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1引言
　　黃原膠又名漢生膠，是由野油菜黃單胞桿菌以碳水化合物為主要原料（如玉米淀粉）,，經(jīng)發(fā)酵工程生產(chǎn)的一種作用廣泛的微生物胞外多糖,。它具有獨(dú)特的流變性，良好的水溶性,，對熱及酸堿的穩(wěn)定性,，與多種鹽類有很好的相容性，作為增調(diào)劑,、懸浮劑,、乳化劑、穩(wěn)定劑,，可廣泛應(yīng)用于食品,、石油、醫(yī)藥等20多個行業(yè),，是目前世界上生產(chǎn)規(guī)模較大且用途極為廣泛的微生物多糖,。
2國內(nèi)黃原膠的前期生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀
　　發(fā)酵行業(yè)是現(xiàn)代生物工程重要組成部分，特別是黃原膠等新型發(fā)酵行業(yè)，近幾年來得到迅速的發(fā)展,，眾所周知,，發(fā)酵工業(yè)離不開發(fā)酵罐，隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn),，發(fā)酵的不同階段,，對發(fā)酵罐的攪拌速度需要不斷調(diào)整。而目前在國內(nèi)黃原膠的生產(chǎn)中,，大多數(shù)廠家的前期生產(chǎn)工藝,，發(fā)酵罐采用傳統(tǒng)的恒定轉(zhuǎn)速攪拌器來攪拌發(fā)酵液。這種攪拌器的轉(zhuǎn)速是根據(jù)菌種特性與參照菌種在不同生長代謝階段的攝氧要求的最高轉(zhuǎn)速設(shè)定的,，這種定速攪拌方式限制了發(fā)酵工藝流程的改進(jìn),，同時也浪費(fèi)了大量能源。
3發(fā)酵罐攪拌器的轉(zhuǎn)速與黃原膠菌種生長代謝的關(guān)系
3.1攪拌器
　　黃原膠生產(chǎn)發(fā)酵工藝是黃原膠菌種在適合的培養(yǎng)基,、PH值,、溫度、通氣和攪拌等條件下進(jìn)行生長與合成黃原膠的代謝活動,。發(fā)酵工藝的持續(xù)時間與發(fā)酵液內(nèi)氧的傳遞能力,、營養(yǎng)物質(zhì)的消耗程度、有毒性和有抑制性化合物的形成及菌種的物質(zhì)特性有關(guān),。其中通氣和攪拌功能是對黃原膠菌種提供生長代謝活動的氧源,，而攪拌器的功能則是在發(fā)酵液通氣的條件下，將空氣打碎成小氣泡,，使其均勻分布在發(fā)酵液的各個角落,，增加氣液接觸的有效面積，使發(fā)酵液隨攪拌葉轉(zhuǎn)動形成渦流并提高其湍動程度,，減少菌絲因缺氧而產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,，使氧的傳遞面積增大，延長氧在發(fā)酵液中的停留時間,，達(dá)到增加黃原膠產(chǎn)量的目的,。
3.2攪拌器轉(zhuǎn)速對黃原膠發(fā)酵工藝的影響
　　發(fā)酵罐的罐壓維持微正狀態(tài)，雖然可以避免負(fù)壓時造成的染菌和延長氧在發(fā)酵液中的停留時間,，但是還應(yīng)當(dāng)考慮到,，如將罐壓從微正狀態(tài)提高時，既不利于黃原膠菌種代謝時廢氣的排除與氧在發(fā)酵液內(nèi)的傳遞,，又增加了設(shè)備的負(fù)載,，同時提高了有害氣體的溶解度。在這種情況下,，如果單一考慮增大空氣流量來提高供氧濃度,，將會加快發(fā)酵液水分蒸發(fā),，隨之也會帶走更多的揮發(fā)性有機(jī)酸等其他的中間產(chǎn)物，對黃原膠菌種的代謝十分有利,。同時,，發(fā)酵液的黏度也會上升，還會影響液體的湍動程度和氧從氣相傳遞到發(fā)酵液中的液膜阻力,，使氧的傳遞阻力增大,。此外，發(fā)酵液粘度較大時,，泡沫將劇增而穩(wěn)定,，且不易破裂，使氣液接觸的總面積降低,。因此,，為了消除過多的泡沫就要耗用大量的消沫劑。但是,，消沫劑用量過多時,，不但不能消除泡沫,，反而引起泡沫調(diào)節(jié)失控,，PH值波動，最終導(dǎo)致異常發(fā)酵,，造成不可挽回的黃原膠生產(chǎn)損失,。由于空氣在發(fā)酵液中滯留的時間有限，對溶氧濃度的影響也將遠(yuǎn)小于攪拌器轉(zhuǎn)速的影響,。由此可見,，在黃原膠發(fā)酵工藝中，并不提倡一味地增大空氣流量,，而應(yīng)適當(dāng)調(diào)整攪拌器的轉(zhuǎn)速,，以滿足不同黃原膠菌種及其在不同生長代謝階段對溶氧的需求，同時可以改進(jìn)黃原膠發(fā)酵工藝,，達(dá)到節(jié)約能源的目的,。
