水泥廠高溫風(fēng)機的變頻調(diào)速設(shè)計

朱慶：水泥廠高溫風(fēng)機的變頻調(diào)速設(shè)計遼寧工程技術(shù)大學(xué)職院畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE2PAGE1遼寧工程技術(shù)大學(xué)職院畢業(yè)設(shè)計（論文）前言目錄510131428改6頁變頻調(diào)速技術(shù)(variablevelocityvaliablefrequencytechnology)是一項綜合現(xiàn)代電氣技術(shù)和計算機控制的先進技術(shù)，廣泛應(yīng)用于風(fēng)機節(jié)能領(lǐng)域。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機控制系統(tǒng)，具有調(diào)速性能好、節(jié)能效果顯著、運行工藝安全可靠等優(yōu)點。在大力提倡節(jié)約能源的今天，推廣使用這種集現(xiàn)代先進電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高科技節(jié)能裝置，對于提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗具有重大的現(xiàn)實意義?？梢哉f變頻調(diào)速技術(shù)是一項利國利民、有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)。依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對生產(chǎn)過程進行控制和管理，提高設(shè)備運行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的資源，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)是一項已被廣泛應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，變頻調(diào)速已逐漸取代過去的滑差調(diào)速、變極調(diào)速、定子調(diào)速、串極調(diào)速、液力偶合調(diào)速及直流電機調(diào)速等調(diào)速方式，在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平穩(wěn)、無級變速等優(yōu)點。近年來變頻器的應(yīng)用越來越多，尤其在電力緊張的情況下，變頻器的節(jié)能效果越發(fā)顯的重要，因此將高壓風(fēng)機、反吹風(fēng)機改為變頻器控制，將傳統(tǒng)的電機調(diào)速理論、現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及計算機控制技術(shù)結(jié)合在一起，當用風(fēng)量發(fā)生變化時，電機轉(zhuǎn)速自動改變，使電機在最經(jīng)濟的轉(zhuǎn)速下運行，從而達到節(jié)電的目的。風(fēng)機和水泵在國民經(jīng)濟各部門中應(yīng)用數(shù)量眾多，分布面極廣，是耗電量巨大的設(shè)備。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，全國風(fēng)機、水泵電動機裝機總?cè)萘考s35000MW，耗電量約占全國電力消耗總量的40％左右。目前，風(fēng)機和水泵運行中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點是提高風(fēng)機和水泵的運行效率。據(jù)估計，提高風(fēng)機和水泵系統(tǒng)運行效率的節(jié)能潛力可達300～500億kWh/年。效益最大化是企業(yè)永恒的主題，利用新技術(shù)來提高企業(yè)生產(chǎn)裝置的管理水平和節(jié)能降耗已是各企業(yè)首選的手段之一。本控制系統(tǒng)采用了變頻調(diào)速閉環(huán)控制，相應(yīng)的壓力傳感器和執(zhí)行機構(gòu)有機地結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，使得系統(tǒng)調(diào)試和使用都十分方便，而且大大簡化了在管理和操控等方面的工作量。實踐證明，本系統(tǒng)不僅提高了水泥廠的經(jīng)濟效益，更是在節(jié)約能源、降低噪聲美化環(huán)境表現(xiàn)出很好的效果。由于編者的水平有限，設(shè)計中不免會存在一些疏漏和不妥之處，懇請指導(dǎo)老師批評和指正。原始資料我國水泥廠較多采用立窯配備155～215KW羅茨風(fēng)機，羅茨風(fēng)機為容積式風(fēng)機，輸送的風(fēng)量與轉(zhuǎn)數(shù)成比例，三葉型葉輪每轉(zhuǎn)動一次由2個葉輪進行3次吸、排氣。與二葉型相比，氣體脈動性小，振動也小，噪聲低。風(fēng)機2根軸上的葉輪與橢圓形殼體內(nèi)孔面，葉輪端面和風(fēng)機前后端蓋之間及風(fēng)機葉輪之間者始終保持微小的間隙，在同步齒輪的帶動下風(fēng)從風(fēng)機進風(fēng)口沿殼體內(nèi)壁輸送到排出的一側(cè)。風(fēng)機內(nèi)腔不需要潤滑油，結(jié)構(gòu)簡單，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，性能穩(wěn)定，適應(yīng)多種用途，已運用于廣泛的領(lǐng)域。又由于采用了三葉轉(zhuǎn)輪及帶螺旋線型的箱體，所以風(fēng)機的噪聲的振動很小。葉輪和軸為整體結(jié)構(gòu)，且葉輪無磨損，風(fēng)機性能持久不變，可以長期連續(xù)運轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的風(fēng)量控制辦法是依靠放風(fēng)閥進行調(diào)節(jié)。由于羅茨風(fēng)機的供風(fēng)量較為恒定的，煅燒時根據(jù)窯的情況需要隨時調(diào)節(jié)風(fēng)量，當窯內(nèi)需要少風(fēng)量時，通過放風(fēng)閥放走多余的風(fēng)量，造成嚴重的能源浪費。怎樣才能節(jié)省放風(fēng)所浪費的能源呢？當然最根本的辦法是控制羅茨風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，進行風(fēng)量調(diào)節(jié)，保證窯內(nèi)需多少風(fēng)量就供多少風(fēng)，完全免除放風(fēng)所造成的浪費。水泥廠生產(chǎn)線為干法懸窯，其窯燒成系統(tǒng)流程簡圖如圖0-1所示。

圖0-1高壓變頻典型應(yīng)用實例懸窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，預(yù)熱機來的料從窯尾進入到窯中，借助窯的轉(zhuǎn)動來促進料在旋窯內(nèi)攪拌，使料互相混合、接觸進行反應(yīng)，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉(zhuǎn)動在窯內(nèi)向前運動。窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生的余熱廢氣，在窯尾高溫風(fēng)機的作用下，通過預(yù)熱器對進入窯尾前的生料進行預(yù)熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風(fēng)機抽出進入廢氣處理（除塵及排出）。

XXX水泥廠的1#窯，日產(chǎn)為2500t，到現(xiàn)在運行已近多年。1#窯生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機電機配置為6kV1600kW，窯尾EP風(fēng)機配置為6kV280kW。在高溫風(fēng)機的電機與風(fēng)機之間，配有液力耦合器對風(fēng)機進行調(diào)速，整個工藝過程主要是通過DCS的控制來調(diào)節(jié)液力耦合器的速度從而調(diào)整風(fēng)機的風(fēng)量，達到控制窯內(nèi)負壓。窯尾EP風(fēng)機依靠風(fēng)門來進行調(diào)節(jié)。

