-
關(guān)鍵詞：
高壓變頻裝置
在水泥廠
- 摘要：大功率變頻技術(shù)（尤其是高壓變頻）正在發(fā)展中，到目前為止還沒(méi)有像低壓變頻器那樣有近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工程技術(shù)人員對(duì)其認(rèn)識(shí)也在逐步成熟中。為了技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理地使用好大功率變頻裝置，本文對(duì)其控制方式、技術(shù)性能及適用的工況進(jìn)行系統(tǒng)分析，并就其在水泥廠的使用、選配和應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行闡述。
?
?
?
隨著大功率變頻技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻裝置已越來(lái)越多的被應(yīng)用于工況企業(yè)。水泥廠是個(gè)耗電大戶，近年來(lái)，由于節(jié)能降耗的需要，水泥企業(yè)一些大功率設(shè)備也開(kāi)始采用變頻調(diào)速，應(yīng)用變頻器的設(shè)備日益增多，如：高溫風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)、水泵、圓盤(pán)給料機(jī)、螺旋輸送機(jī)、粉碎機(jī)、皮帶輸送機(jī)及排風(fēng)扇等，用大功率變頻器取代傳統(tǒng)的液力耦合器對(duì)高溫風(fēng)機(jī)、直流裝置對(duì)回轉(zhuǎn)窯的調(diào)速，及閥門對(duì)大型風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。應(yīng)用后不但節(jié)省了電費(fèi)支出，并提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增加了使用上的靈活性，對(duì)不同工藝要求適應(yīng)性更強(qiáng)。尤其對(duì)風(fēng)機(jī)的變頻改造后，改變了過(guò)去以改變開(kāi)度方式來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)壓或風(fēng)量的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，勞動(dòng)強(qiáng)度減輕，調(diào)節(jié)控制的準(zhǔn)確性好，提高了產(chǎn)品的合格率，節(jié)電效果可達(dá)30%-60%。但大功率變頻技術(shù)（尤其是高壓變頻）正在發(fā)展中，到目前為止還沒(méi)有像低壓變頻器那樣有近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工程技術(shù)人員對(duì)其認(rèn)識(shí)也在逐步成熟中。為了技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理地使用好大功率變頻裝置，下面將對(duì)其控制方式、技術(shù)性能及適用的工況進(jìn)行系統(tǒng)分析，并就其在水泥廠的使用、選配和應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行闡述。
1、大功率變頻器結(jié)構(gòu)形式
大功率變頻器按主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為“高-低-高”式變頻器、“高-低”式變頻器、“高-高”式變頻器。“高-高”式又分為電流型、中性點(diǎn)鉗位的三電平電壓型和單元串聯(lián)多電平電壓型。其中：“高-低-高”式變頻器，由于兩側(cè)均需大型變壓器，損耗高，變頻系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)負(fù)載能力將下降，諧波較大等缺點(diǎn)，使其發(fā)展受到限制。“高-高”電流型變頻器，一般為兩電平結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)承受的du/dt較大，且需均壓和緩沖電路，技術(shù)復(fù)雜，器件較多，裝置體積大，調(diào)整和維修都比較困難，功率因數(shù)較低，并隨負(fù)載變化而變化，不好補(bǔ)償，輸出諧波和共模電壓對(duì)電機(jī)的影響等問(wèn)題，電機(jī)需降額使用和加強(qiáng)絕緣。其優(yōu)點(diǎn)是不需外加電路就可將負(fù)載的再生能量回饋電網(wǎng)。目前，主要應(yīng)用于超大功率場(chǎng)合。
由于上述所敘原因，目前，水泥廠在大功率變頻器選用上，較少采用“高-低-高”式和高壓電流型變頻器，一般采用“高-低”式、三電平電壓型和多電平電壓型變頻器。
（1）“高-低”式結(jié)構(gòu)中變頻器為低壓，電源輸入側(cè)采用變壓器將高壓變?yōu)榈蛪骸Ｓ捎诓捎玫蛪鹤冾l器，變頻器的容量受到限制，電動(dòng)機(jī)需采用專門的變頻低壓電機(jī)，其電壓等級(jí)一般為690V，水泥廠800KW以下的設(shè)備采用這種結(jié)構(gòu)形式較多。但該類型變頻器一旦故障，電機(jī)不能投入工頻電網(wǎng)運(yùn)行，且產(chǎn)生的諧波較高。
