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(duì)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(gè)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(guó)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(lái)得到迅速的發(fā)展，眾所周知，發(fā)酵工業(yè)離不開(kāi)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(duì)發(fā)酵罐的攪拌速度需要不斷調(diào)整。而目前在國(guó)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(lái)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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)與合成黃原膠的代謝活動(dòng)。發(fā)酵工藝的持續(xù)時(shí)間與發(fā)酵液內(nèi)氧的傳遞能力、營(yíng)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(duì)黃原膠菌種提供生長(zhǎng)代謝活動(dòng)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(gè)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(dòng)形成渦流并提高其湍動(dòng)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(zhǎng)氧在發(fā)酵液中的停留時(shí)間，達(dá)到增加黃原膠產(chǎn)量的目的。
3.2攪拌器轉(zhuǎn)速對(duì)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(shí)造成的染菌和延長(zhǎng)氧在發(fā)酵液中的停留時(shí)間，但是還應(yīng)當(dāng)考慮到，如將罐壓從微正狀態(tài)提高時(shí)，既不利于黃原膠菌種代謝時(shí)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(shí)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(lái)提高供氧濃度，將會(huì)加快發(fā)酵液水分蒸發(fā)，隨之也會(huì)帶走更多的揮發(fā)性有機(jī)酸等其他的中間產(chǎn)物，對(duì)黃原膠菌種的代謝十分有利。同時(shí)，發(fā)酵液的黏度也會(huì)上升，還會(huì)影響液體的湍動(dòng)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(shí)，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(guò)多的泡沫就要耗用大量的消沫劑。但是，消沫劑用量過(guò)多時(shí)，不但不能消除泡沫，反而引起泡沫調(diào)節(jié)失控，PH值波動(dòng)，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(shí)間有限，對(duì)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(jiàn)，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(zhǎng)代謝階段對(duì)溶氧的需求，同時(shí)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(zhǎng)代謝階段，對(duì)攝氧量的不同要求及攪拌器轉(zhuǎn)速對(duì)溶氧濃度占據(jù)的主導(dǎo)地位，對(duì)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(guò)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(zhǎng)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(duì)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(guò)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(duì)其進(jìn)行改造，改造達(dá)到了預(yù)期的目的。
4現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)方式為直接啟動(dòng)，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(wú)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(guó)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(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機(jī)。具體來(lái)說(shuō)，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(dòng)功能。能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動(dòng)。
　　（3）完整的工頻/變頻自動(dòng)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(shí)能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行，旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式，手動(dòng)旁路需人工操作，適應(yīng)于無(wú)備用裝置或不重要的運(yùn)行工況，自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現(xiàn)變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài)，還可實(shí)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(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程不會(huì)對(duì)用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。
　　（4）旋轉(zhuǎn)中再啟動(dòng)功能。運(yùn)行過(guò)程中高壓瞬時(shí)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(dòng)運(yùn)行到掉電前的頻率。
　?。?）線電壓自動(dòng)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(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)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。
　?。?）單元直流電壓檢測(cè)：實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)系統(tǒng)的直流電壓，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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。
　　（8） 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會(huì)導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問(wèn)題時(shí)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。
　?。?0） 限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過(guò)設(shè)定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負(fù)載突然變化而引起的過(guò)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?cè)斐蓡卧蚴钦麢C(jī)過(guò)電流保護(hù)時(shí)，可自動(dòng)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(guò)程中或變頻器出現(xiàn)故障，而不能排除故障時(shí)，將電機(jī)自動(dòng)投入到工頻運(yùn)行，確保生產(chǎn)不受影響。