　　根據(jù)黃原膠的菌種在不同生長代謝階段，對攝氧量的不同要求及攪拌器轉(zhuǎn)速對溶氧濃度占據(jù)的主導(dǎo)地位,，對黃原膠發(fā)酵罐的傳統(tǒng)攪拌器進(jìn)行調(diào)速技術(shù)改造非常必要,，而變頻調(diào)速是眾多調(diào)速方案中的較佳選擇。通過發(fā)酵罐變頻改造工程,，使黃原膠發(fā)酵工藝中攪拌器轉(zhuǎn)速,、通氣量、溶氧濃度和罐壓等工藝參數(shù)有機(jī)結(jié)合,，促使黃原膠菌種的生長代謝條件達(dá)到較佳狀態(tài),。
　　在黃原膠的生產(chǎn)成本中,，電和蒸氣成本約占總成本的40%，為了降低發(fā)酵電耗成本,，改善工藝流程,，山東某生物發(fā)酵公司領(lǐng)導(dǎo)決定對黃原膠發(fā)酵罐攪拌機(jī)，進(jìn)行變頻調(diào)速改造,，基于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司在發(fā)酵行業(yè)的良好表現(xiàn),，該公司通過招標(biāo)方式選擇了我公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38型高壓變頻器對其進(jìn)行改造，改造達(dá)到了預(yù)期的目的,。
4現(xiàn)場負(fù)載工況
　　負(fù)載名稱：黃原膠發(fā)酵罐攪拌機(jī)
　　電機(jī)參數(shù)
　　額定功率  450kW
　　額定電流  29A
　　額定電壓  10kV
　　額定頻率  50Hz
　　功率因數(shù)  0.89
　　電機(jī)啟動方式為直接啟動,，電機(jī)運(yùn)行電流一般為24～33A，一次發(fā)酵周期為69～72h,。
5風(fēng)光公司高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)
　　風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心,，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù),，屬高-高電壓源型變頻器,，其諧波指標(biāo)小于IEE519-1992的諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高,，輸出波形質(zhì)量好,，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器,；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動,、噪音、輸出dv/dt,、共模電壓等問題,，可以使用普通的異步電機(jī)。具體來說,，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外,，還具有以下突出特點(diǎn)：
　　（1）采用高速DSP作為中央處理器,，運(yùn)算速度更快,，控制更精準(zhǔn)。
　?。?）飛車啟動功能,。能夠識別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。
　?。?）完整的工頻/變頻自動互切技術(shù)?，F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行,，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式,，手動旁路需人工操作,，適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運(yùn)行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行,。新風(fēng)光公司提供的自動旁路切換柜,，不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài)，還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能,，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響,。