由于使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴重，運行中每天需加油2～3次，以補充漏油，油面調(diào)整的控制回路失靈不能自動調(diào)節(jié)，在運行中只能靠手動調(diào)節(jié)置于固定轉(zhuǎn)速比。在運行是時仍靠風(fēng)機擋板進行風(fēng)量調(diào)節(jié)，當窯系統(tǒng)工況變化較大時，現(xiàn)場值班人員根據(jù)中控制室的指令對液力耦合器的勺桿進行手動調(diào)節(jié)，運行操作非常不便。因此，決定首先對水泥廠1#窯生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機進行了變頻調(diào)速設(shè)計。1概述1.1變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀經(jīng)過大約30年的發(fā)展，目前交流調(diào)速電氣傳動已經(jīng)上升為電氣調(diào)速傳動的主流，在電氣調(diào)速傳動領(lǐng)域內(nèi)，有直流電動機占統(tǒng)治地位的局面已經(jīng)受到猛烈的沖擊?？v觀變頻技術(shù)的發(fā)展，其中主要是以電力電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)的。第一代以晶閘管為代表的電力電子器件出現(xiàn)于20世紀50年代，它主要使電流控制型開關(guān)器件，以小電流控制大功率的變換，但其開關(guān)頻率低，只能導(dǎo)通而不能自關(guān)斷。第二代電力電子器件以電力晶體管（GTR）和門極關(guān)斷（GTO）晶閘管為代表，在20世紀60年代發(fā)展起來，它是一種電流型自關(guān)斷的電力電子器件，可方便的實現(xiàn)變頻逆變和斬波，其開關(guān)頻率只有1~5KHZ。第三代電力電子器件以雙極型絕緣柵晶體管（IGBT）和電力場效應(yīng)晶體管（MOSET）為代表。在20世紀70年代開始應(yīng)用，它是電壓場（場控）型自關(guān)斷的電力電子器件。第四代電力電子器件，有出現(xiàn)于20世紀80年代末的智能化功率集成電路（PIC）和20世紀90年代的智能功率模塊（IPM）、集成門極換流晶閘管（IGCT），它們實現(xiàn)了開關(guān)頻率的高速化、低導(dǎo)通電壓的高性能化及功率集成電路的大規(guī)?；?。1.2變頻技術(shù)的特點電力電子器件的自關(guān)斷化、模塊化、交流電路開關(guān)模式的高頻化和控制手段的全數(shù)字化促進了變頻電源裝置的小型化、高性能化，尤其是控制手段的全數(shù)字化利用了微型計算機的巨大的信息處理能力，其軟件功能不斷強化，使變頻裝置的靈活性和適應(yīng)性不斷增強。交流調(diào)速裝置的大容量化、開關(guān)器件的自關(guān)斷化、PWM技術(shù)的應(yīng)用、全數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用，使變頻技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，朝著高度集成化、采用表面安裝技術(shù)、轉(zhuǎn)矩控制高性能化、保護功能健全、操作簡便化、驅(qū)動低噪聲化、高可能性、低成本和小型化的方向發(fā)展。2變頻原理異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為n1=60f1／np式中,n1——同步轉(zhuǎn)速（r/min）f1——定子轉(zhuǎn)速(HZ)np——磁極對數(shù)而異步電動機的軸轉(zhuǎn)速為：n1=n1（1－s)=60f1/np(1－s)式中，S——異步電動機的轉(zhuǎn)差率，S=(n1－n)/n1由上式可見，改變異步電動機的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)速運行。變頻技術(shù)簡單地說就是把直流電逆變成不同頻率的交流電，或是把交流電變成直流電，再逆變成不同頻率的交流電，或者是把直流電變成交流電，再把交流電變成直流電，總之這一切都是電能不發(fā)生變化，而只有頻率的變化，變頻技術(shù)的類型主要有以下幾種：交-直變頻技術(shù)（整流技術(shù)），直-直變頻技術(shù)（斬波技術(shù)），直-交變頻技術(shù)（振蕩技術(shù)），交-交變頻技術(shù)（移相技術(shù)）。2.1交直交變頻的基本電路圖2-1交-直-交電壓型變頻交-直-交變頻電路根據(jù)變頻電源的性質(zhì)可分為電壓型變頻和電流型變頻，2.1.1交-直-交電壓型變頻交-直-交電壓型變頻的構(gòu)成如圖2-1所示，該電路的核心是三相電壓型逆變器的基本電路如圖2-2所示。圖中，直流電源并聯(lián)一大容量的濾波電容Cd,由于Cd的存在，使直流輸出電壓具有電壓源的特性，內(nèi)阻很大，這使逆變器的交流輸出電壓被鉗位為矩型波，與負載的性質(zhì)無關(guān)，交流輸出電流的波形和相位由負載功率因數(shù)來決定，在異步電動機變頻調(diào)速中，這個大電容同時又是緩沖負載無功功率的儲能元件。直流電路電感Ld起限流作用，電感量很小。圖2-2三相電壓型逆變器的基本電路2.1.2交-直-交電流型變頻電壓型變頻，由于再生制動時必須接入附加電路，使電路復(fù)雜，電流型變頻可以彌補其不足，而且主電路結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。交-直-交電流型變頻器的構(gòu)成如圖2-3所示。圖2-3交-直-交電流型變頻圖2-4三相電流型逆變器的基本電路三相電流型逆變器的基本電路如圖2-4所示。與電壓型逆變器不同，直流電源上并聯(lián)了大電感濾波。由于大電感的限流作用，為逆變器提供的直流電流波形平直、脈動很小，具有電流源特性。這使逆變器輸出的交流電流為矩形波，與負載性質(zhì)無關(guān)，而輸出的交流電壓波形及相位隨負載的變化而變化。對于變頻調(diào)速系統(tǒng)而言，這個大電感同時又是緩沖負載無功能量的儲能元件。2.2脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)脈寬調(diào)制（PWM）就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形，也就是在輸出波形的半個周期內(nèi)產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波狀，所獲得輸出平滑且低次諧波少，按一定規(guī)則對脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可以改變輸出頻率。電壓型交-直-交型變頻電路，為了使輸出電壓和輸出頻率都得到控制，變頻器通常是由一個可控整流電路和一個逆變電路組成，控制整流電路以改變輸出電壓，控制逆變電路來改變輸出頻率。圖2-5所示是電壓型PWM交-直-交變頻電路，這里由不可控整流電路代替可控整流電路，逆變電路采用自關(guān)斷器件，這種PWM型變頻電路的主要特點：（1）可以得到相當接近正弦波的輸出電壓；（2）整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數(shù)；

（3）電路結(jié)構(gòu)簡單；

（4）通過對輸出脈沖寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過程的動態(tài)響應(yīng)。圖2-5PWM變頻器的主電路圖其實，PWM變頻器就是基本逆變變頻器。當采用PWM方法控制逆變器功率器件通斷時，可獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖，輸出電壓幅值的改變，可通過控制該脈沖的寬度，而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實現(xiàn)。調(diào)壓原理：利用參考電壓波Up與載頻三角波Uc互相比較來決定主開關(guān)器件的導(dǎo)通時間來實現(xiàn)調(diào)壓，利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦波電壓，這種參考信號為正弦波，輸出電壓平均值近似為正弦基波的PWM方式稱為正弦SPWM方式。脈沖的調(diào)制方法對PWM型變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動的高壓變頻技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。高壓電動機利用高壓變頻器可實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足生產(chǎn)工藝過程對電動機調(diào)速控制的要求，以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，又可大幅度地節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。2.3高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)近年來，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，可是到目前為止，高壓變頻器還沒有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)高壓組成方式，可分為直接高壓型和高-低-高型;根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)，可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器。在交-直-交變頻器中，根據(jù)中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，又可分為電壓源型(也稱電壓型)和電流源型(也稱電流型)。高-低-高型變頻器采用變壓器實行輸入降壓、輸出升壓的方式，其實質(zhì)上還是低壓變頻器，只不過從電網(wǎng)和電動機兩端來看是高壓的，這是受到功率器件電壓等級技術(shù)條件的限制而采取的變通辦法，需要輸入、輸出變壓器，存在中間低壓環(huán)節(jié)電流大、效率低下、可靠性下降、占地面積大等;缺點:只用于一些小容量高壓電動機的簡單調(diào)速。常規(guī)的交-交變頻器由于受到輸出最高頻率的限制，只用在一些低速、大容量的特殊場合。順便指出，國內(nèi)習(xí)慣稱作的高壓變頻器，實際上電壓一般為2.3～10kV，國內(nèi)主要為3.6kV和10kV，和電網(wǎng)電壓相比，只能算作中壓，故國外常稱為中壓變頻器。

（1）高-低-高結(jié)構(gòu)

該種結(jié)構(gòu)將輸入高壓經(jīng)降壓變壓器變成380V的低電壓，然后用普通變頻器進行變頻，再由升壓變壓器將電壓變回高壓。很明顯，該種中高壓變頻裝置的優(yōu)點是可利用現(xiàn)有的低壓變頻技術(shù)來實現(xiàn)高壓變頻，易于實現(xiàn)，價格低;其缺點是使用了降壓和升壓2臺變壓器，系統(tǒng)體積大、成本高、效率低、低頻時能量傳輸困難等。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。圖2-6高－低－高變頻器結(jié)構(gòu)（2）多重化技術(shù)

