Zusammenfassung: Dieser Artikel befasst sich mit dem Einsatz von inländisch produzierten mehrstufigen Hochspannungsumrichtern im Eisenwerk der Tonghua Steel Factory. Der Betrieb der Umrichter vor Ort zeigt, dass der Einsatz dieser Umrichter zur Drehzahlregelung und Energieeinsparung der Hochofen-Entstaubungsventilatoren in der metallurgischen Industrie erfolgreich ist und einen signifikanten Energieeinsparungseffekt erzielt. Schlüsselwörter: Mehrstufiger Hochspannungsumrichter, Energieeinsparung 1. Einleitung Die Tonghua Steel Factory Co., Ltd. ist das größte staatliche Industrieunternehmen und der einzige große integrierte Stahlkonzern in der Provinz Jilin. Mit dem Beitritt zur WTO und dem verschärften Wettbewerb hat die Tonghua Steel Factory zur Verbesserung ihres Marktanteils und ihrer Wettbewerbsfähigkeit Reformen vertieft und den Bau zahlreicher Projekte beschleunigt. Zu diesen neuen Projekten zählt der Hochofen Nr. 6 mit einem Volumen von 750 m³. Aufbauend auf den Erfahrungen mit früheren Hochöfen wurden beim Bau des Hochofens Nr. 6 zahlreiche fortschrittliche Produktionsprozesse eingeführt. Die Frequenzumrichtersteuerung des Entstaubungsgebläses ist ein typisches Beispiel für diese fortschrittliche Technologie. Bisher wurden die Entstaubungsgebläse alter Hochöfen in der Regel mit Netzfrequenz betrieben oder hydraulisch gesteuert. Beim Betrieb mit Netzfrequenz wurde die Luftmenge durch Verstellen der Auslassklappe an die Produktionsanforderungen angepasst, was zu einem hohen Energieverbrauch führte. Die Drehzahlregelung über eine hydraulische Kupplung wies folgende Nachteile auf: (1) Enger Drehzahlbereich und instabile Drehzahl. (2) Geringer Wirkungsgrad und hohe Verluste. (3) Häufige Ausfälle der hydraulischen Kupplung, die den Anforderungen der kontinuierlichen Produktion nicht gerecht wird. (4) Geringe Regelgenauigkeit und langsame Reaktionszeit. Aufgrund dieser Probleme wurde die Drehzahl des Entstaubungsgebläses im Hochofen Nr. 6 des Eisenwerks der Tonggang-Gruppe auf Frequenzumrichtersteuerung umgestellt. 2. Technische Anforderungen an Hochspannungs-Frequenzumrichter Hochöfen erzeugen bekanntermaßen während der Produktion große Mengen an Rauch, der die Umwelt belastet. Gemäß nationalen Vorschriften ist eine Staubabsaugung erforderlich. Entstaubungsventilatoren sind dabei zentrale Komponenten. Ein Ausfall der Entstaubungsventilatoren führt nicht nur zu Produktionsverzögerungen und Produktionsausfällen, sondern kann auch die Sicherheit des Personals vor Ort gefährden. Daher müssen die mit den Entstaubungsventilatoren kombinierten Hochspannungs-Frequenzumrichter eine extrem hohe Zuverlässigkeit aufweisen. Die wichtigsten Anforderungen an Hochspannungs-Frequenzumrichter sind: (1) Hohe Zuverlässigkeit, (2) Umfassende digitale Steuerungsfunktionen, (3) Hohe technische Spezifikationen, (4) Anpassungsfähigkeit an raue Betriebsbedingungen, (5) Standardisierte digitale Kommunikationsschnittstelle, (6) Breiter Drehzahlbereich und hoher Wirkungsgrad, (7) Erfüllung der Drehzahlregelungsanforderungen der Hochofenproduktionsprozesse. Nach eingehender Untersuchung und einem Vergleich der Kosten-Nutzen-Verhältnisse wurde beschlossen, den Hochspannungs-Frequenzumrichter JD-BP38 der Firma Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. auszuwählen. Durch die Zusammenarbeit der technischen Mitarbeiter beider Parteien wurde gemeinsam ein Frequenzumrichter-Steuerungsschema für den Entstaubungslüfter des Hochofens Nr. 6 entwickelt. 