日立变频器在高压水除磷系统中的应用

张海元辛智娟

(1.包钢(集团)公司稀土钢板材公司,内蒙古包头 014010;2.内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司,内蒙古包头 014080)

日立变频器在高压水除磷系统中的应用

张海元1辛智娟2

(1.包钢(集团)公司稀土钢板材公司,内蒙古包头 014010;2.内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司,内蒙古包头 014080)

本文主要介绍了高压水除磷在热轧工艺中的重要性以及日立变频器在包钢2250mm热轧项目粗轧区高压水除磷系统中的应用。

高压水除磷 变频器

1 概述

热轧钢除鳞工艺的发展是为了满足社会对材料表面质量的不断追求。从过去的人工刷除，机械除鳞，低压除鳞到今天高压水除鳞，就是为了改进产品的质量，增进市场的竞争能力。氧化铁皮必须清除掉，否则在轧制过程中氧化铁皮就会压进钢材中，影响板材的表面质量，此外，既坚硬而又不平的铁皮也会严重磨损轧辊表面，降低轧辊的工作寿命。

高压水除鳞的原理是利用高压水的急冷，氧化铁皮与钢坯体产生温差，使表面基体材料和氧化铁皮层冷却收缩率不同产生的剪切力，水渗入基体材料和氧化铁皮之间，产生的蒸汽爆炸等诸多综合力的作用下，使氧化铁皮迅速脱离基体，同时高压水按设定方向冲走铁皮。为了提高钢材质量，在轧线上安装一套高压水除鳞系统是非常重要的。

包钢新体系2250mm热连轧工程，是包钢结构优化产业升级总体规划的重要组成部分。该工程高压水除鳞分两个泵站三套系统，即粗轧除鳞系统(RM)、精轧除鳞系统(FM)和机架除鳞系统(F1-F2)。

针对工艺特点，为了达到节能和保护电机的目的。在包钢2250mm热连轧项目中，对粗轧除鳞系统(RM)三台电机采用DHVECTOL变频器进行变频控制。应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。

图1 变频器系统拓扑结构

图2 变频器单元结构

2 DHVECTOL变频器介绍

DHVECTOL产品无电网污染高压大功率变频器是一种高效、节能、无电网污染的高压大功率变频设备，性能优异，主要技术指标已达到世界先进水平。DHVECTOL产品变频器适用于大型风机、泵类、压缩机、皮带机等负载，使用后可大大降低能耗，改善生产工艺，提高生产效率，并可大大提高系统的稳定性和可靠性，延长设备的使用寿命，减少系统维护。

DHVECTOL产品变频器适用于标准的三相交流异步感应电动机。本变频器将工频电源变换为频率、电压均连续可调的电源，可使电动机拖动系统运行在最佳状态。DHVECTOL产品变频器不仅节能效果明显，而且极大提高了系统性能。

DHVECTOL产品变频器主要有以下特点：基于多电平级联技术，输入谐波小、功率因数高、效率高；不需要外部输出滤器就可提供正弦输出电压，不会增加电动机拖动系统的运转噪音，输出转矩脉动小；采用大功率的IGBT功率模块。IGBT模块的驱动与过流保护采用专用电路，可靠性高；功率单元组件具有互换性，若出现故障，可在几分钟内用简单工具进行更换维修；用户提供多条起动曲线，起动时间由用户设定，可保证电动机安全运行并延长其使用寿命，软起动过程对电网不会产生冲击电流；高压主回路与主控系统之间采用光纤连接；用户可以任意选择远方控制或者就地控制方式运行变频器。采用内置PLC，可接受和输出工业标准信号；内置UPS可提供30分钟维持时间。

2.1 变频器系统拓扑结构

DHVECTOL产品无电网污染高压大功率变频器采用直接高压变换形式，由多个功率单元构成单元串联多电平的拓扑结构。每个功率单元输出交流低压，多个功率单元叠加后输出为所需的交流高压。以10kV每相五个功率单元串联为例，叠加后所构成的主回路拓扑如图1所示。