采用多重化技術(shù)也是用小功率器件實現(xiàn)大功率變換的一種方法。所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個低壓PWM功率單元在其輸出端通過某種方式(如變壓器)串聯(lián)或并聯(lián)組成。各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，由低壓PWM變頻單元串聯(lián)疊加達到高壓輸出或并聯(lián)達到大容量輸出的目的。其中每一個功率單元都是分別進行整流、濾波、逆變的。目前功率單元都采用二電平方案，開關(guān)器件電壓等級只要考慮功率單元內(nèi)的中間直流電路電壓值。多重化技術(shù)可以大大降低諧波含量，提高功率因數(shù)。在電壓型變頻器組成的多重化系統(tǒng)中，為防止由于不同變壓器副邊繞組電壓差而形成環(huán)流，通常在副邊采取串聯(lián)方式聯(lián)接。相應(yīng)地，在電流型變頻器組成的多重化系統(tǒng)中，副邊繞組一般采用并聯(lián)連接。但是多重化技術(shù)需要引入結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大容量隔離變壓器;所需主管數(shù)量較多，增加了設(shè)備投入，造價昂貴，還需要占用一定安裝空間;多重化技術(shù)對控制精度要求也較高。（3）多管直接串聯(lián)的兩電平變換電路

將器件串、并聯(lián)使用，是滿足系統(tǒng)容量要求的一個簡單直觀的辦法。串、并聯(lián)在一起的各個器件，被當作單個器件使用，其控制也是完全相同的。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可利用較為成熟的低壓變頻器的電路拓撲、控制策略和控制方法;其難點是串聯(lián)開關(guān)管需要動態(tài)均壓和靜態(tài)均壓，因此對驅(qū)動、控制電路的要求也大大提高，還需要解決dv/dt，抗共模電壓技術(shù)、正弦波濾波技術(shù)等問題。國內(nèi)成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器采用這種拓撲結(jié)構(gòu)并申請了專利，解決了IGBT直接串聯(lián)的世界難題，代表了高壓變頻器的一個發(fā)展方向。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-7所示，它完全舍棄了輸入輸出變壓器，使得IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器成為目前世界上體積與占地面積最小的產(chǎn)品。圖2-7

二極管鉗位型三電平高壓變頻器（4）二極管鉗位型三電平變換電路

為了解決器件直接串聯(lián)時所需要的均壓問題，逐漸發(fā)展出以器件串、井聯(lián)為基礎(chǔ)，各器件分別控制的變流器結(jié)構(gòu)。在這方面，日本學(xué)者A.Nabae于80年代初提出的中點箝位型PWM逆變電路結(jié)構(gòu)具有開創(chuàng)性的意義。二極管箝位型變流器的結(jié)構(gòu)如圖2-8所示，該變流器的輸出相電壓為三電平。如果去掉兩個箝位二極管，這種變流器就是用兩個功率器件串聯(lián)使用代替單個功率器件的半橋逆變電路。由于兩個箝位二極管的存在，各個器件能夠分別進行控制，因而避免了器件直接串聯(lián)引起的動態(tài)均壓問題。與普通的二電平變流器相比，由于輸出電壓的電平數(shù)有所增加，每個電平幅值相對降低，由整個直流母線電壓降為一半直流母線電壓，在同等開關(guān)頻率的前提下，可使輸出波形質(zhì)量有較大的改善，輸出dv/dt也相應(yīng)下降，因此中點箝位型變流器顯然比普通二電平變流器更具優(yōu)勢。圖2-8為三電平逆變一相的基本結(jié)構(gòu)，V1～V4代表一相橋臂中的４個功率開關(guān)，VW1～VW4為反并聯(lián)的須流二極管，VC1、VC2為鉗位二極管，所有的二極管要求有與功率開關(guān)相同的耐壓等級。Ed為一組二端，C為中間點。圖2-8三電平基本電路對于每相橋臂通過控制功率器件V1～V4的開通、關(guān)斷，在橋臂輸出點可獲得三種不同電平+Ed、0、－Ed,，見表2-1。表2-1三電平變頻器每相輸出電壓組合表V1V2V3V4輸出電壓狀態(tài)代號ONONOFFOFF+EdPOFFONONOFF0COFFOFFONON－EdN由表2-1看出，功率開關(guān)V1和V3狀態(tài)是互反的，V2與V4也是互反的。同時規(guī)定，輸出電壓只能是+Ed到0、0到－Ed，或相反地變化，不允許在+Ed和－Ed之間直接變化。所以不存在兩個器件同時開通或同時關(guān)斷，也就是不存在動態(tài)均壓問題。對于由三個橋臂組成的三相逆變器，根據(jù)三相橋臂U、V、W的不同開關(guān)組合，最終可得到三電平變頻器的27種開關(guān)模式，見表2-2。表2-2三電平變頻器輸出狀態(tài)表PPPPPNPPCPCNPCCPNNPCPPNCPNPCCCCPNCPCCCNCPPCNNCCPCNCCNPNNNNPNNPCNCNNPPNCCNCPNNCNNP采用中心點鉗位方式使輸出增加了一個電平，輸出電壓的臺階高度降低了一半，而且很重要的一點是增加了輸出PWM控制的自由度，使輸出波形質(zhì)量在同等開關(guān)頻率條件下有較大的提高。（5）高壓大功率變頻器控制策略