3. Einführung in die Entstaubungsanlage für Baustellen 3.1 Motor- und Lüfterparameter 1) Motorparameter Modell: Y560-3-8 Nennleistung: 800 kW Nennspannung: 10 kV Nennfrequenz: 50 Hz Nennstrom: 59,5 A Nennleistungsfaktor: 0,82 Nenndrehzahl: 745 U/min 2) Lüfterparameter Modell: Y4-73 Nennvolumenstrom: 393.797 m³/h Nenndrehzahl: 730 U/min Wellenleistung: 800 kW 3.2 Anforderungen an den Entstaubungslüfter Die Hochofenproduktion beinhaltet periodische, intermittierende Abstiche. Dabei entsteht eine große Menge bräunlich-roten Staubs, weshalb der Lüfter mithilfe eines Frequenzumrichters mit hoher Drehzahl betrieben werden muss. Außerhalb der Abstichzeiten ist nur eine sehr niedrige Drehzahl erforderlich. Der Einsatz eines Frequenzumrichters zur bedarfsgerechten Steuerung der Drehzahl des Entstaubungsgebläses im Hochofen gewährleistet und optimiert den Prozess bei gleichzeitiger Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung. Die Hochgeschwindigkeitszeit für einen Abstich im Hochofen Nr. 6 von Tonggang beträgt ca. 40 Minuten, wobei täglich 15 Abstiche durchgeführt werden. Während des Abstichs arbeitet der Frequenzumrichter mit hoher Drehzahl (45 Hz, einstellbar), während des Abstichs mit niedriger Drehzahl (20 Hz, einstellbar). 4. Einführung in das Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem: Das Eisenwerk der Tonggang Group Co., Ltd. entschied sich schließlich für den von unserem Unternehmen hergestellten Hochspannungs-Hochleistungs-Frequenzumrichter JD-BP38-800F der Fengguang-Serie zur Drehzahlregelung des Entstaubungsgebläses im Hochofen Nr. 6. 4.1 Hauptleistungskennwerte des Hochspannungs-Frequenzumrichters Fengguang JD-BP38-800F : Wechselrichterleistung: 800 kW Nennausgangsstrom: 69 A Eingangsfrequenz: 50 Hz ± 5 Hz Nenneingangsspannung: 10 kV Zulässige Spannungsschwankung: ±20 % Leistungsfaktor am Eingang: ≥ 0,98 Ausgangsfrequenzbereich: 0–50 Hz Ausgangsspannungsbereich: 0–10 kV Wechselrichterwirkungsgrad: ≥ 96 % Überlastfähigkeit: 100 % (Dauerbetrieb): 160 % (Dauerbetrieb für 1 Minute): 220 % (zulässig für 1,5 Sekunden ) 4.2 Wichtigste technische Merkmale des Hochspannungs-Frequenzumrichters JD-BP38-800F : 4.2.1 Hochspannungs-Frequenzumrichter: Direkter 10-kV-Eingang Ausgang, kein Ausgangstransformator oder Filter erforderlich, geeignet für gängige Hochspannungsmotoren, keine Beschädigung der Motor- oder Kabelisolierung. 4.2.2 Hoher Leistungsfaktor und geringe Stromoberschwingungen, wodurch Leistungsfaktorkompensation und Oberschwingungsunterdrückungsgeräte überflüssig werden. 4.2.3 Modulares Design der Schaltkreise, einfache Wartung und gute Austauschbarkeit. 4.2.4 Gestaffelte Sinus-PWM-Ausgangswellenform. 4.2.5 Glasfaserverbindung zwischen Hochspannungs-Hauptstromkreis und Steuerung, gewährleistet starke und schwache Stromtrennung und Sicherheit. 4.2.6 Umfassende Fehlererkennung, präziser Fehlerschutz sowie genaue Positionsanzeige und Alarmierung. 4.2.7 Integrierte SPS, einfache Anpassung der Steuerlogik, flexible Auswahl zwischen Vor-Ort- und Fernsteuerung zur Anpassung an wechselnde Anforderungen vor Ort. 4.2.8 Nutzt Trägerphasenverschiebungssteuerung, um Oberschwingungen der Ausgangsspannung deutlich zu unterdrücken und eine perfekte Sinus-Ausgangswellenform zu gewährleisten. 