每个功率单元输入三相交流电压，经整流、逆变后输出单相交流电压，其有效值Ve≈693V，由于每相由五个相同的功率单元串联而成，所以相电压为3464V，三相的一端经过短接形成中性点，三相的另外三个端口线电压为6000V，可以直接驱动交流电动机，所以该级联式主回路拓扑又常常称为“单元串联多电平”直接高压变频器结构。

2.2 功率单元原理介绍

功率单元主要由输入熔断器、三相全桥整流器、滤波电容器组、IGBT逆变桥、直流母线和旁通回路构成，同时电子控制部件还包括电源、驱动、保护监测、通讯等组件组成的控制电路。电容器组根据单元电压选择并联或串联。单元结构如图2所示。

每个功率单元由移相变压器的一组副边绕组供电，通过三相全桥整流器将交流输入变为直流，并将能量储存在电容器组中。功率单元接收主控系统发送的PWM信号并通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。监控电路实时监控功率单元状态，并反馈回主控系统。在某一个功率单元出现重故障时，该级功率单元进入旁通状态，整个变频器可以继续工作，当引起旁通的故障原因消失之后，变频器退出旁通并自动恢复到原工作状态。

将每相N个功率单元输出的PWM电压波形进行叠加，产生出2N+1个电压阶梯的多重化相电压波形，五个功率单元输出的PWM波形及叠加之后的相电压波形如图3所示。

2.3 主控系统

主控系统包括主控板及其输入输出接口。主控板以专用高性能单片机为控制核心，另外使用NVRAM或EEPROM存储工程参数。主控板通过光纤通讯系统向各个功率单元传输PWM信号，并接收各个功率单元状态信息。主控板和人机界面之间使用光纤连接。通过人机界面的功能键，可以实现系统运行、停机、复位及功能参数设定和记录查询。

电气控制以高可靠性的可编程逻辑控制器PLC为核心，辅以继电器、开关等器件，负责变频器内部逻辑控制及外部与用户的接口。PLC主要完成以下功能：与主控系统交换给定、运行频率、输出电流及功能号等数据；监控主控系统就绪、运行、故障等状态；处理变频器控制电源切换、旁通柜开关切换、互锁、风机、柜门、变压器温度等信号；处理用户的高压开关信号、控制指令信号，并向用户提供变频器运行状态和参数。

图3 变频器的单元输出波形及相电压叠加波形

3 基本功能描述

3.1 起动方式

对于大功率电动机，使用变频器可以对电动机进行软起动。起动时，变频器从1Hz开始输出，按照V/f曲线将电动机拖动至需要的频率。

3.2 运行方式

闭环运行模式：在闭环运行模式下，用户可以设定并调节被控量的期望值，变频器将根据被控量的实际值与设定值进行比较，检测出差值，经过自动调节，使被控量的实际值自动逼近设定值，控制电动机的转速。控制量可以是压力、温度、水位等信号，也可以是这些信号通过DCS处理以后的频率信号。

开环运行模式：选择开环运行模式，变频器的运行频率将由LCD面板、人机界面给定或由外部模拟信号直接给定。

3.3 频率设定

变频器可以采用人机界面直接设定的方式，通过面板上的数字键输入频率，也可以采用电位器、传感器、DCS等直接进行模拟量给定，模拟信号为工业标准的4～20mA电流信号或0～10V电压信号。

3.4 控制方式

变频器可以在本地控制，也可以在远方进行控制。

3.5 参数设定功能

变频器具有多种功能设定，包括变频器输入输出电压、V/f曲线、升降速时间等。所有参数可以备份或恢复，断电后无需重新设置。合理设置系统或电动机的各种参数不仅能使变频器处于最佳工作状态，同时也能更加有效的对电动机和变频器进行保护。

3.6 故障查询功能

变频器具有故障报警及故障查询功能，可以为用户提供清晰的故障点定位，故障记录等。

4 结语

高压水除磷系统在热轧钢系统起着重要的作用，通过使用变频器，实现了系统的智能化，同时又起到了很好的节能和保护电机的作用。

This article mainly introduces the importance of high pressure water and phosphorus in hot rolling process and DHVECTOL frequency changerin baotou steel 2250 mm hot rolling project roughing application of high pressure water phosphorus removal system.

High pressure water and phosphorus frequency changer