高壓大功率變頻器控制技術(shù)是高壓大功率變頻器研究中一個相當關(guān)鍵的技術(shù)，它是與高壓大功率變頻器拓撲結(jié)構(gòu)共生的。因為它不僅決定高壓大功率變頻器的實現(xiàn)與否，而且，對高壓大功率變頻器的電壓輸出波形質(zhì)量，系統(tǒng)損耗的減少與效率的提高都有直接的影響。高壓大功率變頻器功能的實現(xiàn)，不僅要有適當?shù)碾娐吠負浣Y(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，還要有相應(yīng)的控制方式作為保障，才能保證系統(tǒng)高性能和高效率的運行。在過去的近20年里，大量的高壓大功率變頻器控制方法被提出，它們基本上都發(fā)源于業(yè)己成熟的兩電平PWM技術(shù)，歸納起來可以分為以下幾大類:階梯波調(diào)制、選擇諧波消去法(SHEPWM)、開關(guān)頻率優(yōu)化法(SFOPWM)、空間矢量調(diào)制(SVPWM)、載波相移PWM調(diào)制。一般說來，衡量一種開關(guān)調(diào)制策略的優(yōu)劣從以下幾個方面進行分析:變流器輸出的諧波特性、器件的開關(guān)頻率、動態(tài)輸出特性及傳輸帶寬等2.4晶閘管閥串均壓技術(shù)的應(yīng)用本高壓變頻器為高壓變頻器，三相高壓交流電經(jīng)變頻器直接控制高壓控制電壓電機。這種方案的優(yōu)點式顯而易見的，它不需要降、升壓變壓器系統(tǒng)，故結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備少，占地面積小，效率也高。但由于晶閘管制造技術(shù)的限制，晶閘管單管電壓水平還達不到高壓變頻器所需要的耐壓等級。為了使變頻器的每個橋臂都能承受正常工作所耐受的高電壓值，就必須采用幾個功率元件串聯(lián)組成一個閥閘（即一個橋臂）的方法，如圖2-9所示，在本裝置中，采用七只4000V/200A（KP200）晶閘管串聯(lián)組成晶閘管閥串，共12閥閘，84只晶閘管。圖2-9晶閘管關(guān)斷時的均壓結(jié)構(gòu)解決好在各種可能出現(xiàn)的電壓下閥串中晶閘管的均壓問題，各晶閘管關(guān)斷和導(dǎo)通的一致性問題，是高壓大容量變頻器調(diào)速裝置的關(guān)鍵技術(shù)問題。同一橋臂中串聯(lián)的晶閘管元件必須同時導(dǎo)通，否則后導(dǎo)通的元件將承受過高壓而損壞，這就要求同一閥串中各晶閘管門極觸發(fā)功率足夠大，以保證各晶閘管的同時導(dǎo)通。本裝置中采用脈沖電壓器觸發(fā)，各脈沖變壓器的原邊通過同以觸發(fā)電流，因此7只脈沖變壓器的副邊同時感應(yīng)出幅值、波形相同的電壓，由此保證觸發(fā)脈沖前沿坡度的一致性和同時性。同一橋臂中串聯(lián)的各晶閘管在關(guān)斷時也必須保持一致，否則先關(guān)斷的元件也將承受過高壓而損壞。這要求同一橋臂中各晶閘管的參數(shù)一致，其差異越小越好。在本裝置中，采用了靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓措施。2.4.1靜態(tài)均壓是指晶閘管處于阻斷狀態(tài)下承受供頻電壓或直流電壓時的晶閘管元件之間的均壓。在這種情況下，電壓波形前沿時間較長，可采用電阻R均壓。按均壓最惡劣的情況考慮。設(shè)晶閘管SCR1的漏電流量最小，為Imin，其余晶閘管的漏電流均為Imin+△Im，△Im為最大漏電流偏差。這樣晶閘管SCR1承受的反向阻斷電壓最高，為Um=（I－Imin）R。其余各晶閘管承受的反向阻斷電壓為U=（I－Imin－△Im）R。閥串總電壓為Up=Um+(n－1)U,n為閥串中串聯(lián)的個數(shù)。則：Up=Um+(n－1)(I－Imin－△Im)R=Um+(n－1)(I－Imin)R－(n－1)△Im=Um+(n－1)Um－(n－1)△ImR=nUm－(n－1)△ImR均壓系數(shù)定義為：K=Uav/Um。Uav為閥串中每個晶閘管的平均電壓，因此，上式可變?yōu)椋篣p=nUav/K－（n－1）△ImR由于Uav=Up/n，Up=nUav，故Up=Up/K－（n－1）△ImR由此可得到靜態(tài)平均電阻的阻值RR=Up[（1/K－1）/（n－1）△Im]通過此計算值，并與實驗值結(jié)合，選?。篟=50KΩ靜態(tài)平均電壓的功耗按公式Pr=Um/R計算，并留有足夠的裕量，選?。篜r=150W2.4.2動態(tài)均壓是指同一的晶閘管開通和關(guān)斷過程中的均壓，即過度過程中的均壓。如圖2-10所示為晶閘管關(guān)斷的電流波形圖。當晶閘管關(guān)斷時，電流正方向過零后，并不立即恢復(fù)其阻斷特性。由于方向恢復(fù)電荷的存在，在晶閘管中形成一個反向恢復(fù)電流Itr，反向恢復(fù)電荷Qr由下式?jīng)Q定：Qr=1/2×Itr/0.64式中，Ttr為晶閘管的反向阻斷恢復(fù)時間。反向恢復(fù)電荷決定了閥串中每個晶閘管所承受的阻斷電壓值。當晶閘管僅流過反向漏電流Ir時，即恢復(fù)了反向阻斷特性，此時觀點過程結(jié)束，由動態(tài)均壓轉(zhuǎn)為靜態(tài)均壓。由此可見，反向恢復(fù)是晶閘管關(guān)斷過程中電壓非陪不均的主要原因。為此，動態(tài)均壓采用了與晶閘管并聯(lián)阻容來解決。設(shè)置晶閘管SCR1的反向恢復(fù)電荷為Qr1其余晶閘管的反向恢復(fù)電荷為Qr2，并且Qr1﹥Qr2，△Qr=Qr1=Qr2。由于Qr1最大，在關(guān)斷過程中，SCR1承受的電壓最高，為Um=Qr1/C。其余各晶閘管的電壓分配值為U=Qr2/C=（Qr1－△Qr）/C?？傠妷簽椋篣p=Qr1/C+（n－1）（Qr1－△Qr）/C=nUm－（n－1）△Qr/C=Up/K（n－1）△Qr/C由此式可以推出動態(tài)均壓電容的電容值：C=（n－1）Qr/[Up（1/K－1）]按此式計算并通過實驗，本裝置最終選取：C=0.47μF動態(tài)均壓電阻主要用于限制均壓電容C的放電電流，并防止電路產(chǎn)生寄生振蕩，其值和功耗按經(jīng)驗選?。篟為25Ω、75W電阻。圖2-10晶閘管關(guān)斷時的波形在晶閘管的參數(shù)選取中，應(yīng)十分注意在同一閥串中盡量選擇漏電流、反向恢復(fù)電荷及門極觸發(fā)特性一致或接近的晶閘管。在較長時間的工業(yè)運行中，證明上述均壓措施和參數(shù)選取式正確的。均壓參數(shù)K達到0.95。3風(fēng)機的基本特性及調(diào)速原理3.1風(fēng)機的發(fā)展概況與使用趨勢.風(fēng)機被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、民用生活中的各個領(lǐng)域。小到民用生活的排氣扇，大到工業(yè)生產(chǎn)中的各種類型，各種功用的通風(fēng)機、高溫風(fēng)機。工業(yè)生產(chǎn)與民用生活中使用了大量風(fēng)機和水泵，它們的用電量占整個國民經(jīng)濟用電量的70%以上。用恒速電動機驅(qū)動風(fēng)機和水泵，需根據(jù)季節(jié)、時間或生產(chǎn)狀態(tài)對負載進行調(diào)整時，就要同時調(diào)整閥門或風(fēng)門，使之與負荷的變化相適應(yīng)。但是采用這種方法，系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的能量并沒有減少，電動機輸出功率基本沒有改變。雖然閥門或風(fēng)門的輸出量達到了工況要求，但是能量有效應(yīng)的比例減少，而損耗增加。在這種情況下，不會有節(jié)能、節(jié)電效果。如果對電動機進行速度控制，因為所需動力與扭矩的3次放成比例的減少，從而能實現(xiàn)大幅度的節(jié)能，節(jié)電效率可達到20%～60%。3.2風(fēng)機基本特性3.2.1風(fēng)機屬于平方轉(zhuǎn)矩類型負載，在額定轉(zhuǎn)速運行的特性曲線如圖3-1所示圖3-1風(fēng)機特性曲線（β=900）H-Q曲線：當轉(zhuǎn)速為恒定時，表示風(fēng)壓與風(fēng)量間的關(guān)系特性。P-Q曲線：當轉(zhuǎn)速為恒定時，表示功率與風(fēng)量間的關(guān)系特性。η-Q曲線：當轉(zhuǎn)速恒定時，表示風(fēng)機的效率特性。3.2.2風(fēng)機在運行時，一定轉(zhuǎn)速的風(fēng)機產(chǎn)生的離心壓力作用在一個截面上時，介質(zhì)在單位時間內(nèi)的通過量，即為流量。風(fēng)機在運行時，通過風(fēng)機壓力和管網(wǎng)阻力的共同作用，出現(xiàn)一個穩(wěn)定的流量輸出，稱之為工況點，其特性曲線如圖3-2所示。圖3-2風(fēng)機運行工況點M——工況點R——管網(wǎng)的阻力曲線H——風(fēng)機壓力曲線3.3風(fēng)機的調(diào)節(jié)方法及節(jié)能效果3.3.1①改變管網(wǎng)阻力實現(xiàn)對風(fēng)機輸出的調(diào)節(jié)當管網(wǎng)阻力發(fā)生變化時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速保持不變，風(fēng)壓隨之上升，風(fēng)機運行的工況點將改變，風(fēng)機的輸出流量將隨之發(fā)生變化，其特性曲線如圖3-3所示。圖3-3管網(wǎng)阻力變化時的風(fēng)機流量特性曲線在實際運行中，是通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的開度來實現(xiàn)的，當擋風(fēng)板的開度減小時，管網(wǎng)的阻力隨之增加。擋板的三種開度對應(yīng)R1、R2、R3三種阻力工況，則在風(fēng)機轉(zhuǎn)速不變時，其與風(fēng)機壓力特性曲線分別出現(xiàn)了M1、M2、M3三種工況點。三種工況點對應(yīng)的三個流量Q1、Q2、Q3就是在轉(zhuǎn)速不變時，三種擋板開度所對應(yīng)的流量。調(diào)節(jié)擋板的開度，即可以調(diào)整風(fēng)機輸出流量的多少。②改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對風(fēng)機的風(fēng)量調(diào)整節(jié)改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速時，風(fēng)機的壓力特性曲線隨之改變，當管網(wǎng)阻力不變時，其特性曲線如圖3-4所示圖3-4改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速的特性曲線當風(fēng)機的轉(zhuǎn)速定為n1、n2、n3時，每個轉(zhuǎn)速對應(yīng)其相應(yīng)的壓力特性曲線，在管壓阻力R不變的情況下，工況點隨之改變?yōu)镸1、M2，其對應(yīng)的流量為Q1、Q2。在實際中，采用變頻器方法可達到對風(fēng)機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而在管網(wǎng)阻力不變的情況下調(diào)節(jié)流量。3.3.2當風(fēng)機的額定轉(zhuǎn)速為n1，擋板全開管壓力為R1，額定流量為Q1時，通過調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力和風(fēng)機轉(zhuǎn)速的2種方法，將輸出流量改變?yōu)镼2，起運行工況的差異如圖3-5所示圖3-5管網(wǎng)阻力與風(fēng)機速度調(diào)節(jié)流量時的工況點差異風(fēng)量調(diào)節(jié)方法消耗能量的差異：在上面可以看出，調(diào)節(jié)擋板與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的最大差異在于風(fēng)壓，兩種運行方式風(fēng)機消耗的軸功率差異為：從圖3-5中可以看出，在輸出同等流量的情況下，用擋板調(diào)節(jié)的工況點是M3，運行時壓力為H3，運行時壓力為Hf。用速度調(diào)節(jié)的工況點是M2，運行時壓力為H2?！鱌=Q×△H/（102ηTηF）根據(jù)風(fēng)機功率消耗的相似性理論,得出結(jié)論：用擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量與用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)量對比，隨著實際輸出流量與風(fēng)機額定流量差值的加大，能量的消耗差異也呈平方比例系數(shù)加大。3.4風(fēng)機的節(jié)能效果圖3-6a中風(fēng)機的壓力與風(fēng)量的關(guān)系曲線及圖3-6b中扭矩與電機速度的關(guān)系曲線，充分說明了調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)風(fēng)量法與變頻器控制的調(diào)節(jié)風(fēng)量法的本質(zhì)區(qū)別與節(jié)能效果。（1）電動機恒速運轉(zhuǎn)，由調(diào)節(jié)閥控制風(fēng)量圖3-6a風(fēng)機的壓力與風(fēng)量的關(guān)系曲線圖3-6b扭矩與電機速度的關(guān)系曲

