發布日期：2011-9-29 11:13:43

摘要：本文結合水泥行業的生產情況，介紹了北京利德華福電氣技術有限公司生產的高壓變頻器在阿塞拜疆的水泥項目風機的應用情況，目前該水泥廠項目已進入調試生產階段，整體狀況運行良好。

關鍵詞：水泥行業、高壓變頻、節能

                       
一、概述

    目前，水泥行業的競爭非常激烈，但關鍵還是制造成本的競爭，而電動機電耗占成本近30％，拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重。因此，做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。當前，很多水泥廠的風機“大馬拉小車”現象嚴重，如果利用變頻調速技術改變設備的運行速度，以調節風量的大小，既滿足生產要求，又達到節約電能的作用，同時減少因調節擋板而造成擋板和管道的磨損及經常停機檢修所造成的經濟損失。根據具體情況，風機進行變頻改造后，節電率在30-50%，通常一年半到兩年便可收回投資。

二、調速方式的選擇

    變頻調速技術是20世紀年代末興起的一種新型電力傳動調速技術，主要用于交流電機的變頻調速，它以轉矩大、精度高、功能強、可靠性高，操作方便，便于通訊等功能優于以往的傳統調速方式（如變極調速、調壓調速、液力耦合器調速、轉子水阻調速等等）。變頻調速運行，是根據負載轉速的變化要求，改變供電電流的頻率，并配合電壓的調節，以獲得合理的點擊運行工況。在不同的轉速情況下，均保持較高的運行效率。變頻控制技術的應用，不僅降低了電能消耗，同時能改善啟動性能，保護電動機及負載設備免受瞬時啟動沖擊，延長其工作壽命，還提高電動機及負載設備的工作精確度。

    高壓變頻器以其顯著的節能效益、較高的調速精度、較寬的調速范圍、完善的保護功能、方便的通訊功能，得到了廣大用戶的認可，現在已經成為企業電機節能方式的首選方案。隨著我國國產高壓變頻調速技術的成熟，新項目大功率風機類設備全部采用高壓變頻器的同時，對原有生產線的大功率風機類設備，也全部實施了高壓變頻器改造，取得了良好的經濟效益和社會效益。

高壓變頻調速—由于應用了先進的電力電子技術、計算機控制技術、現代通信技術和高壓電氣、電機拖動等綜合性領域的學科技術，因此具有其他調速方式無法比擬的優點：

    （1）變頻器采用液晶顯示數字界面，調整觸摸式面板，可隨時顯示電壓、電流、頻率、電機轉速，可非常直觀地 顯示電機在任何時間的實時狀態。

    （2）精確的頻率分辨率和調速精度，完全可以滿足各種生產工藝工況的需要。

    （3）高壓變頻器具有國際通用的外部接口，能與可編程控制器（PLC）和工控機等各種儀表連接，以及與原設備控制回路相連接，構成部分閉環系統。如與原DCS系統實現數據交換和聯鎖控制。

    （4）具有電力電子保護和工業電氣保護功能，保證變頻器和電機在正常運行和故障時安全可靠。

    （5）電機可實現軟啟動、軟制動；啟動電流小，小于電機的額定電流；電機啟動的時間連續可調，減少了對電網的影響。

    （6）具有就地和異地操作功能，另可通過互聯網實現遠程監控功能。

    （7）減少配件損耗，延長設備使用壽命，提高勞動生產效率。

三、利德華福高壓變頻器原理及特點

    HARSVERT-A系列高壓變頻調速系統采用單元串聯多電平技術，屬“高-高”電壓源型變頻器，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構由多組功率模塊串聯而成，從而由各組低壓疊加而產生需要的高壓輸出，它對電網諧波污染小，總諧波畸變小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置；輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機， 10kV每個系統共有24個功率單元，每8個功率單元串連構成一相，其系統結構如圖1所示。
                     

                                   圖1：利德華福高壓變頻器系統結構

    逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt 很小。功率單元采用相對較低的開關頻率，以降低開關損耗，提高效率，變頻器額定效率可達98%，考慮輸入變壓器后的總體效率仍在97%以上。

    與普通采用高壓器件直接串聯的電流源型變頻器及三電平電壓源型變頻器相比，由于采用功率單元串聯，器件承受的最高電壓為單元內直流母線的電壓，器件不必串聯，不存在器件串聯引起的均壓問題。功率單元中采用常規IGBT功率模塊，驅動電路簡單，技術成熟可靠。功率單元采用模塊化結構，同一變頻器內的所有功率單元可以互換，維修也非常方便。由于采用功率單元串聯結構，所以可以采取功率單元旁路選件，當功率單元故障時，控制系統可以將故障單元自動旁路，變頻器仍可降額繼續運行，大大提高了系統的可靠性。

    由于采用了高性能DSP芯片和新型一體化計算機，在秉承公司HARSVERT-A系列產品完美無諧波、高可靠性、功率/電壓等級覆蓋范圍廣、控制接口靈活等優良品質的基礎上，HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調速產品能夠實現功能更為豐富、性能更強大的高壓大容量交流傳動控制。目前，HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制產品的性能指標為：調速范圍100:1，穩態轉速精度0.5%，動態轉矩響應時間小于200ms，啟動轉矩150%額定轉矩，達到國際先進水平。無需安裝復雜且不易維護的測速裝置，HARSVERT-A系列變頻器僅需對輸出三相電壓、兩相電流進行檢測，即可根據預先自動測定的電機模型，進行異步電動機的磁通和轉矩解耦控制，實現低速大轉矩負載啟動和運行。