（2）中性點(diǎn)鉗位的三電平電壓型變頻器。其整流電路常采用１２脈沖或24脈沖二極管整流結(jié)構(gòu)，逆變部分采用IGBT或IGCT，在逆變器部分采用鉗位電路，解決了功率器件的串聯(lián)的問(wèn)題，并使相電壓輸出具有三個(gè)電平。該變頻器的主回路結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)少，與二電平結(jié)構(gòu)相比，其逆變器件承受的電壓降低，輸出電壓波形也有較大的改善。三電平電壓型變頻器效率較高，動(dòng)態(tài)性能較好，過(guò)載能力較強(qiáng)。其不足是雖然通過(guò)網(wǎng)側(cè)配置，可實(shí)現(xiàn)或24脈沖整流，減少網(wǎng)側(cè)諧波，但du/dt仍較大，電動(dòng)機(jī)電流總諧波仍可達(dá)１７％以上，所以一般需配特殊電機(jī)，若要使用普通電機(jī)，必須附加輸出濾波器。另外，其現(xiàn)在最高輸出電壓只能做到4.16KV，采用這種變頻器，必須采用變通的方法，改變電機(jī)的電壓或在輸出側(cè)加升壓變壓器，這是制約其使用的最大問(wèn)題。
（3）單元串聯(lián)多電平電壓型變頻器。其采用多個(gè)低壓PWM變頻單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓,電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)隔離變壓器降壓后給功率單元供電,單相變頻功率單元在輸出端串聯(lián)起來(lái),實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出,直供高壓電動(dòng)機(jī)。
這種變頻器輸入側(cè)變壓器采用多相移位技術(shù)，輸出側(cè)采用多電平正弦PWM技術(shù)，諧波較低，在無(wú)輸出濾波器的情況下，就可使THD<1％，其單元串聯(lián)的數(shù)量決定輸出電壓的等級(jí)，所以它可適用于任何普通的高壓電動(dòng)機(jī)。雖然采用這種結(jié)構(gòu)會(huì)使器件的數(shù)量增加，但由于驅(qū)動(dòng)功率下降，開(kāi)關(guān)頻率較低且不必采用均壓電路，系統(tǒng)的效率仍可達(dá)97%，功率因數(shù)可達(dá)0.95以上。另外，在某個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)退出系統(tǒng)，而其余的功率單元可繼續(xù)保持電機(jī)的運(yùn)行，減少停機(jī)時(shí)造成的損失，便于冗余設(shè)計(jì)，技術(shù)上較成熟。< p="">
其缺點(diǎn)是只能單象限運(yùn)行，不能進(jìn)行旁路切換，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)熔斷器設(shè)計(jì)，器件的數(shù)量多，體積大，可靠性差。并且變壓器必須和變頻器集成在一起，使電氣室的空間和散熱成為問(wèn)題。
由于其他高壓變頻器受技術(shù)條件的局限，目前，在通用型高壓變頻器領(lǐng)域單元串聯(lián)多電平變頻器仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
2、大功率變頻器在水泥廠的使用
2.1水泥廠大功率變器類型的選擇
水泥廠需要變頻調(diào)速的大功率設(shè)備,主要是高溫風(fēng)機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、立磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯頭余風(fēng)風(fēng)機(jī)及窯尾排風(fēng)機(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備功率一般在200KW以上，如按正常選型，一般采用電壓等級(jí)為6KV或10KV中壓電機(jī)，當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)應(yīng)按下列方法匹配較為合適。
回轉(zhuǎn)窯、窯頭余風(fēng)風(fēng)機(jī)及窯尾排風(fēng)機(jī)等設(shè)備一般功率在800KW以下,如果調(diào)速采用中壓等級(jí)的變頻器，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是不太合理的，因?yàn)殡妷旱纳撸冾l器的加工難度和造價(jià)都將大幅度增加。對(duì)這部分設(shè)備，應(yīng)采用“高—低”式結(jié)構(gòu)進(jìn)行變頻調(diào)速。即選擇690V（＞300KW電機(jī)）或380V低壓電機(jī)，變頻器選用低壓變頻器。這樣變頻器即使加上電機(jī)的成套費(fèi)用，比采用高壓變頻方式還要低，而且技術(shù)成熟、維修使用方便，變頻器選擇范圍也較大。