圖3-7

風(fēng)機的運行曲線如圖3-7所示，調(diào)節(jié)閥門的開啟度，R會變化。關(guān)緊閥門，管道阻力就增大。管道阻力由R1變到R2，風(fēng)機的工作點由A點移到B點。在風(fēng)量從Q1減少到Q4的同時，風(fēng)壓卻從H1上升到H5，此時電機軸的功率從P1變化到P2。（2）變頻器調(diào)節(jié)電機的速度來控制風(fēng)量當風(fēng)量由Q1變化到Q4時，便出現(xiàn)圖上虛線所示的特性。達到Q4、H4所需的電機軸功率為P3，顯然P2大于P3，其差值P2-P3就是電機調(diào)速控制所節(jié)約的功率。附電機轉(zhuǎn)速與節(jié)能率的關(guān)系表頻率f(HZ)轉(zhuǎn)速N%風(fēng)量Q%風(fēng)壓H%軸功率P%節(jié)電率50100%100%4590%90%4590%90%4080%80%4080%80%3570%70%3570%70%3060%60%3060%60%36%21.6%78.40%4水泥廠高溫風(fēng)機的變頻調(diào)速設(shè)計4.1變頻器容量的選擇4.1.1通常變頻器主要輸出指標以適用電機功率，輸出容量，額定輸出電流表示。其中，額定輸出電流為變頻器可以連續(xù)輸出的最大交流電流的有效值，不管用于何種用途，都不允許電流最大值超過此值。輸出容量指：三相情況下的額定電壓與額定輸出電路決定的三相視在功率。適用電機功率是以2、4極標準電機為對象，表示在輸出額定電流內(nèi)可以傳動的電機功率，鼠籠式電動機是2極電機即一對電機，變頻調(diào)速系統(tǒng)能很經(jīng)濟地與鼠籠式異步電動機構(gòu)成控制調(diào)速配合使用。常常將變頻器功率選得比實際配用電機功率更大一些。由于變頻器供給電動機是脈動電流，其脈動值比工頻供電時的電流要大，因此須將變頻器的容量留有適當?shù)脑Ａ?。一般令變頻器的額定輸出電流≥（1.05～1.1）的電動機的額定電流（銘牌值）或電動機實際運行中的最大電流。即：I1NV≥（1.05～1.1）IN或I1NV≥（1.05～1.1）Imax式中，I1NV——變頻器額定輸出電流（A）；IN——電動機額定電流（A）；Imax——電動機實際最大電流（A）。如按電動機實際運行中的最大電流來選定變頻器時，變頻器的容量可以適當減少。通常，異步電動機直接起動時，起動電流為其額定電流的5～7倍，直接起動時可按下式選取變頻器：I1NV≥IK/Kg式中，IK——在額定電壓、額定頻率下電動機起動時的堵轉(zhuǎn)電流（A）；Kg——變頻器的允許過載倍數(shù)，Kg=1.3～1.5。4.1.2變頻器容量選擇的注意事項①并聯(lián)追加投入起動用一臺變頻器使多臺電動機并聯(lián)運轉(zhuǎn)時，如果所有電動機同時起動加速可按如上述選擇容量；但是對于一小部分電動機開始起動后再追加起動其他電動機的場合，此時變頻器的電壓、頻率已經(jīng)上升，追加投入的電動機將產(chǎn)生大的起動電流。因此，變頻器容量與同時起動時相比要大些。②大過載容量很多情況下，都要求使用過載容量大的變頻器。通用變頻器過流容量通常多為125%60s或150%60s，需要超過這些值的過流容量時，必須增大變頻器的容量。③注意起動轉(zhuǎn)矩和低速區(qū)轉(zhuǎn)矩兩個指標一般的，使用通用變頻器驅(qū)動電動機時，起動轉(zhuǎn)矩比不用變頻器而直接用工頻驅(qū)動是要小，肯定會由于負載起動轉(zhuǎn)矩特性而使電動機不能起動。還需指出的是：電動機工作在低速區(qū)時，其轉(zhuǎn)矩一般要小于額定轉(zhuǎn)矩。如果初步選擇的變頻器和電動機不能滿足負載所要求的起動轉(zhuǎn)矩和低速區(qū)轉(zhuǎn)矩時，變頻器的容量和電動機的容量可再加大，例如，在某一速度，需要初步選定的變頻器和電動機的額定轉(zhuǎn)矩70%的轉(zhuǎn)矩時，與輸出特性虛線比較可知，僅能得到50%的轉(zhuǎn)矩，則變頻器和電動機的容量都要從新選擇，為初選容量的1.4倍以上。4.2變頻器輸出電壓和輸出頻率的選擇4.2.1輸出電壓變頻器輸出電壓可按電動機額定電壓選定。按國家標準，可分成220V系列和400V系列兩種。對于3KV的電壓電動機使用400V級的變頻器，可在變頻器的輸入側(cè)設(shè)輸入變壓器、在輸出測安裝輸出變壓器，將3KV先將為400V，再將變壓器的輸出升到3KV。4.2.2輸出頻率變頻器的最高輸出頻率對于不同的機種有不同的值，最高頻率有50、60、120、200HZ或更高。變頻范圍在0～50HZ的變頻器，一般調(diào)速范圍在0～額定轉(zhuǎn)速之間，大容量通用變頻器均屬于此類。最高輸出頻率超過50HZ以上變頻器由于輸出電壓不變并為恒功率特性，要注意在高速區(qū)的轉(zhuǎn)矩的減小。4.3變頻器選型及說明變頻器所使用的是GY-JCS-10KV/400KW高壓變頻器。4.3.1特征(1)高檔的GY系列中含有全中文操作界面，基于Windows操作平臺，彩色液晶觸摸屏，便于就地監(jiān)控、設(shè)定參數(shù)、選擇功能和調(diào)試；(2)變/工頻切換裝置可按用戶選用配備；(3)高壓主電路與低壓控制電路采用光纖傳輸、安全隔離，系統(tǒng)抗干擾能力強；(4)控制電路通訊方式采用全數(shù)字化通訊,簡單、可靠；(5)系統(tǒng)的整流單元、逆變單元的設(shè)計,選用組合模塊化積木結(jié)構(gòu),整機占地面積小、重量輕，便于安裝、維護；(6)高檔的系統(tǒng)控制采用專用的工業(yè)控制計算機，結(jié)合PLC可編程控制技術(shù)，使電動機在變頻運行時變流量調(diào)節(jié)更平滑、穩(wěn)定，實時過程控制自動化程度高；(7)裝置可在本機上操作，也可實現(xiàn)遠距離外控，具備完善、方便的操作功能選擇(8)系統(tǒng)具有標準的計算機通訊接口RS-232或RS-422、RS-485，可方便地與用戶DCS系統(tǒng)或工控系統(tǒng)組態(tài)建立整個系統(tǒng)的工作站，進一步提高系統(tǒng)的自動化控制水平，實現(xiàn)整個工控系統(tǒng)的全閉環(huán)監(jiān)控，從而實現(xiàn)更加完善、可靠的自動化運行；(9)具備全面的故障監(jiān)測、可靠的故障報警保護功能；(10)輸入功率因數(shù)高，輸出電壓諧波含量小，無需功率因數(shù)補償和諧波抑制器；(11)輸出電壓為標準正弦波形，變頻器輸出至電動機的線纜長度可達20KM。

