高壓變頻器在循環(huán)風機的應用

1、高壓變頻器在循環(huán)風機的應用一、前言目前，隨著企業(yè)競爭的日益加劇，生產(chǎn)成本的高低決定了企業(yè)在市場競爭的地位， 特別是水泥生產(chǎn)企業(yè)，很大一部分花在能耗上，降低水泥生產(chǎn)過程中的電能消耗 越來越引起了業(yè)界的重視.在水泥生產(chǎn)過程中，風機被大量的采用于工藝流程上，而風機負載耗電量較大， 起動電流較高，同時用電動閥門、擋風板等裝置來調(diào)節(jié)風量，在風道系統(tǒng)設計時， 為滿足生產(chǎn)環(huán)境的最大要求，必須留有余量，因此風機的風量和壓力往往偏大， 功率的偏大設計必然造成能量的浪費。很多的風機有3070%的能量是消耗在調(diào) 節(jié)閥的壓降上的，不僅造成電能的浪費，工作效率低，而且開動閥門時，還發(fā)出 嘯聲和振動，經(jīng)常發(fā)生事故。變頻調(diào)

2、速技術作為一種先進的電機調(diào)速方式，其優(yōu)異的性能以及帶來可觀的經(jīng)濟 效益早已為人們所知。近幾年來變頻技術的出現(xiàn)，徹底改變了這一狀況，實踐證 明在風機的系統(tǒng)中接入變頻系統(tǒng)，利用變頻技術改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風量和壓力 的變化用來取代閥門控制風量，能取得明顯的節(jié)能效果。本文就SH-HVF系列高 壓變頻器在華新金貓水泥（蘇州）有限公司中應用進行分析總結。二、變頻器節(jié)能原理一般異步電動機的同步轉(zhuǎn)速為：n1 = 60f/p而異步電動機轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個滑差關系： n= n1 （1一s） =60f/p （1一s）由上式可以得到，改變異步電動機的轉(zhuǎn)速可以通過改變f、p、s可以達到。針對 某一電動機而言P

3、是一定的，而通過改變S進行調(diào)速空間非常小，所以變頻調(diào)速 通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速是異步電動機的最為合理的調(diào)速方法。 若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機變頻 調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前變頻調(diào)速已成為 異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。根據(jù)流體力學相似定律：Q1/Q2 = n1/n2輸出風量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；H1/H2= （n1/n2）2輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；P1/P2=(n1/n2)3輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比。當風機風量需要改變時，如調(diào)節(jié)風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及 管路系統(tǒng)阻力

4、上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下 降。變頻調(diào)速時，當風機低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為E=1-（ n，/n）3）XPXT （kWh） 式中：n額定轉(zhuǎn)速nz實際轉(zhuǎn)速P額定轉(zhuǎn)速時電機功率T工作時間可見，通過變頻對風機進行改造，不但節(jié)能而且大大提高了設備運行性能。以上 公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。三、SH-HVF變頻器原理特點及優(yōu)勢湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司主營業(yè)務為在電力電子技術平臺上從事高壓變頻器 的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、代理、服務，同時還從事能源節(jié)能領域的投資。公司綜合 實力位于全國同行業(yè)前三名，用戶分布全國十多個省市自冶區(qū)。由湖北三環(huán)發(fā)展 股份有限公司負責起草的DL/

5、T994-2006中華人民共和國電力行業(yè)標準火電廠 風機水泵用高壓變頻器已由國家發(fā)改委2006年5月6日公告發(fā)布（中華人民 共和國國家發(fā)展和改革委員會公告2006年第29號），已于2006年10月1日起 正式頒布實施。湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司通過世界銀行能源項目專家審核（2004年），多次獲得世界銀行的專項節(jié)能貸款支持，為世界銀行呈報的相關 節(jié)能案例得到了世界銀行的廣泛推廣，被評為2006年中國節(jié)能十佳企業(yè)。SH-HVF系列高壓變頻器是由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司研制開發(fā)的新一代高壓 變頻器，采用直接高高變換的方式，多電平串聯(lián)倍壓的技術方案，優(yōu)化的PWM 控制算法，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的可變頻變壓（VVVF