4.2.9 Die Steuerstromversorgung ist unabhängig von der Hochspannungsversorgung; der Wechselrichterausgang kann auch ohne Hochspannung erfasst werden, was die Fehlersuche vor Ort, die Bedienerschulung und die Wartung erleichtert. 4.2.10 Es wird eine quasi-optimierte SPWM-Modulationstechnologie zur Hochspannungsnutzung eingesetzt. 4.2.11 Die Leistungseinheit wird einem 24-stündigen Hochtemperatur-Alterungstest und einem 150%-Lasttest unterzogen, um eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten. 4.2.12 Sie verfügt über eine chinesische Windows-Benutzeroberfläche und einen Farb-LCD-Touchscreen. Die benutzerfreundliche und umfassende Überwachungssystemschnittstelle umfasst einen Host-Computer (handelsüblicher PC), einen Slave-Computer (Industrie-Steuerungscomputer) und einen Mikrocontroller. Der Mikrocontroller bietet dem Benutzer eine 4-stellige LED-Digitalanzeige und ein 12-Tasten-Tastenfeld, die die vollständige Bedienung des Wechselrichters ermöglichen, einschließlich Parametereinstellungen und verschiedener Betriebsbefehle. Der industrielle Steuerungsrechner bietet eine umfassendere Bedienplattform mit Touchscreen und Universaltastatur. Diese umfasst Parameter- und Funktionseinstellungen, Bedienung, Druck von Betriebsdaten, Fehlerabfragen usw. Der Host-Rechner (handelsüblicher PC) befindet sich im zentralen Kontrollraum und kann mehrere Wechselrichter fernsteuern und messen. Bei nur einem Wechselrichter kann der Host-Rechner entfallen oder kundenspezifisch angepasst werden. 4.2.13 Er kann mehrere industrielle Standardsignale empfangen und ausgeben. 4.2.14 Er kann Betriebsberichte drucken. 4.3 Einführung in das Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem: Das Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem Fengguang JD-BP38 arbeitet mit direkter Hoch-Hoch-Umwandlung und gehört zum Spannungsquellentyp. Es verwendet eine mehrstufige Reihenschaltung von Leistungseinheiten mit modernsten Siemens IGBTs als Hauptsteuereinheit. Es zeichnet sich durch volldigitale Steuerung und einen Farb-LCD-Touchscreen aus und ist ein hochwertiger Frequenzumrichter, der für hohe Zuverlässigkeit, einfache Bedienung und hohe Leistung entwickelt wurde. 4.3.1 Der Systemaufbau des Hochspannungs-Frequenzumrichtersystems JD-BP38 ist in Abbildung 1 dargestellt. Er besteht aus einem Phasenschiebertransformator, Leistungseinheiten und einer Steuerung. Der Fengguang 10-kV-Hochspannungs-Frequenzumrichter verfügt über 30 Sekundärwicklungen im Transformator, aufgeteilt in 10 Leistungseinheiten pro Phase, insgesamt also 30 Einheiten über drei Phasen. Er nutzt eine 36-Puls-Gleichrichtung, und der Oberwellengehalt am Eingang liegt weit unter dem nationalen Standard. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1. Strukturdiagramm des Hochspannungs-Frequenzumrichtersystems[/ALIGN] 4.3.2 Schaltung der Leistungseinheiten Die Leistungseinheiten sind strukturell identisch und austauschbar. Ihr Schaltungsaufbau ist in Abbildung 2 dargestellt. Es handelt sich um eine einfache AC-DC-AC-Einphasen-Wechselrichterschaltung. Auf der Gleichrichterseite werden sechs Dioden zur dreiphasigen Vollweggleichrichtung verwendet, und die IGBT-Wechselrichterbrücke wird mittels