4.3.2見表4-1所示。表4-1JCS（6000V）技術(shù)參數(shù)型號JCS315355400450500560630輸出適用電機功率（KW）315355400450500560630額定容量（KVA）410460510580650730820額定電流（A）40455056637179型號JCS7108009001000112012501400輸出適用電機功率（KW）7108009001000112012501400額定容量（KVA）920103011701300146016301820額定電流（A）89100113126141157176型號JCS1600180020002240250028003150輸出適用電機功率（KW）1600190020002240250028003150額定容量（KVA）2100235026102930327036604120額定電流（A）202227252282315353397型號JCS3550400045005000560063007100輸出適用電機功率（KW）3550400045005000560063007100額定容量（KVA）4640523058906540733082509300額定電流（A）447504567630706794895過載能力ZLM型；100%連續(xù)；120%Ie分鐘輸出電壓、頻率三相0～6KV；0.5～60HZ；據(jù)需要可增大為120HZ輸入相數(shù)、電壓、頻率三相；6KV；50/60HZ允許波動電壓：-10%，-15%；頻率：±5%4.3.3由圖4-1可見，系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再經(jīng)逆變器變頻變壓，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。圖4-1

IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器主電路原理圖IGBT功率器件直接串聯(lián)的二電平電壓型高壓變頻器是采用低壓變頻器已有的成熟技術(shù)，應(yīng)用獨特而簡單的控制技術(shù)成功設(shè)計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、效率達98％的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。4.4變頻器主電路的設(shè)計經(jīng)過對原系統(tǒng)進行分析，對原系統(tǒng)的風(fēng)壓控制由原來的液力耦合器調(diào)節(jié)改為變頻器調(diào)節(jié)，即取消原液力耦合器，將電機與液力耦合器之間用一連接軸取代液力耦合器連通，而由變頻器對電機本身進行調(diào)速，最后達到調(diào)整窯尾預(yù)熱器（高溫風(fēng)機入口）的壓力為工況要求值。