6、 ）的正弦電壓和正弦電流的輸出。1、SH-HVF高壓變頻器的控制原理SH-HVF系列高壓變頻裝置選用電壓源型交一直一交變頻器方式，整流側采用大 容量電容器濾波。變頻裝置逆變主電路拓撲卜采用多電平形式，單元數(shù)的多少視電 壓高低而定，3KV/6KV/10KV變頻器每相采用4/6/8個功率單元（Power Cell）， 逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，輸出電壓非常接近正弦波。如圖1所示：圖1功率單元串聯(lián)整流用移相變壓器為干式變壓器，采用銅線繞制，配冷卻器，有高質(zhì)量統(tǒng)一柜體 封閉。具有就地和遠方超溫報警和相應的控制功能。功率單元的主電路由熔斷器、三相全橋整流模塊、濾波電容及IGBT?？旖M成， 如

7、圖2所示。進入功率單元的低壓交流經(jīng)過整流模塊的整流和電容的濾波后變成 中間直流，在控制系統(tǒng)的控制下由IGBT逆變單元將中間直流逆變成交變的脈寬 調(diào)制輸出。每個功率單元輸出電壓為1、0、一1三種狀態(tài)電平，以6KV為例，每 相6個單元疊加，就可產(chǎn)生13種不同的電平等級，分別為6、5、4、3、 2、土 1和0。用這種多重化技術構成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平 PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸 出，所以不存在器件均壓的問題。圖2功率單元電路6個功率單元在逆變側串聯(lián)成一相，將每個功率單元輸出的電平相疊加，再配以 動態(tài)分配技術和適當?shù)目刂扑惴?，在輸出側得到一組

8、逼近正弦波的階梯波，與低 壓變頻器采用的單純PWM方式相比，輸出的dv/dt非常低，波形本質(zhì)與正弦波的 擬合程度非常好，再配以優(yōu)化的PWM控制，使輸出諧波大為降低。由于這種波形 正弦度好，du/dt小，可減小對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器，輸出 電纜長度幾乎不受限制，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備改造；同時， 電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減少了軸承和葉片的機 械應力。圖3控制單元結構圖整個系統(tǒng)的控制部分由一套PLC，一套主控制器，一套旁路控制器、一個智能操 作面板（觸摸屏）和一些開關、電源、繼電器等組成，如圖3所示。其中，PLC 完成整個變頻調(diào)速系統(tǒng)的管理，

9、邏輯處理，包括起停車邏輯、報警故障邏輯等。 觸摸屏為中文界面的液晶顯示，完成變頻器參數(shù)設定、運行參數(shù)狀態(tài)顯示和報警 故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號的產(chǎn)生、移相，并轉(zhuǎn)換成光信號，通過 光纖傳送到功率單元，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全 性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。旁路控制器為整個系統(tǒng)提供了較高的容錯 能力，當工作中的某個功率單元故障時，旁路控制能自動將其從工作中退出，并 將備用功率單元投入運行。整套控制系統(tǒng)的設計原則是可靠、實用、簡單。2、SH-HVF系列變頻器主要優(yōu)勢 1、功率單元機械式旁路 為了保證變頻器和現(xiàn)場設備的正常運行，SH-HVF系列高壓變頻器為用戶

10、提供了 功率單元機械旁路功能，當單元故障時，可自動將輸出清除并同時觸發(fā)旁路單元 將其旁路，使其不影響整個系統(tǒng)的正常工作，使整個系統(tǒng)由原來的串聯(lián)可靠性結 構變成為并聯(lián)可靠性結構。典型旁路示意圖如下：圖4典型的功率單元機械旁路示意圖 傳統(tǒng)的功率單元電子式旁路設計采用品體管方式，其設計與功率單元采用一體化 設計，其電子旁路能否動作取決于功率單元的故障狀態(tài)；而我公司功率單元機械 式旁路采用機械式接觸器方式，并且專門為其設計了一套功率單元旁路控制系 統(tǒng)，一旦功率單元故障，不管故障多么嚴重，旁路系統(tǒng)均能正確安全的旁路。2、N+1冗余運行方式用戶在訂貨時可選配1單元為冗余配置，在此配置下，可保證最大3單元故