sinusförmiger Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert. Jede Leistungseinheit ist identisch und austauschbar, was nicht nur die Fehlersuche und Wartung vereinfacht, sondern auch die Ersatzteilversorgung sehr wirtschaftlich macht. Fällt eine Einheit aus, wird deren Ausgang automatisch über den Thyristor umgeleitet, und die gesamte Maschine wird vorübergehend gedrosselt, bis sie langsam zum Stillstand kommt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 2. Hauptschaltplan der Einheitenschaltung[/ALIGN] 4.3.3 Eingangsseitige Struktur Die Eingangsseite wird von einem Phasenschiebertransformator an jede Einheit gespeist. Jede Leistungseinheit führt den Motorstrom, 1/10 der Phasenspannung und 1/30 der Ausgangsleistung. Jede der 30 Einheiten verfügt über eine eigene, unabhängige dreiphasige Eingangswicklung am Transformator. Die Leistungseinheiten und die Sekundärwicklungen des Transformators sind voneinander isoliert. Die Sekundärwicklungen sind in erweiterter Dreieckschaltung ausgeführt, um Multiplexing zu ermöglichen und die Oberwellenanteile des Eingangsstroms zu reduzieren. Die Sekundärwicklung des Phasenschiebertransformators dieser Maschine ist in drei Gruppen unterteilt, wodurch eine 36-Puls-Gleichrichtung realisiert wird. Dieses mehrstufige Phasenverschiebungs-Superpositionsgleichrichtungsverfahren verbessert die Stromwellenform netzseitig erheblich, wodurch der Leistungsfaktor unter Last nahe 1 liegt und die Oberschwingungsanteile des Eingangsstroms gering sind. Der gemessene Gesamtoberschwingungsanteil des Eingangsstroms beträgt weniger als 5 %. 4.3.4 Ausgangsseitige Struktur Die Ausgangsseite wird über eine Sternschaltung versorgt, die durch Reihenschaltung der U- und V-Ausgangsklemmen jeder Einheit gebildet wird. Durch Rekombination der PWM-Wellenformen der einzelnen Einheiten ergibt sich eine gestufte PWM-Wellenform (siehe Abbildung 3). Diese Wellenform weist gute Sinuseigenschaften und eine geringe Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dv/dt) auf, wodurch Isolationsschäden an Kabeln und Motoren reduziert werden. Sie macht Ausgangsfilter überflüssig, ermöglicht lange Ausgangskabel und vermeidet die Notwendigkeit einer Motorleistungsreduzierung. Dadurch eignet sie sich für die Nachrüstung älterer Anlagen. Gleichzeitig werden die Oberschwingungsverluste des Motors deutlich reduziert, mechanische Vibrationen eliminiert und die mechanische Belastung von Lagern und Schaufeln verringert. [ALIGN=CENTER] Abbildung 3: Stufenförmige PWM-Wellenform der Ausgangsphasenspannung des Wechselrichters [/ALIGN] 4.3.5 Steuerung Der Kern der Steuerung wird durch die gemeinsame Berechnung eines schnellen 32-Bit-DSP-Chips und eines Industrie-PCs realisiert. Der sorgfältig entwickelte Algorithmus gewährleistet eine optimale Motorleistung. Der Industrie-PC bietet eine benutzerfreundliche, vollständig chinesische Windows-basierte Überwachungs- und Bedienoberfläche, die Fernüberwachung und vernetzte Steuerung ermöglicht. Die Steuerung übernimmt die logische Verarbeitung der Schaltsignale im Schaltschrank und koordiniert verschiedene Betriebs- und Statussignale vor Ort, wodurch die Systemflexibilität erhöht wird. 5. Frequenzumrichter-Regelung Der Frequenzumrichter steuert den Entstaubungslüfter Nr. 6 des Hochofens in einer 1:1-Steuerungskonfiguration. Der Bypass-Schaltschrank