變頻器采用直接高壓變頻器，接入用戶側(cè)高壓開關(guān)和擬改造電機之間，變頻器控制接入原有的DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)來完成正常操作。為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在故障時將電機切換至工頻狀態(tài)下運行，且切換方式為自動切換。變頻器故障時，電機自動切換到工頻運行，這時風(fēng)機轉(zhuǎn)速會升高，風(fēng)壓會發(fā)生很大變化，影響窯內(nèi)物料的煅燒質(zhì)量，故此時應(yīng)及時在DCS上對高溫風(fēng)機的風(fēng)門進行及時調(diào)節(jié)，降低風(fēng)機輸出風(fēng)量至工況要求值。其主電路接線圖如圖4-2所示。圖4-2主電路的接線圖在主電路硬件系統(tǒng)設(shè)計中，采用了一臺變頻器連接1臺電動機，并使其具有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)，電機通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)。變頻器輸入電源前面接入一個高壓斷路器，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護接通，高壓斷路器的容量依據(jù)電機的額定電流來確定。由于具有變頻/工頻兩種狀，所以還需要在工頻電源下面接入熱繼電器，來實現(xiàn)電機的過流過載保護接通，熱繼電器的容量依據(jù)額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當選擇。變頻器主電路電源輸入端子（R、S、T）經(jīng)過高壓斷路器與6KV電源連接，變頻器主電路輸出端子（U、V、W）經(jīng)接觸器接至高壓電動機上，當旋轉(zhuǎn)方向預(yù)設(shè)定不一致時，需要調(diào)換輸出端子（U、V、W）的任意兩相。特別是對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的電動機，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻／工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子來操作，不得以主電路的通斷來進行。4.4.1（1）高壓開關(guān)切換柜它有高壓隔離開關(guān)、高壓熔斷器、高壓真空接觸器以及電壓互感器、電流互感器等構(gòu)成。本柜的隔離開關(guān)與原控制開關(guān)相互互鎖，避免同時投入的可能，以保證設(shè)備的安全；高壓真空接觸器控制高壓變頻器的供電，在變頻器發(fā)生故障、需要停機時，由高壓真空接觸器切斷電源。（2）整流柜由六組共42只晶閘管及其均壓電路、觸發(fā)單元、橋臂電抗器等組成。每個橋臂由七只200A、4000V晶閘管串聯(lián)組成，橋臂電抗器的作用是限制晶閘管短路時的di/dt。整流橋?qū)⑷喔邏航涣麟娮兂煽煽氐母邏褐绷麟?。?）逆變柜逆變柜的結(jié)構(gòu)與整流柜完全相同，并可互相使用。其作用是將直流電變?yōu)轭l率可控的三相交流電，經(jīng)高壓隔離開關(guān)直接供電給同步電動機。（4）勵磁柜勵磁柜是由勵磁變壓器（380V/100V）和三相全控整流橋組成。它與遠勵磁系統(tǒng)通過雙開關(guān)切換、勵磁柜直接向同步電動機的轉(zhuǎn)子提供所需的勵磁電流。（5）控制柜主要有控制系統(tǒng)硬件以及操作控制器等組成?？刂葡到y(tǒng)硬件包括以80C196KB微機為核心的數(shù)字控制電路、電流調(diào)節(jié)器等模擬控制電路以及可編程程序控制器等。以8C196KB微機為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)配以8路雙極性A/D以及可隨意配置的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。數(shù)值控制電路配備RS232和多路二進制I/O，分別接受來自PC和PLC的命令，此外，硬件電路還設(shè)有監(jiān)視電路，主要監(jiān)視電源和系統(tǒng)是否嚴重過流、欠壓、過壓。PLC作為上位機，監(jiān)控數(shù)字電路以及外圍操作回路的各種接節(jié)點命令。而PLC主要用于數(shù)字電路控制電路通信。（6）操作臺設(shè)在控制室內(nèi)值班操作人員使用，對系統(tǒng)實施起動、停止、調(diào)速等遠程控制并監(jiān)控電壓、電流、轉(zhuǎn)速以及就緒、報警、運行、停車等信號。其控制與控制柜等效，通過“內(nèi)、外控”開關(guān)切換。除上述柜裝設(shè)備外，同步電動機直接高壓變頻器還包括下列設(shè)備：交流進線電抗器：接于整流器的輸入端。其作用是限制晶閘管的di/dt開通時的du/dt;減少變頻器運行時諧波對電網(wǎng)的公害：限制變頻器的短路電流，保護晶閘管的安全。直流平波電抗器：接于逆變器和整流器之間，其主要作用時平滑直流電流，供給逆變器。光電編碼器：它裝于電機軸上。電機每轉(zhuǎn)一周，它發(fā)出2084個脈沖，這些脈沖經(jīng)過處理，作為控制系統(tǒng)的速度反饋信號。轉(zhuǎn)子位置監(jiān)測器；他由一個裝在電機軸上的圓盤和三只光電式接近組成。原盤在響應(yīng)磁極的位置開有180o電角度的缺口，接近開關(guān)在原盤軸向外側(cè)以120o電角度依次安放。當原盤隨電動機轉(zhuǎn)動時，接近開關(guān)可以得到三個相位差120o電角度，通斷周期為180o電角度的矩形波脈沖，作為控制逆變器的觸發(fā)脈沖的指令信號。4.4.2主電路（1）高壓斷路器QF用于電源回路的開閉，并且在出現(xiàn)過流或短路事故時自動切斷電源，以防事故的擴大。若需要接地保護，也可以采用漏電保護式斷路器。因為QF具有過電流保護功能，為了避免不必要的誤動作，取IQN≥（1.3～1.4）IN式中IQN——斷路器的額定電流；IN——變頻器的額定電流。從表4-1中得知IN=202A，則IQN≥（1.3～1.4）×202A≥262.6A～282.8A（2）電磁接觸器KM用電源的開閉，在變頻器保護功能起作用時，切斷電源。對于電網(wǎng)停電后的復(fù)電，可以防止自動再投入以保護設(shè)備的安全及人身安全。選擇時，IKN≥IN式中IKN——觸點的額定電流。即：IKN≥202A（3）交流電抗器AL交流電器除了提高功率因數(shù)以外，還有以下功能：1）削弱由電源側(cè)短暫的尖峰電壓引起的沖擊電流.2）削弱三相電源電壓不平衡的影響。在只接交流電抗器的情況下，可將功率因數(shù)提高到0.85以上。（4）制動電阻單元R用于吸收電動機再生制動的再生電能，可以縮短大慣量負載的自由停車時間；還可以在位能負載下放時，實現(xiàn)再生運行。（5）直流電抗器DL直流電抗器可將功率因數(shù)提高到0.9以上。由于體積小，因此許多變頻器已將直流電抗器直接裝在變頻器內(nèi)。支流電抗器除了提高功率因數(shù)外，還可削弱在電源剛接通瞬間的沖擊電流。（6）\o"壓力"壓力\o"傳感器"傳感器\o"壓力"壓力\o"傳感器"傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用\o"壓電"壓電\o"效應(yīng)"效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)\o"測量"測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。壓力傳感器由一懸臂梁和4個組成全橋電路的應(yīng)變片組成。應(yīng)變片的電阻隨變形大小而發(fā)生線性變化，從而使電橋的兩輸出端點的電位發(fā)生線性變化，該變化經(jīng)放大后輸入給A/D轉(zhuǎn)換電路變成10位數(shù)字量，其數(shù)字量范圍為0～173.4。由于壓力傳感器在0～4MPa內(nèi)保持線性變化(0～3.4V)，所以壓力計算為A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。乘以4/(173.4～0)。4.5變頻器控制電路的設(shè)計控制系統(tǒng)由80C196KB微機為核心的數(shù)學(xué)控制系統(tǒng)、部分模擬電路及PLC構(gòu)成。4.5.1和普通直流電動機基本相同，即電流內(nèi)部環(huán)-速度外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所不同的是直流母線的電流是單向的，在速度調(diào)節(jié)器和直流調(diào)節(jié)之間需要加一個絕對值發(fā)生器。另外，整流橋還受到逆變橋換流信號的控制。整流橋的控制由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器以及移相觸發(fā)、脈沖功放電路等環(huán)節(jié)組成。速度反饋信號取自裝在電動機軸上的光電編碼器，它所產(chǎn)生的測速脈沖輸入80C196KB微機進行計算，得到速度反饋值；電流反饋信號取自交流進線電源電流互感器，經(jīng)過處理后發(fā)送到電流調(diào)節(jié)器。4.5.2逆變橋的觸發(fā)控制逆變橋的觸發(fā)控制是由轉(zhuǎn)子位置檢測器發(fā)出的轉(zhuǎn)子位置信號控制的，其控制由80C196KB微機承擔(dān)，通過對電動機的運行狀態(tài)判別，高、低速判別，零電流判別以及轉(zhuǎn)子的位置判別，在進行Y角分配后發(fā)出逆變橋觸發(fā)脈沖。4.5.3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，各個模塊功能相對單一，通過總線板相互連接。這樣使系統(tǒng)的通用性強，可根據(jù)需要靈活配置，也有利于維護?？刂葡到y(tǒng)各個模塊設(shè)計如下：（1）CPU模塊該模塊采用80C196KB微處理器為核心，構(gòu)成16位數(shù)字控制系統(tǒng)。在充分利用80C196KB微處理器，如：A/D、HIS、HSO、定時器等的餓前提下，配以12路雙極性D/A、以及可根據(jù)需要隨意配置的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。本系統(tǒng)存儲器采用2片32K*8EPROM，數(shù)字存儲器采用帶電RAM。CPU模塊還自帶可裝卸的鍵盤和顯示電源、通過小鍵盤和8微顯示單元，用戶可以方便的修改各種參數(shù)，監(jiān)視運行信息。（2）反饋及匹配模塊由高壓開關(guān)柜中變化的壓力傳感器取樣，信號經(jīng)過電子排送，通過PI調(diào)節(jié)器比較來決定觸發(fā)脈沖的頻率。（3）電流調(diào)節(jié)模塊（4）過流監(jiān)視模塊（5）轉(zhuǎn)子定位檢測模塊（6）整流觸發(fā)模塊（7）數(shù)字觸發(fā)模塊本模塊接收由CPU模塊高速輸出口發(fā)送的六路逆變橋脈沖信號經(jīng)過高頻調(diào)制和功率放大后，傳輸?shù)矫}沖功放板進行逆變橋脈沖的最后處理。（8）脈沖功放模塊（9）電壓監(jiān)視模塊本模塊監(jiān)視±15V控制電源和三相同步電源.（10）儀表接口模塊控制顧和操作臺上裝有相同的三塊儀表:轉(zhuǎn)速表、定子電壓表、定子電流表.有CPU模塊D/A口發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)過本模塊處理后分別送到模擬表頭.（11）晶閘管檢測模塊4.6閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計由于原電機控制為液力耦合器調(diào)速，為了安裝變頻器，必須重新設(shè)計變頻器專用房。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，我們選擇在高壓配電室旁另建一變頻器專用房，此地方距高壓室較近，動力電纜敷設(shè)方便。