11、障時， 變頻器能滿載50Hz、10kV輸出。3、變頻器帶故障運行方式當有功率單元故障時，變頻器可通過線電壓自動均衡技術，輸出最大的功率而不 至于跳機影響生產(chǎn)，用戶可以根據(jù)設備的報警自行確定停機維修時間。4、風機選用進口設備我公司高壓變頻器冷卻風機采用原裝進口 EBM風機，其平均無故障連續(xù)運行時間 大于100000小時。5、頻率分辨率頻率分辨率為0.01Hz，每周波頻率誤差小于1微秒。6、諧波指標輸出電流諧波失真2%；變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波滿足并高于中國“GB/T14549電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波”及“IEEE519”國際標準的規(guī)定。變頻裝置考慮 將對電網(wǎng)諧波影響減至最小的措施包括：a、移相變壓器

12、；b、單元串聯(lián)技術；c、 優(yōu)化的PWM算法；d、多脈沖整流技術7、線電壓自動均衡技術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通過調(diào)整相與相之間的 夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。8、控制部分雙電源切換變頻器控制回路采用雙電源切換技術并配置UPS電源，雙電源一路來源于用戶電 源，一路來源于變頻器內(nèi)隔離變壓器二次輸出繞組，其中任意一單元掉電自動切 換至另一回路，切換時間約為40ms，切換過程中的電源保證由UPS提供，UPS 提供掉電30分鐘輸出。四、原料磨循環(huán)風機的變頻改造 1、生料磨

13、系統(tǒng)簡介:華新金貓水泥（蘇州）有限公司是一條3000T/D的水泥生產(chǎn)線，其生料磨循環(huán) 風機電機為6KV/1600KW，采用擋板（閥門）調(diào)節(jié)風量大小，風機消耗功率大， 節(jié)流損失較大。調(diào)節(jié)風門擋板控制風量，由于擋板處于較高壓力下工作，易磨損， 易造成管道內(nèi)風量調(diào)節(jié)不準確，對生料磨系統(tǒng)工藝影響也較大。其生料磨系統(tǒng)簡 易圖如圖5所示：圖5立式生料磨系統(tǒng)簡易圖生料磨循環(huán)風機在生料磨系統(tǒng)中起到很大作用，通過調(diào)節(jié)循環(huán)風機可以控制磨系 統(tǒng)的以下參數(shù)： 1、磨內(nèi)通風量：立磨靠風掃磨，通風量要適當。風量不足，合格的生料不能及 時帶出，料層增厚，排渣量增多，設備負荷高，產(chǎn)量降低；風量過大，料層過薄， 影響磨機穩(wěn)定運

14、轉(zhuǎn)。2、料層厚度：立磨穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的另一重要因素是料床穩(wěn)定。料層穩(wěn)定，風量、 風壓和喂料量才能穩(wěn)定，否則就要通過調(diào)節(jié)風量和喂料量來維持料層度。若調(diào)節(jié) 不及時就會引起震動加劇，電機負荷上升或系統(tǒng)跳停等問題。3、磨機振動：振動是輥式磨機工作中普遍存在的一個現(xiàn)象，合理的振動是允許 的,但若振動過大，則會造成磨盤和磨輥以及襯板的機械損壞。4、磨內(nèi)壓差：壓差是指風環(huán)處的壓力損失，在磨機運行時，磨內(nèi)負荷量的變化 不僅從磨機電流、料層厚度、振動幅度等參數(shù)上反應出來，而且壓差更能反映磨 內(nèi)狀況。5、磨機出口溫度：有效的控制出口溫度，可以保持良好的烘干及粉磨作業(yè)條件。6、產(chǎn)品細度：磨內(nèi)通風量的大小對產(chǎn)品細度也有一定

