高壓變頻技術在燒結配料除塵風機上的應用

1、經(jīng)驗交流*高壓變頻技術在燒結配料除塵風機上的應用吳尚坤（濟南鋼鐵集團股份有限公司第一燒結廠，山東濟南250101）器、功率單元、控制器組成，可實現(xiàn)風機的自動控制。應用表明，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速效率高，變頻器運行穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了電機的平滑啟動，節(jié)電34.3%，年創(chuàng)造經(jīng)濟效益27.44萬元。1改造前系統(tǒng)狀況濟南鋼鐵集團股份有限公司第一燒結廠配料除塵風機功率為6kV/200kW，原風機采用進、出口風門擋板來進行風門的調(diào)節(jié)以控制流量，在調(diào)節(jié)風門時，很多電能白白浪費，并對機械設備的性能有很大損害。風機運行時噪音較大，不利于環(huán)境保護。使用期間由于控制系統(tǒng)保護方面的問題，多次出現(xiàn)電機過熱現(xiàn)象，為使其不至于

2、燒壞電機，已經(jīng)在電機頭部加一風扇，但效果不是很好，該問題是存在以久的設備隱患。變頻調(diào)速技術是現(xiàn)代電氣傳動的主要發(fā)展方向之一，它不僅調(diào)速性能優(yōu)越，而且節(jié)能效果良好。目前，我國大型配套風機主要采用進、出口風門擋板、進口軸向?qū)Я髌?、進口靜葉調(diào)節(jié)器等方法進行風門的調(diào)節(jié)以控制流量，其缺點是節(jié)流損失大，增加風機的功率消耗，系統(tǒng)震動大、噪聲大、對環(huán)境造成惡劣的影響，同時調(diào)節(jié)閥門有時處于很高壓力下工作，容易磨損和損壞。由于定速風機啟動轉矩配置的電動機容量比風機的額定容量大很多，在低負荷區(qū)，電動機工作效率很低，能源浪費嚴重。所以對除塵風機進行變頻調(diào)速和增加保護功能，通過對高壓變頻調(diào)速技術的研究，擬定使用該調(diào)速系

3、統(tǒng)來進行調(diào)速控制，取代傳統(tǒng)的擋風板、節(jié)流閥來控制風量和流量，以求達到理想的實用效果。2高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及功能2.1系統(tǒng)原理整個系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元、控制器組成。變壓器為干式變壓器，H級絕緣，系統(tǒng)溫度可達185*C，絕緣材料為杜邦公司的NOMEX紙，真空浸：吳尚坤（1978-），男，吉林九臺人，2003年畢業(yè)于南方冶金學院自動化專業(yè)?，F(xiàn)為濟鋼燒結廠助理工程師，網(wǎng)絡管理員，從事電氣自動化設備研發(fā)與維護工作。漆，具有免維護的特點。變壓器柜底部配置6臺冷卻風機，并有超溫報警和極限溫度跳閘保護；在柜體上還設置了溫度顯示系統(tǒng)。變壓器頂部還配置了EBM后向離心式冷卻風機。輸入電源線用耐壓電源

4、線，采用有效的防雷措施，輸入側由移項變壓器給每個單元供電，根據(jù)電壓等級和模塊串聯(lián)級數(shù)，可構成多級移項疊加的整流方式，可以大大改善網(wǎng)側的電流波形，使負載下的網(wǎng)側功率因數(shù)接近1，無需任何功率因數(shù)補償、諧波抑制裝置。由于引進設備類似低壓變頻器，便于使用現(xiàn)有的成熟技術。輸出側連接成星型接法給電機供電，通過每個單元的PWM波形進行重組，可得到階梯正弦PWM波形，這種波形對電纜和電機的絕緣無損壞，無須考慮輸出濾波器，可以延長輸出電纜長度，電機的諧波損耗減少，消除負載機械軸承和葉片的振動。當某一個單元出現(xiàn)故障時，通過控制時輸出端子短路，可將此單元旁路推出系統(tǒng)，變頻器可降額繼續(xù)運行，由此可避免很多場合下停機造

5、成的損失。功率單元內(nèi)部完全采用進口優(yōu)質(zhì)器件，具有可靠性高，維護簡便的特點，功率單元同控制系統(tǒng)之間采用光纖連接，抗干擾能力強，強電弱電完全隔離，功率單元工作在低壓狀態(tài)，技術成熟可靠。功率柜配置德國EBM后向離心式冷卻風機，風機冗余配置，單臺風機故障不影響變頻器運行，空氣過濾網(wǎng)可在電機運行狀態(tài)下更換。每個功率單元結構上完全一致，采用IGBT功率半導體器件，IGBT是目前使用最廣泛的功率器件，具有開關速度快、損耗小、門極驅(qū)動電路簡單、不需要緩沖電路等特點。由于采用IGBT器件，使高壓變頻器結構簡單緊湊，而且可靠性高（見）。每個功率模塊機構及電氣性能上完全一致，可以互換，共18個功率模塊，每6個功率模

6、塊串聯(lián)構成一組。為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行PWM控制。功率模塊采用單元串聯(lián)多電平技術方案，每個功率模塊為成熟電路，可靠性高率電路模塊化設計，采用現(xiàn)有成熟技術，功率器件工作在低壓狀態(tài)，不存在動態(tài)均壓和靜態(tài)均壓問題，輸出不需要濾波器，減少系統(tǒng)環(huán)節(jié)，降低損耗。整個系統(tǒng)可實現(xiàn)在-15%+15%電網(wǎng)電壓波動范圍內(nèi)滿載輸出，可以承受35%的電網(wǎng)電壓下降而降額繼續(xù)運行，變頻器對電網(wǎng)波動的適應范圍可以根據(jù)用戶的要求定制?？刂齐娫磁鋫銾PS，斷電可維持20min以上，控制電源也可設計成電力操作電源（直流220V）供電，或者交直流兩路供電，自動切換。2.2實現(xiàn)