利用原先DCS控制電動閥門的4~20MA標準信號，作為變頻器的模擬輸入信號，來控制電動機的轉(zhuǎn)速。另外，考慮到系統(tǒng)中因物料的影響，有時會造成系統(tǒng)風(fēng)壓的不穩(wěn)，為提高整個系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)和跟隨能力，我們將溫度信號取出，作為變頻器調(diào)速的反饋信號，在系統(tǒng)出現(xiàn)塌料等不正常情況時，以便實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的功能。閉環(huán)系統(tǒng)組成框圖如圖4-2所示。閉環(huán)系統(tǒng)的控制流程圖如圖4-3所示。圖4-2閉環(huán)系統(tǒng)組成框圖圖4-3閉環(huán)系統(tǒng)的控制流程圖系統(tǒng)正常工作時，出口風(fēng)壓整定為6個大氣壓，通過UltraStable600壓力傳感器檢測出輸出風(fēng)壓信號P送至控制器并與設(shè)定信號進行比較，由于PI調(diào)節(jié)器輸出信號為G，以此作為驅(qū)動變頻器的調(diào)制信號來控制變頻器，使之輸出某一頻率f和電壓U，來驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為n，此時風(fēng)機給主電動機輸送風(fēng)量為Q。隨著環(huán)境的變化，出風(fēng)口風(fēng)壓也相應(yīng)變化，通過壓力傳感器UltraStable600檢測后輸出壓力信號變化為P＇，并反饋給控制器與設(shè)定信號進行比較，比較后由PI調(diào)節(jié)器輸出的信號也隨之變化為G＇，該信號即作為變頻器調(diào)制信號用來改變變頻器頻率使其輸出頻率f＇,電壓為U＇，此時電動機轉(zhuǎn)速改變?yōu)閚＇,則風(fēng)機風(fēng)量相應(yīng)變化為Q＇。直到其出風(fēng)口風(fēng)壓穩(wěn)定在整定值，達到轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、風(fēng)壓新的平衡，從而閉環(huán)調(diào)節(jié)過程結(jié)束。該系統(tǒng)可實現(xiàn)電機控制方式選擇：停機、工頻控制、自動變頻控制。電機能工頻運行控制，從而保證在變頻器故障的情況下，電動機能夠切換到工頻繼續(xù)運行?？刂扑肮ゎl-變頻”切換的兩臺接觸器的輔助觸點必須相互聯(lián)鎖，以保證可靠切換，防止變頻器UVW輸出端與工頻電源發(fā)生短路而損壞。為杜絕切換時接觸器主觸點意外熔焊、輔助觸點誤動作而損壞變頻器的事故，最好采用兩臺連體、機械和電氣雙重聯(lián)鎖的接觸器，如三菱公司的FX2N型聯(lián)鎖接觸器等。盡管現(xiàn)在變頻器的工作可靠性是高,但對于一些重要的控制場合和設(shè)備來講,裝設(shè)切換盤或自動旁路柜，方便實現(xiàn)工頻/變頻兩種狀態(tài)的相互切換,

可以在變頻器故障停機后自動轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl起動電機。圖4-3a為切換盤電路，圖4-3b

為自動旁路柜電路圖。自動旁路柜電路有手動/自動控制，考慮本系統(tǒng)并不采用手動/自動轉(zhuǎn)換，故本設(shè)計采用切換盤電路。圖4-3a切換盤電路圖4-3b

自動旁路柜電路.交流經(jīng)過整流、濾波后得到一直流電壓，再進行逆變，變成三相可變頻率交流供電。如在變頻器與電動機之間裝了接觸器，可能會給變頻器帶來致命的影響。假定電動機一直處于一定運行速度狀態(tài)，此時要斷開接觸器KM1，由于電動機的電感及反電勢的影響，會感應(yīng)出瞬時高壓，這種高壓經(jīng)過接觸器觸點電弧傳到變頻器逆變部分功率開關(guān)器件上，從而擊穿開關(guān)器件，造成變頻器損壞。故在實現(xiàn)變頻與工頻運行的切換中，采用了軟切換技術(shù)，即如要將變頻運行切換到工頻運行，首先將變頻器輸出頻率從一定值降到零后，風(fēng)機處于停止狀態(tài)，且電動機定子電流為零，此時將接觸器KM1斷開，并投入KM2，實現(xiàn)軟切換。這種切換方式是由變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。4.7系統(tǒng)節(jié)能效果分析在該生產(chǎn)線中，高溫風(fēng)機使用的是6KV高壓同步電動機，拖動功率為1600KW,最高轉(zhuǎn)速為1495r/min。通過對高溫風(fēng)機變頻改造，運行時將風(fēng)門全開，電機的轉(zhuǎn)速一般運行在870

r/min，節(jié)電率約為43%。由于風(fēng)機風(fēng)門全開，改善了管路內(nèi)通風(fēng)狀況，風(fēng)量在自動調(diào)節(jié)時還避免了電壓波動對風(fēng)量的影響，使系統(tǒng)風(fēng)量均衡、工況平穩(wěn)。表5-2給出了采用變頻調(diào)速自動控制改造后與改造前的比較，如下所示。表4-2節(jié)能狀況分析項目投入使用前投入使用后窯喂料量（t/h）170195窯日產(chǎn)量（t）25002900高溫風(fēng)機起動調(diào)節(jié)方式風(fēng)門變頻6KV側(cè)電流（A）1910電機電流（A）1920功率因素0.780.96平均耗電功率（KW）154100起動電流（A）16050運行風(fēng)門/頻率60%40HZ上述數(shù)據(jù)為改造后窯系統(tǒng)產(chǎn)量增加的條件下風(fēng)機耗電對比，由于現(xiàn)在產(chǎn)量提高，風(fēng)機耗電量下降不多，從中可計算出各風(fēng)機相應(yīng)的節(jié)電功率。

高溫風(fēng)機節(jié)電功率：154－100＝54（kW）根據(jù)在其系統(tǒng)調(diào)試和開窯過程中記錄的數(shù)據(jù)，在2500t的產(chǎn)量下，高溫風(fēng)機6kV側(cè)電流為約136A，耗電功率約為1360kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約190kW。按年運行7000小時計算，可推算出兩臺高溫風(fēng)機的節(jié)電量及節(jié)電效益。

窯高溫風(fēng)機：

節(jié)電功率：1550－1360＝190（kW）

年節(jié)電量：190kW×7000小時＝133萬kWh

年節(jié)電效益：133萬kWh×0.5元/kWh＝66萬元

此為估算節(jié)電值。變頻調(diào)速自動控制的另一大收益為提高了窯系統(tǒng)的產(chǎn)量近1.2倍，由此而產(chǎn)生的增產(chǎn)效益是非常大的，節(jié)約能源；運行成本降低；提高了控制精度；降低了噪音。通過這次磨尾排風(fēng)機變頻設(shè)計，在高壓變頻調(diào)速器的應(yīng)用中，需要注意的問題如下：（1）滿足工藝的要求，在使用過程中要保留風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門，以便在管網(wǎng)風(fēng)壓不能滿足生產(chǎn)要求時，對其進行調(diào)節(jié)；（2）為解決維修及故障狀態(tài)下不停機，可通過DCS系統(tǒng)，將高壓隔離開關(guān)QF、QF1、QF2、QF3及變頻調(diào)速器故障信號，通過編程組態(tài)，做一連鎖，可實現(xiàn)變頻器的工頻旁路功能。（3）在開車調(diào)試過程中，盡量不要使設(shè)備頻繁起停，避免因變頻器內(nèi)功率單元模塊的直流電壓過高而引起報警停車；（4）要很好的解決系統(tǒng)的冷卻散熱問題，避免控制柜內(nèi)能量積聚，造成局部過熱而停車；另外，為設(shè)備的運行可靠性考慮，柜體上部的軸流風(fēng)機要選用兩套，一套運行，一套熱備用。

設(shè)計主要技術(shù)指標變頻器容量:2100KVA拖動電機容量:1600KW輸入電壓:6KV電壓允許波動范圍:+5%～+10%輸出電壓:600～6000V過載能力:100%連續(xù),120%Ima