　　（4）旋轉(zhuǎn)中再啟動功能,。運(yùn)行過程中高壓瞬時掉電3s內(nèi)恢復(fù),，高壓變頻器不停機(jī)，高壓恢復(fù)后變頻自動運(yùn)行到掉電前的頻率,。
　?。?）線電壓自動均衡技術(shù)（星點(diǎn)漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后,，為了使線電壓平衡,，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角,，在相電壓輸出較大且不相等的前提下保證較大的線電壓均衡輸出,。
　　（6）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓,，從而實現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制,，降低諧波含量,，保證輸出電壓的精度,，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運(yùn)行維護(hù)人員實現(xiàn)對功率單元運(yùn)行狀況的全面把握,。
　?。?）單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍,。
　?。?） 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu),，IGBT承受的電壓較低,，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設(shè)備可靠性更高,。
　?。?） 具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路,，此時如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能,，將會導(dǎo)致重大事故,。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害,，避免事故的發(fā)生,。
　　（10） 限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)定值,，變頻器將自動限制電流輸出,，避免變頻器在加減速過程中或因負(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù)，最大限度減少停機(jī)次數(shù),。
　?。?1） 故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變造成單元或是整機(jī)過電流保護(hù)時，可自動復(fù)位,，繼續(xù)運(yùn)行,。
6改造系統(tǒng)原理圖
　　改造系統(tǒng)由一次回路進(jìn)線柜（旁路柜）、變壓器柜,、變頻單元柜和操作控制柜組成,。旁路柜在變頻器維護(hù)過程中或變頻器出現(xiàn)故障，而不能排除故障時,，將電機(jī)自動投入到工頻運(yùn)行,，確保生產(chǎn)不受影響。
　　變頻運(yùn)行時,，變頻器為電機(jī)提供全面的保護(hù),。自動旁路柜接線如圖1所示：

　　圖1旁路柜在變頻器進(jìn)、出線端增加了兩個隔離刀閘,，以便在變頻器退出后而電機(jī)運(yùn)行于旁路時,，能安全地進(jìn)行變頻器的故障處理或維護(hù)工作。
　　旁路柜主要配置：三個真空接觸器（KM1,、KM2,、KM3）和兩個刀閘隔離開關(guān)K1、K2,。KM2與KM3實現(xiàn)電氣互鎖,，當(dāng)KM1、KM2閉合,，KM3斷開時,，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)KM1,、KM2斷開,，KM3閉合時，電機(jī)工頻運(yùn)行,。另外,，KM1閉合時,，K1操作手柄被鎖死，不能操作,；KM2閉合時,，K2操作手柄被鎖死，不能操作,。
　　電機(jī)工頻運(yùn)行時,，若需對變頻器進(jìn)行故障處理或維護(hù)，切記在KM1,、KM2分閘狀態(tài)下,，將隔離刀閘K1和K2斷開。