dient der Umschaltung zwischen Industrie- und variabler Frequenz. K1, K2 und K3 sind drei Hochspannungstrennschalter. K2 und K3 können nicht gleichzeitig geschlossen werden; sie sind mechanisch verriegelt. Wenn K1 und K2 geschlossen sind, ist K3 geöffnet, und der Lüfter läuft mit variabler Frequenz. Wenn K3 geschlossen ist, sind K1 und K2 geöffnet, und der Lüfter läuft mit Netzfrequenz. Das Schaltbild der Steuerung ist in Abbildung 4 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 4 Schaltbild der Steuerung[/ALIGN] K0 Originale Hochspannungsschalter K1, K2 und K3 Hochspannungstrennschalter BPQ JD-BP38-800F Hochspannungs-Frequenzumrichter M Hochspannungsmotor 6. Betrieb des Frequenzumrichters Im Oktober 2004 unterzeichneten das Eisenwerk der Tonghua Iron and Steel Group Co., Ltd. und unser Unternehmen einen Vertrag über einen Hochspannungs-Frequenzumrichter des Modells JD-BP38-800F. Am 16. Dezember 2004 begann die Installation des Hochspannungs-Frequenzumrichters; am 20. Dezember 2004 wurde die Inbetriebnahme abgeschlossen; und am 25. Dezember 2004 wurde er offiziell in Betrieb genommen. Der gesamte Installations- und Inbetriebnahmezyklus des Frequenzumrichters war sehr kurz, was eine reibungslose Inbetriebnahme des Hochofens Nr. 6 750 gewährleistete. Der Hochspannungs-Frequenzumrichter steuert den Entstaubungslüfter. Im Vergleich zum alten Entstaubungslüfter des Hochofens bietet er folgende Vorteile: (1) Stabiler, sicherer und zuverlässiger Betrieb. Seit der erfolgreichen Inbetriebnahme vor fast acht Monaten wurden die Temperaturerhöhung des Eingangstransformators, die Temperaturerhöhung der Antriebseinheit, die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom und weitere Parameter des Frequenzumrichters regelmäßig überprüft und liegen im Normbereich. Der Frequenzumrichter läuft sehr stabil und gewährleistet so eine sichere und zuverlässige Produktion im Hochofen Nr. 6. Die Anwender müssen den Frequenzumrichter lediglich regelmäßig reinigen, ohne die Anlage anhalten zu müssen. Dies sichert die kontinuierliche Produktion im Hochofen. (2) Motor und Antriebseinheit laufen reibungslos, und alle Messwerte erfüllen die Prozessanforderungen. Der Motor läuft stets ruhig, und die Temperaturerhöhung ist über den gesamten Betriebsbereich im Normbereich. Der Lüfter erzeugt beim Anlauf nur geringe Geräusche und einen sehr niedrigen Anlaufstrom. Es treten keine ungewöhnlichen Vibrationen oder Geräusche auf. Innerhalb des zulässigen Drehzahlbereichs beträgt die maximale Lagertemperaturerhöhung 65 °C, die tatsächliche Messung ergab 10 °C. (3) Die dreiphasige Ausgangswellenform des Frequenzumrichters ist optimal und entspricht nahezu der Normsinuswelle. Tests vor Ort bestätigten die Normwerte für die dreiphasige Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom des Frequenzumrichters. Dies zeigt, dass der Frequenzumrichter den Betrieb gängiger Motoren ohne besondere Anforderungen an den Motor vollständig steuern kann. (4) Die Arbeitsbedingungen wurden verbessert und die Arbeitsbelastung für die Mitarbeiter reduziert. Durch die Anpassung der Lüfterdrehzahl und des Luftvolumens an die Anforderungen des Hochofenprozesses zur Staubentfernung wird die Arbeitsbelastung deutlich verringert. (5) Der Wartungsaufwand und die Wartungskosten wurden gesenkt. Beim Betrieb des