗电能的主要负载。所以为了实现发电过程中电能的合理节约，希望可以将1期鼓风机通过变频装置进行节能拖动。

　　2离心式鼓风机设备简介

　　2.1电机及引风机的参数

　　2.2鼓风机工艺要求

　　生产过程中需要的空气中的氧气由鼓风机提供。因此，鼓风机的风量直接影响到生产工艺参数。所以该鼓风机是生产工艺中重要的组成部件。

　　所以，一方面生产工艺要求变频器必须安全可靠运行稳定，连续不间断正常运行；操作简单，可以实现远程DCS控制；频率可调度2-50Hz；适应电网电压波动能力强；保护功能完善；要求节能效果明显。另一方面，负载为离心式鼓风机，要求变频器启动和停止时能适应离心式风机的较大的转动惯性，减小对电网电压的影响，对电机有必要的保护，有助于延长电机的使用寿命。

　　经过对国内外各种高压变频器调研、比较，最后以招标方式选择了新风光电子公司生产的风光牌JD-BP37-500F型（500kW/6kV）高压变频器作为鼓风机的控制设备。

　　3新风光JD-BP37-500F高压变频调速系统

　　3.1高压变频器系统的原理

　　3.1.l系统组成

　　图1高压变频调速系统的结构图

　　其系统结构如图1所示。风光牌高压变频器为高--高电压源型模式，由移相变压器，功率单元和控制器组成。前端由一个多绕组的隔离移相变压器供电，功率单元每相采用低压功率单元串接组成。输入谐波均能满足国家标准对电压和电流失真的要求。控制器部分以高速微处理器实现控制以及与子微处理器间进行通信。风光高压变频器采用模块化设计，互换性好、维修简单，噪音低，谐波含量小，不会引起电机的转矩脉动，对电机没有特殊要求。

　　3.1.2功率单元电路

　　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。逆变侧通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制实现逆变。假如某一单元发生故障，该单元的输出端能自动通过软件控制IGBT旁路而整机可以降额工作，但不影响运行，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。

　　图2单元电路主电路图

　　3.1.3输入侧结构

　　变频器输入侧由移相变压器给每个功率单元供电，每个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。

　　本机中移相变压器的副边绕组分为三组，采用多脉冲整流方式。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，输入电流谐波成分低。实测输入电流总谐波成分小于2%。另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。

　　3.1.4输出侧结构

　　输出侧由每个单元的两个输出端子相互串接而成，三相星型接法输出给电机供电。通过对每个单元的SPWM波形进行重组，可得到如图3所示的阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，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。

　　图3变频器输出的相电压阶梯PWM波形图

　　3.1.5控制器

　　控制器核心由高速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监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。控制器及各控制单元板中采用DSP和FPGA等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。

　　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实现真正意义的电气隔离，系统具有极高的安全性和可靠性，同时具有很好的抗电磁干扰能力。

　　3.1.6控制电源

　　采用三次谐波补偿技术提高了电源电压利用率，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。多个单元迭加后的理论输出波形如图4所示。

　　图4单元输出迭加后的波形