　　合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯(lián)于KM1,、KM2合閘回路,。在變頻器故障或不就緒時，真空接觸器KM1,、KM2合閘不允許,；在KM1、KM2合閘狀態(tài)下,，若變頻器出現(xiàn)故障,，則“合閘允許”斷開，KM1,、KM2跳閘,，分?jǐn)嘧冾l器輸入電源。
　　旁路投入：將變頻器“旁路投入”信號并聯(lián)于KM3合閘回路,。變頻運(yùn)行狀態(tài)下,，若變頻器出現(xiàn)故障且自動投入允許，或者需要將電機(jī)從變頻投入到工頻狀態(tài)運(yùn)行（按下“工頻投切”按鈕）,，系統(tǒng)將首先分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入,、輸出開關(guān),、真空接觸器KM1和KM2,，經(jīng)過一定延時后，“旁路投入”閉合,，即工頻旁路開關(guān)KM3合閘,，電機(jī)投入電網(wǎng)工頻運(yùn)行。
　　保護(hù)：保持原有對電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變,。
7風(fēng)光高壓變頻器控制系統(tǒng)
7.1控制方式
　　風(fēng)光變頻器有三種控制方式：
　　本地控制：通過變頻器的人機(jī)界面控制電機(jī)的啟動和停機(jī),，并能完成變頻器的所有控制。
　　遠(yuǎn)程控制：通過內(nèi)置PLC接受來自現(xiàn)場的開關(guān)量控制,。
　　上位控制：通過RS485接口,，采用PROFIBUS通訊協(xié)議,，接收上位DCS系統(tǒng)的控制；或與DCS硬連接,。
　　7.2速度設(shè)置方式（或閉環(huán)運(yùn)行時的給定方式）
　　風(fēng)光變頻器有多種速度設(shè)置方式,，在閉環(huán)運(yùn)行時，速度設(shè)置方式即為被控量的給定方式：
　　本地設(shè)置：通過薄膜式液晶屏設(shè)置運(yùn)行頻率,。
　　模擬設(shè)置：接收DCS系統(tǒng)0～10V或4～20mA模擬信號設(shè)置運(yùn)行頻率或被控量給定值,。
　　通訊設(shè)置：通過通訊方式接收來自DCS系統(tǒng)的運(yùn)行頻率或被控量給定值。
　　多檔設(shè)置：通過開關(guān)量設(shè)置多檔運(yùn)行速度或被控量給定值,。
　　閉環(huán)調(diào)節(jié)：由PID自動設(shè)置運(yùn)行頻率,。
7.3運(yùn)行方式
　　風(fēng)光變頻器有開環(huán)和閉環(huán)兩種運(yùn)行方式。
　　開環(huán)運(yùn)行：變頻器以設(shè)置頻率輸出,。頻率（或稱速度）的設(shè)置方式有本地設(shè)置,、模擬設(shè)置、通訊設(shè)置和多檔設(shè)置,。
　　閉環(huán)運(yùn)行：對一個運(yùn)行參數(shù)（如流量,、壓力、溫度等,，簡稱被控量,，此處以壓力為例）實現(xiàn)跟蹤控制。閉環(huán)運(yùn)行時,，實際壓力信號來自于現(xiàn)場信號,，而壓力期望值有3種設(shè)置方式，分別為本地設(shè)置,、模擬設(shè)置,、通訊設(shè)置。
7.4對外接口
　　模擬量輸入：2路,，4～20mA 或0～5VDC ,。4～20mA時輸入阻抗250Ω，0～5VDC電壓輸入時輸入阻抗≥10MΩ,。用于接收速度設(shè)置或被控量設(shè)置的模擬信號,。
　　模擬量輸出：2路，4～20mA 或0～5VDC輸出,。4～20mA輸出時最大阻抗500Ω,，0～5VDC電壓輸出時最小阻抗5000Ω。以模擬方式輸出變頻器的運(yùn)行速度,、變頻器的輸出電流等變量,。
　　數(shù)字量輸入：32路，光電隔離，隔離電壓500VAC,。接收遠(yuǎn)程控制信號,，速度給定開關(guān)信號及各開關(guān)狀態(tài)等。
　　數(shù)字量輸出：16路,，中間繼電器隔離,，隔離電壓750VAC，接點(diǎn)容量5A,。輸出變頻器狀態(tài),，控制主電源開斷等。
　　通訊接口：RS485,，PROFIBUS通訊規(guī)約,，實現(xiàn)與上位系統(tǒng)的通訊。