四 、熟料生產中特殊工藝對變頻器的要求

    高溫風機由于“塌料”導致的過負荷是由于在旋窯水泥生產線生產過程中的預熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時就會坍塌脫落，造成管道內粉塵濃度增大，阻力增加，負壓升高，使排風機負荷增加。此外，如果垂直煙道或預熱器內在清潔皮或有物料塌料時，同樣也會造成氣流波動，使排風管內氣流紊亂，造成高溫風機過負荷停機，該現象的頻繁出現對高溫風機電動機造成損壞。在實際使用過程中的“塌料”現象，會不定期的導致電機運行電流在極短的時間內超出正常電流的數倍，如使用一般廠家的通用型高壓變頻器會導致變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風機與生產線的正常運行。

    利德華福公司生產的高壓變頻器采用矢量控制算法，變頻器對其輸出電流進行實時、快速的精確控制（傳統的VVVF控制中，不對輸出電流進行控制，輸出電流的測量僅用于顯示和保護）。在控制算法中對最大輸出電流進行限制，因而不會因負載的波動導致變頻器過流停機。

五、改造項目具體實施方案及過程

5.1 旁路柜的選擇

根據現場的實際情況，旁路柜采用了一拖一手動方案。此結構是手動旁路的典型方案,原理是由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（見左圖其中QF為原高壓開關柜內的斷路器）。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。

優點是:在檢修高壓變頻器時，有明顯斷電點，能夠保證人身安全，同時也可手動使負載投入工頻電網運行等。

5.2 工況簡介
　　回轉窯是有一定斜度的圓筒狀物，均化好的生料預熱后由窯尾進入到窯中，借助窯的轉動來物料在旋窯內攪拌，使物料互相混合、接觸進行反應，物料依靠窯簡體的斜度及窯的轉動在窯內向前運動，同時需要合適的氣壓及溫度，才能使煤粉有一定的懸浮時間進行充分的燃燒，生料才能在窯內得到很好的煅燒，形成高質量的熟料產品。窯內因物料的堆積變化很大，所以瞬時氣壓變化頻繁。窯尾高溫風機一方面用來調整窯內氣壓，另一方面將回轉窯內煅燒時產生的廢氣（含塵）引出，進入收塵器將灰塵進行處理后，再將廢氣排到大氣中。此項目為干法生產線，日產量分別為2000t，高溫風機電機配置為10kV、630kW。在高溫風機的電機與風機之間，配有高壓變頻器對風機進行調速，從而調整風機的風量，達到控制窯內負壓。
5.3 高溫風機變頻改造方案
　　經過對系統進行統計，在生產過程中，風機擋板開度在80％左右，節電空間較大，我們決定對原系統使用變頻改造，為了充分保證系統的可靠性，變頻器加裝了工頻旁路裝置。這樣，當變頻器發生故障時，可將電機切換至工頻狀態下運行。

5.4 改造過程
　　為了安裝變頻器，必須重新設計變頻器專用房。根據現場環境，我們選擇在高壓配電室旁另建一間變頻器專用房，此地距高壓室較近，動力電纜鋪設方便。
　　由于現場灰塵較大，而變頻器為強迫風冷，設備內空氣流通量較大，為避免變頻器受外界灰塵的影響，在房間通風上，設計了兩扇大面積專用進風窗，房間不另設其它窗口，基本上是密閉設計。通風窗采用專用過濾網，這樣使進入變頻器室內的空氣經過通風窗濾灰，進入變頻器室內的灰塵大大減少，最大限度地減少了進入變頻器室內的灰塵，過濾網定期除塵，保證變頻器長期安全運行。
　　現場高溫時間長，變頻器功率較大，為保證足夠的通風冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨立安裝了一個整體風罩，與各自的出風口連成整體，形成所謂的“風道”，保證變頻器整體冷卻通風要求，即使在夏季高溫季節也不需要開空調進行降溫。

5.5 調試方便
    利德華福高壓變頻器調試非常方便，在確認現場接線正確無誤后，用變頻器人機界面設定基本參數后，即可完成設置。人機界面采用全英文界面，方便使用。下圖為高壓變頻器在現場使用照片。
                

                                         圖2 高壓變頻器
                  

                                        圖3 中控室運行時監控界面

 

5.6 變頻改造后的優點

    （1）變頻改造后，實現電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。

    （2）系統效率得到提高，消除了風門擋板的損失，取得節能效果。

    （3）由于風機采用轉速調節后，工作特性改變，設備工況得到改善，延長設備使用壽命。

    （4）利德華福變頻器為電壓源型結構，功率因數可高達0.95。

    （5）廠房設備噪聲污染大大降低。

六、結論

    目前很多水泥廠的風機大馬拉小車現象嚴重。風機的風量調節方式基本通過擋板進行調節，耗能大，經濟效益差，設備損壞嚴重，急需采用先進的高壓變頻調速進行技術改造，以降低水泥廠的電耗，提高企業的經濟效益。實踐證明，水泥行業風機采用高壓變頻調速技術，是必要、可行的，且經濟效益顯著。

    HARSVERT系列高壓變頻器可靠性高，輸入、輸出波形質量好，采用矢量控制技術，適合于水泥廠風機的變頻改造，成功解決了水泥生產中的塌料引起的負載波動問題，大大提高設備運行的可靠性，節約大量能源，為水泥廠帶來較大的經濟效益和社會效益，具有很高的推廣價值。
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