15、影響。另外磨的運行穩(wěn)定因素還有喂料量、噴水量、研磨壓力、循環(huán)風量和選粉機轉(zhuǎn)速 等參數(shù)。華新金貓水泥生料磨循環(huán)風機電機參數(shù)如下：電機型號：YRKK710-6額定功率：1600KW額定電壓：6KV額定電流：193A根據(jù)華新金貓水泥負載的相關參數(shù)選配SH-HVF系列高壓變頻器參數(shù)如下：型號：SH-HVF-Y6K/2000隔離變壓器容量：2000KVAIGBT 容量：80C 380A整流橋容量：95C 380A ；旁路開關：630A2、主回路設計為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器配置方案均采用一拖一方式，其主回路原理 圖如圖6所示：6KV電面電機 循壞用機圖6 SH-HVF高壓變頻器主回路原理圖6KV高

16、壓電源經(jīng)用戶開關柜高壓開關QF到刀閘柜，經(jīng)輸入刀閘QS1到高壓變頻 裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘QS2送至電動機；高壓電源還可經(jīng)旁路刀閘QS3 直接起動電動機。進出線刀閘QS2和旁路刀閘QS3的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn) 故障，即可馬上斷開進出線刀閘QS2,將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘QS3， 在工頻電源下起動電機運行。QF保留用戶原斷路器，QS1、QS2、QS3安裝在一個 刀閘柜中與變頻裝置配套供貨。QS2與QS3之間通過機械閉鎖，防止誤操作。3、控制方式：該設備有三種控制方式：1、以壓力、流量為控制對象的閉環(huán)控制：以輸入的420mA模擬量值為控制依 據(jù)，實現(xiàn)自動控制。2、以轉(zhuǎn)速為控制對象的

17、開環(huán)控制：該方式在遠程操作（DCS或遠程操作箱上 操作）用戶可根據(jù)工況條件自設定轉(zhuǎn)速，變頻器以該轉(zhuǎn)速為控制值，該方式下頻 率的變化依據(jù)用戶輸入的模擬量，4mA對應0轉(zhuǎn)速，20mA對應額定轉(zhuǎn)速。3、以頻率為控制對象的開環(huán)控制：該方式在就地操作（設備本體上操作）直接 從觸摸屏上設置輸出頻率，變頻器以該頻率為控制目標值。以上三種控制方式用戶可通過人機界面（觸摸屏）設置，滿足不同的工況要求。4、變頻改造后華新金貓水泥原料磨系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)：（現(xiàn)場實測）名稱調(diào)節(jié)運行數(shù)據(jù)總喂料量（t/h）225228230變頻器給定轉(zhuǎn)速（r/min）1325132O1325選粉機轉(zhuǎn)速（r/min）848381料層厚度mm67

18、.571.272.7原料磨壓差Pa498549574964磨機出口溫度。C929395電機電流A105106104磨機震動0. 640. 650. 65由以上測量數(shù)據(jù)顯示，滿足立式原料磨的料層厚度、原料細度、磨內(nèi)壓差、振動 等工藝要求的基礎上，配合調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速和選粉機轉(zhuǎn)速，使整個原料磨系統(tǒng)達 到一個動態(tài)平衡，從而在保證原料工藝要求的情況下，達到較好的節(jié)能目的。五、變頻改造后收益分析：1、直接收益:改造前：在運行時閥門開度為56%58%,當閥門開度為58%時，電流為147A； 當閥門開度為5%時，電流為101A；當閥門開度為20%時，電流116.5A；當閥 門開度為55%時，電流為142 14

19、5A；當閥門開度為60%時，電流為150 152A。變頻改造后：閥門開度為100%，變頻器轉(zhuǎn)速為13001360，此時變頻器電流為 102110A。改造前平均功率為：1310KW改造后平均功率：1008KW根據(jù)現(xiàn)場實測變頻后設備節(jié)電率為：AP=(P1 P2)/P1=(1310 1008)/1310 = 23%變頻改造后節(jié)電功率為：PB= P1-P2=1310-1008=302 kW變頻改造年節(jié)電收益= PBX0.5Xh = 302X0.5X864013萬元風機的年運行時間：按360天計算，大工業(yè)電費為：0.5元/kwh2、間接效益：1、變頻改造后，實現(xiàn)電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。2、電機以及負載轉(zhuǎn)速下降，