采用“高—低”結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意諧波問(wèn)題。因?yàn)榈蛪鹤冾l器一般為6脈沖結(jié)構(gòu)，其諧波較高，可達(dá)40％以上，為防諧波對(duì)電機(jī)及設(shè)備的危害，應(yīng)選擇專用變頻電機(jī)，如功率較大時(shí)，應(yīng)考慮采用濾波裝置及諧波抑制措施。
高溫風(fēng)機(jī)、立磨循環(huán)風(fēng)機(jī)等設(shè)備，功率較大，宜采用中壓“高—高”變頻器調(diào)速。若采用三電平電壓型變頻器，應(yīng)采用變通的辦法，用“高—中—中”的方式，即將輸入電壓降壓為3～4.16kV，電機(jī)選用3～4.16kV電機(jī)，使用3～4.16kV的變頻器，采用這種方式，由于電動(dòng)機(jī)電流總諧波仍達(dá)１７％以上，電機(jī)應(yīng)采用專用變頻電機(jī)，并應(yīng)考慮采用抑制諧波的手段。如采用單元串聯(lián)多電平電壓型變頻器，可直接選用6KV變頻器（盡量不用10KV等級(jí)），電機(jī)采用普通6KV電機(jī)即可，但應(yīng)注意空間和冷卻問(wèn)題。
在控制方式的選擇上,應(yīng)根據(jù)負(fù)載特性，以滿足使用要求為準(zhǔn)，以便做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。對(duì)于回轉(zhuǎn)窯類重負(fù)載啟動(dòng)設(shè)備，其啟動(dòng)時(shí)需克服巨大慣性，有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要求，宜采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器，使其在低速運(yùn)行時(shí)具有直接轉(zhuǎn)矩控制，在正常運(yùn)行時(shí)具有恒功率控制特性。對(duì)高溫風(fēng)機(jī)、立磨循環(huán)風(fēng)機(jī)等設(shè)備，其成平方轉(zhuǎn)矩特性，即轉(zhuǎn)矩隨速度平方變化的負(fù)載，一般可選用通用型U/f控制變頻器（即VVVF變頻器）。
離心風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用：某些水泥廠是采用高壓離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行的供風(fēng)，該種水泥窯的風(fēng)量調(diào)節(jié)以往也是通過(guò)風(fēng)門開(kāi)啟度對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)離心風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速改造同樣有巨大的節(jié)能潛力。這是因?yàn)殡x心式風(fēng)機(jī)設(shè)備的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此在調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，如：降低20%的風(fēng)量，功耗則會(huì)下降50%，但是必須注意，轉(zhuǎn)速與壓力是成平方關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降20%時(shí)，壓力則會(huì)下降60%，因此必須注意工藝要求的壓力范圍不能向羅茨風(fēng)機(jī)那樣，不用考慮轉(zhuǎn)速與風(fēng)壓的關(guān)系。
選粉機(jī)上的應(yīng)用：傳統(tǒng)的選粉機(jī)是電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)（滑差電機(jī)）拖動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、有一定的調(diào)速范圍，缺點(diǎn)也較多，電機(jī)本體噪音高、振動(dòng)大、能耗高、功率損耗大、軸承故障率特高，滑差控制儀安裝于粉塵飛揚(yáng)的電機(jī)旁邊，多次出現(xiàn)帶負(fù)荷起動(dòng)，不能調(diào)速和突然失速等故障，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量大，影響整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
2.2變頻器容量的合理選配
變頻器容量選定過(guò)程，實(shí)際上是變頻器與電機(jī)的最佳匹配過(guò)程，最常見(jiàn)、也較安全的辦法，是按變頻器生產(chǎn)廠家要求，即變頻器的功率應(yīng)大于或等于電動(dòng)機(jī)額定功率的1.1倍。但水泥廠設(shè)備選型時(shí)，所選能力都比實(shí)際需要作了放大，拖動(dòng)電機(jī)又在所選設(shè)備基礎(chǔ)上留有一定的裕量，這樣在實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)行負(fù)荷常常只有額定裝機(jī)功率的60～70%。所以合理的選擇方法應(yīng)以設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算和分析，決定變頻器的容量。這不僅能節(jié)省投資，而且本身也是一種節(jié)能降耗的措施。根據(jù)資料和經(jīng)驗(yàn)，可按下列方法選配：