7.5全中文Windows人機(jī)界面
　?。?）主界面

　　圖2  主界面

　?。?）參數(shù)設(shè)置界面

　　圖3  參數(shù)設(shè)置界面

8攪拌機(jī)變頻改造使用效果
　　該公司攪拌機(jī)變頻技改工程選用新風(fēng)光630kW/10kV高壓變頻器，共計10臺,，對攪拌罐進(jìn)行改造,，工程于2007年下半年完成。至今運(yùn)行正常,，風(fēng)光高壓變頻器贏得了用戶的高度評價,，改造達(dá)到了預(yù)期的效果。
　　變頻器投運(yùn)后,，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
　?。?）由于發(fā)酵罐的攪拌器轉(zhuǎn)速得以有效地控制與調(diào)整，實現(xiàn)了較佳工況運(yùn)行,，與工頻發(fā)酵罐相比較,，使黃原膠產(chǎn)出的發(fā)酵單位提高了6%左右。
　?。?）在發(fā)酵工藝周期內(nèi),，適當(dāng)?shù)亟档土藬嚢杵鬓D(zhuǎn)速，有效地遏制了發(fā)酵液泡沫劇烈地生成,，減少了染菌事故率,。
　　（3）減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用,，延長了設(shè)備的使用壽命,。
　　由于變頻器采用軟起動、軟停止工作方式,，因此避免了電動機(jī)全壓啟動時，對電網(wǎng),、電氣設(shè)備及機(jī)械設(shè)備的沖擊,，有效地延長了設(shè)備的大修期和使用壽命,，大大降低了維護(hù)工作量和維護(hù)成本。
　?。?）變頻器具有多項保護(hù)功能,，十分完善。
　　與工頻系統(tǒng)相比較,，變頻器具有過流,、短路、過壓,、欠壓,、缺相、溫升保護(hù)等多項保護(hù)功能,，更精確地保護(hù)了電機(jī),。風(fēng)光高壓變頻器的星點(diǎn)漂移功能較大限度保證了設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行。
　?。?）節(jié)能效果顯著,。
　　黃原膠工作周期約為69～72小時，攪拌額定速度為120r/min,。在每個發(fā)酵工作周期,，為多級調(diào)速，運(yùn)行頻率一般設(shè)定為20 Hz,、30Hz,、35 Hz、40Hz,、45Hz左右,。具體發(fā)酵過程共分十個時間段（單位：小時）和十個頻率段（單位：Hz），設(shè)定界面如圖4所示,。

　　圖4  設(shè)定界面

　　變頻器運(yùn)行中根據(jù)實際運(yùn)行時間自動選擇應(yīng)該運(yùn)行的時間段,，然后將運(yùn)行頻率調(diào)整至該時間段對應(yīng)的頻率，時間段與頻率的對應(yīng)關(guān)系如表1示：

　　如果某時間段內(nèi)頻率設(shè)定為0,，則該時間段變頻器將處于待機(jī)狀態(tài),，不輸出高壓電。
　　例如,，將f1設(shè)定為0,，則變頻器在（0－t1）時間段內(nèi)處于待機(jī)狀態(tài)，而在（t1-t2）時間段內(nèi)自動以f2（f2大于0）頻率運(yùn)行,。將f8設(shè)為0,，（t6-t7）時間段內(nèi)以f7（f7大于0）頻率運(yùn)行，（t7-t8）時間段內(nèi)待機(jī)，（t8-t9）時間段內(nèi)以f9（f9大于0）頻率運(yùn)行,。
　　如果用不了那么多時間段和頻率段,，則只需將多余的頻率段與用到的最后一個頻率段設(shè)置成一樣即可，假如只用到七個頻率段,，則將f8,、f9、f10與f7設(shè)置成一樣即可,。
　　經(jīng)測試,，在同樣的工況下，攪拌機(jī)變頻運(yùn)行與工頻運(yùn)行相比,，用電量減少25%左右,，節(jié)電效果十分明顯。
9結(jié)束語
　　從黃原膠發(fā)酵罐變頻改造效果來看,，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38型高壓變頻器不僅滿足了發(fā)酵生產(chǎn)工藝的要求,，改善了發(fā)酵效果，節(jié)能效果顯著,，而且性能可靠,，運(yùn)行穩(wěn)定。在提高發(fā)酵質(zhì)量的同時又得到極大的經(jīng)濟(jì)效益,，具有廣闊的推廣意義,。