alten Hochofen-Entstaubungsgebläses kam es häufig zu Schäden am Gebläse und Motor, was einen hohen Wartungsaufwand und hohe Reparaturkosten verursachte. Durch die Einführung der Frequenzumrichtertechnologie zur Drehzahlregelung wurde der mechanische Verschleiß reduziert und der einwandfreie Betrieb des Gebläses sichergestellt. (6) Großer Drehzahlregelbereich und hohe Regelgenauigkeit. Die Luftmenge des Entstaubungsventilators muss häufig prozessbedingt angepasst werden. Früher traten bei der Einstellung mit Leitblechen oder hydraulischen Kupplungen nichtlineare Probleme zwischen dem Öffnungsgrad des Aktuators und der Durchflussrate auf, was zu Einstellfehlern führte. Der frequenzumrichtergesteuerte Ventilator ermöglicht eine stufenlose Drehzahlregelung im Bereich von 0 bis 50 Hz mit hoher Genauigkeit. Die Frequenzgenauigkeit liegt zwischen 0,1 und 0,01 Hz, was die automatisierte Steuerung des Entstaubungssystems erleichtert. (7) Der Frequenzumrichter verfügt über umfassende Schutzfunktionen. Im Vergleich zum alten System bietet er Schutz vor Überstrom, Kurzschluss, Überspannung, Unterspannung, Phasenausfall und Überhitzung und schützt den Motor dadurch präziser. (8) Die Energieeinsparung ist signifikant und reduziert den Stromverbrauch erheblich. Der Produktionszyklus dieser Anlage beträgt etwa eine Stunde, die Abstichzeit 20 Minuten und das Intervall etwa 40 Minuten. Der Nennstrom des in der Anlage verbauten Motors liegt bei 59,5 A. Erfahrungsgemäß beträgt der Betriebsstrom des Motors in anderen Produktionslinien etwa 55 A. Bei Betrieb des Hochofen-Abstichkreislaufs mit hoher Drehzahl (45 Hz) liegt der Strom bei etwa 45 A, bei Betrieb mit niedriger Drehzahl (20 Hz) bei etwa 15 A. (Das Gebläse läuft 40 % des Tages ohne Ausfallzeiten mit hoher Drehzahl.) P_variabel = 1,732 × 10 × (45 × 0,98 × 40 % + 15 × 0,98 × 60 %) = 458 kW P_industriell = 1,732 × 10 × 55 × 0,86 = 819 kW Energieeinsparungsrate = (P_industriell - P_variabel) / P_industriell = 44 % 7. Fazit Basierend auf dem Betrieb der letzten 8 Monate zeigt der von Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. hergestellte Hochspannungs-Hochleistungs-Frequenzumrichter JD-BP38-800F überlegene Leistung, hohe Zuverlässigkeit und signifikante Energieeinsparungen. Die Frequenzumrichteranlage erfüllt die Anforderungen der kontinuierlichen Hochofenproduktion. Der erfolgreiche Betrieb des Fengguang-Geräts JD-BP38-800F im Entstaubungsventilator des Hochofens Nr. 6750 der Tonggang-Gruppe beweist die korrekte Anwendung der Frequenzumrichtertechnologie in Hochofen-Entstaubungsventilatoren und ihre unübertroffene Leistungsfähigkeit. Referenzen: (1) Benutzerhandbuch von Shandong Xinfengguang Electronics, Shandong Xinfengguang Electronics Technology Development Co., Ltd. (2) Inbetriebnahmeprotokoll von Tonggang für das Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem JD-BP38-800F von Shandong Xinfengguang Electronics. (3) Abnahmebericht von Tonggang für das Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem JD-BP38-800F von Shandong Xinfengguang Electronics. Über den Autor: Zhao Shuguo (1978-), männlich, Absolvent der Dalian Naval Academy im Jahr 2002 und derzeit verantwortlich für Hochspannungs-Frequenzumrichter in der technischen Abteilung der Shandong Xinfengguang Electronics Technology Development Co., Ltd.