7、功能控制器由高速單片機、工控機和PLC控制系統(tǒng)共同構成。單片機實現(xiàn)PWM控制，工控機提供友好的全中文WINDOWS操作和操作界面，同時在后臺可以實現(xiàn)遠程控制和網(wǎng)絡化管理，PLC用于柜體內(nèi)開關信號的邏輯處理，可以和現(xiàn)場靈活接口，滿足生產(chǎn)上的特殊需要?？刂破髋c功率單元之間采用光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分實現(xiàn)可靠隔離，使系統(tǒng)具有極高的安全性和抗電磁干擾功能。當控制器電源因意外原因斷電時，控制器可由配備的UPS繼續(xù)供電，保證變頻器繼續(xù)運行。系統(tǒng)主畫面見。3UW啟動|電機加速|(zhì)機減速|(zhì)功能設欠|教設冗|系|遣出豕軟1系統(tǒng)主畫面通過主界面可以完成變頻器的功能設定、參數(shù)設定、實時波形顯示、運行記錄打印、

8、故障查詢，對變頻器可直接進行啟動、設定運行頻率、停機、急停和復位等操作，實現(xiàn)給定頻率、運行頻率、電機速度、被控參數(shù)、輸入輸出電流、輸入輸出電壓的實際顯示，給操作帶來極大的方便性。該系統(tǒng)具有較強的自我保護能力和故障自診斷能力，有過流保護、過電壓保護、欠電壓保護、高壓電源缺相、接地等保護功能。系統(tǒng)設備運行可靠，維護費用低，由于裝置的軟啟動、軟停止的功能，在啟動時對電網(wǎng)及設備沒有沖擊，因此延長了電機的使用壽命。系統(tǒng)安裝后，達到風機控制的自動化控制水平，具體實現(xiàn)功能如下：旁路功能?？筛鶕?jù)用戶需要加裝變頻器系統(tǒng)旁路開關，可以采用手動工頻/變頻切換旁路開關，當變頻器出現(xiàn)嚴重故障，停機后，將電機用手動開關切

9、換到工頻電網(wǎng)起動。軟啟動功能?？刂乒裆显O置了兩個頻率段，可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇相應的控制頻率，遠控盒放在配料除塵配電室，操作人員可以隨時查看設備運行情況。整個變頻設備采用軟啟動功能，頻率從0Hz上升到40Hz需要2min，風機平滑勻速啟動，減少了啟動時對風機的損害，延長了電機壽命，降低了電機啟動時大電流對電網(wǎng)的沖擊。參數(shù)設定功能。所有參數(shù)項有中文提示，可以整體備份和恢復，可以設定兩段頻率躲避區(qū)，有效避免用戶系統(tǒng)在非工頻運行點可能存在的共振；可以合理設置電機過流及過載保護系數(shù)，對電機實施有效保護。故障查詢功能。變頻器具有故障定位與查詢功能，輕微故障時變頻器會在主界面，實時提供報警信息，重故障發(fā)

10、生時，變頻器會自動彈出故障界面，向用戶直觀顯示發(fā)生了什么故障，發(fā)生在什么位置。通過故障界面，用戶可以查詢故障的歷史信息。運行數(shù)據(jù)記錄功能。變頻器運行時自動記錄的參數(shù)包括給定頻率、輸出頻率、輸入電流、輸出電流、輸入電壓、輸出電壓等，所有記錄的運行參數(shù)按文本文件格式存放于工控硬盤之中，記錄時間間隔由用戶設定。3使用期間節(jié)電效果風機的壓力風量特性曲線如所示。根據(jù)運行頻率計算方法計算其節(jié)電效果。風機的壓力一風置特性曲線在圖中R1、R2為管路特性曲線，N1、N2為風機轉速。根據(jù)現(xiàn)場情況，為了保持風量保持Q2不變，先將風門完全打開，此時管路特性曲線由R1變?yōu)镽2，即由A點變?yōu)锽點，這樣風量變大，為Q1，同

11、時在轉速配合下調(diào)整風量，使風量由Q1變回Q2，這樣可使在同樣的風量消耗最小的功率，但此時風量不變風壓減小。根據(jù)風機特性可知，風量與轉速成正比，即：風壓與轉速的平方成正比，即：風機的軸功率與轉速的立方成正比，即：根據(jù)現(xiàn)場情況，現(xiàn)在變頻器運行頻率為40赫茲，電機轉速與電機輸入的電源頻率成比例，有：即使用變頻時，假設原來運行工頻50Hz，風門開度為60%，用變頻后風門開度為100%，變頻運行頻率為40Hz即可達到同樣的風量。所以有：相對工頻節(jié)能計算為：其中P1工頻時的功率；P2變頻時的功率。根據(jù)上述可知功率與轉速的立方成正比，即：使用風門開度時并沒有達到滿功率，根據(jù)現(xiàn)場情況工頻運行時情況，電機功率200kW，額定電流為25A，運行電流為22A可知，由此計算不滿載率為12%左右。使用變頻后，變頻效率不可能為100%，一般大約有2%3%的功耗被隔離變壓器消耗，以及存在有熱能損耗。所以節(jié)能約為34.3%.如果1年按8000h、每度電的價格按0.50元計