　　變頻運(yùn)行時(shí)，變頻器為電機(jī)提供全面的保護(hù)。自動(dòng)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(gè)隔離刀閘，以便在變頻器退出后而電機(jī)運(yùn)行于旁路時(shí)，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(gè)真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和兩個(gè)刀閘隔離開(kāi)關(guān)K1、K2。KM2與KM3實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，當(dāng)KM1、KM2閉合，KM3斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)KM1、KM2斷開(kāi)，KM3閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行。另外，KM1閉合時(shí)，K1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時(shí)，K2操作手柄被鎖死，不能操作。
　　電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，若需對(duì)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(kāi)。
　　合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號(hào)串聯(lián)于KM1、KM2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時(shí)，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(kāi)，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(hào)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(dòng)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(kāi)關(guān)、真空接觸器KM1和KM2，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開(kāi)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(duì)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(guò)變頻器的人機(jī)界面控制電機(jī)的啟動(dòng)和停機(jī)，并能完成變頻器的所有控制。
　　遠(yuǎn)程控制：通過(guò)內(nèi)置PLC接受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量控制。
　　上位控制：通過(guò)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(shí)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(shí)，速度設(shè)置方式即為被控量的給定方式：
　　本地設(shè)置：通過(guò)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(hào)設(shè)置運(yùn)行頻率或被控量給定值。
　　通訊設(shè)置：通過(guò)通訊方式接收來(lái)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(guò)開(kāi)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(dòng)設(shè)置運(yùn)行頻率。
7.3運(yùn)行方式
　　風(fēng)光變頻器有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種運(yùn)行方式。
　　開(kāi)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(duì)一個(gè)運(yùn)行參數(shù)（如流量、壓力、溫度等，簡(jiǎn)稱被控量，此處以壓力為例）實(shí)現(xiàn)跟蹤控制。閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，實(shí)際壓力信號(hào)來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，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(duì)外接口
　　模擬量輸入：2路，4～20mA 或0～5VDC 。4～20mA時(shí)輸入阻抗250Ω，0～5VDC電壓輸入時(shí)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(hào)。
　　模擬量輸出：2路，4～20mA 或0～5VDC輸出。4～20mA輸出時(shí)最大阻抗500Ω，0～5VDC電壓輸出時(shí)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(hào)，速度給定開(kāi)關(guān)信號(hào)及各開(kāi)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(kāi)斷等。
　　通訊接口：RS485，PROFIBUS通訊規(guī)約，實(shí)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(jì)10臺(tái)，對(duì)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(píng)價(jià)，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(shí)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。
　　（2）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。
　?。?）減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。
　　由于變頻器采用軟起動(dòng)、軟停止工作方式，因此避免了電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)、電氣設(shè)備及機(jī)械設(shè)備的沖擊，有效地延長(zhǎng)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(xiàng)保護(hù)功能，十分完善。
　　與工頻系統(tǒng)相比較，變頻器具有過(guò)流、短路、過(guò)壓、欠壓、缺相、溫升保護(hù)等多項(xiàng)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(shí)，攪拌額定速度為120r/min。在每個(gè)發(fā)酵工作周期，為多級(jí)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(guò)程共分十個(gè)時(shí)間段（單位：小時(shí)）和十個(gè)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(shí)際運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)選擇應(yīng)該運(yùn)行的時(shí)間段，然后將運(yùn)行頻率調(diào)整至該時(shí)間段對(duì)應(yīng)的頻率，時(shí)間段與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1示：

　　如果某時(shí)間段內(nèi)頻率設(shè)定為0，則該時(shí)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(shí)間段內(nèi)處于待機(jī)狀態(tài)，而在（t1-t2）時(shí)間段內(nèi)自動(dòng)以f2（f2大于0）頻率運(yùn)行。將f8設(shè)為0，（t6-t7）時(shí)間段內(nèi)以f7（f7大于0）頻率運(yùn)行，（t7-t8）時(shí)間段內(nèi)待機(jī)，（t8-t9）時(shí)間段內(nèi)以f9（f9大于0）頻率運(yùn)行。
　　如果用不了那么多時(shí)間段和頻率段，則只需將多余的頻率段與用到的最后一個(gè)頻率段設(shè)置成一樣即可，假如只用到七個(gè)頻率段，則將f8、f9、f10與f7設(shè)置成一樣即可。
　　經(jīng)測(cè)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(yǔ)
　　從黃原膠發(fā)酵罐變頻改造效果來(lái)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(shí)又得到極大的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的推廣意義。