（1）電機(jī)實(shí)際功率確定法。首先測(cè)定電機(jī)的實(shí)際功率，以此來(lái)選用變頻器的容量。
（2）公式法。安全系數(shù)取1.05，則變頻器的容量為：
Pb=1.05Pm/hm×cosy（kW）
式中，Pm為電機(jī)負(fù)載，hm為電機(jī)效率，cosy電機(jī)功率因數(shù)。
（3）按電機(jī)的實(shí)際功率選擇變頻器，一定要注意：①電機(jī)加載后總的負(fù)荷電流不得超過(guò)變頻器的額定電流；②負(fù)載峰值電流不得超過(guò)變頻器的過(guò)載量。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，變頻器的容量最小不得小于電機(jī)容量的65%。
在下列情況下使用普通變頻器還須增大變頻器的容量，一般向上放大一檔：①起動(dòng)時(shí)機(jī)械慣量較大的負(fù)載；②要求電動(dòng)機(jī)頻繁進(jìn)行加、減速；③在希望的加減速時(shí)間內(nèi)，電機(jī)最大電流大于變頻器的過(guò)載容量（當(dāng)1min內(nèi)達(dá)1．5倍額定電流時(shí)）。
2.3水泥廠變頻器使用時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題
（1）使用環(huán)境。變頻器的額定容量是針對(duì)一定的使用環(huán)境而標(biāo)出的，變頻器工作溫度一般要求為0℃～55℃，最好控制在40℃以下，相對(duì)濕度應(yīng)控制在20％～90％。變頻器對(duì)環(huán)境溫度要求較高，同時(shí)它又是發(fā)熱量較大的設(shè)備，水泥廠在使用大功率變頻器時(shí)，在考慮降溫時(shí)，一定要考慮變頻器的發(fā)熱，一般按變頻器容量的3～4%的功率核算變頻器的發(fā)熱量。
變頻器的額定電流是基于一定的海拔高度、額定電壓、額定載波頻率制定的，若超出規(guī)定，將造成變頻器降容使用。水泥廠在變頻器選型時(shí)應(yīng)按下述方法修正容量：當(dāng)海拔高度高于1Km時(shí)，每增加1Km,變頻器額定電流應(yīng)相應(yīng)降低6%左右；輸入電壓每增加2%,變頻器額定電流應(yīng)按4%向下降修正，載波頻率高于額定載波頻率時(shí)，也應(yīng)對(duì)額定電流作相應(yīng)修正。
（2）變頻器的外部配置。為防止操作過(guò)電壓，變頻器與電機(jī)間不宜裝設(shè)接觸器；變頻器內(nèi)部整流電路前若沒(méi)有快速熔斷器，變頻器與電源之間應(yīng)外配符合要求的快速熔斷器，不能用空氣斷路器代替熔斷器。
（3）設(shè)計(jì)施工時(shí)，變頻器配線應(yīng)該注意以下幾方面：①嚴(yán)禁將輸出端子接到工頻電源上，以免損壞變頻器。②至電機(jī)的連接電纜應(yīng)采用屏蔽電纜或鎧裝電纜（最好采用專用變頻電纜），穿金屬管敷設(shè)；截?cái)嚯娎|的端頭應(yīng)盡可能整齊，未屏蔽的線段盡可能短；電纜的長(zhǎng)度應(yīng)限制在各變頻器規(guī)定的距離以內(nèi)，為防諧波漏電流的影響，至電機(jī)的接地線應(yīng)直接連接到變頻器相應(yīng)的接地端子上，接地線不得與其他動(dòng)力設(shè)備共用。③如變頻器由外部信號(hào)控制，控制線需要使用屏敝線，該線應(yīng)在變頻器側(cè)就近接地端子接地，在強(qiáng)干擾環(huán)境中，頻率控制信號(hào)可由電壓控制方式改為電流控制方式。④變頻器的各種接地在沒(méi)匯到接地匯流排前，彼此間應(yīng)絕緣，避免接地干擾。
2.4轉(zhuǎn)矩提升功能的選擇
在采用VVVF通用變頻器時(shí)，應(yīng)注意轉(zhuǎn)矩提升曲線的設(shè)定，轉(zhuǎn)矩提升選得過(guò)小會(huì)使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足，啟動(dòng)困難；選得過(guò)大，電動(dòng)機(jī)磁通飽和損耗將相應(yīng)增加。對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的負(fù)荷，轉(zhuǎn)矩提升曲線應(yīng)設(shè)定的大一點(diǎn)，對(duì)風(fēng)機(jī)類負(fù)載應(yīng)設(shè)定小一些。
3、結(jié)束語(yǔ)
在水泥廠工程中推廣使用大功率變頻器，帶來(lái)的不僅是節(jié)能所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益，還有其他的附加效益：通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，降低了啟動(dòng)電流，避免了啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)壽命；采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠耐用的鼠籠電機(jī)，從而降低了電動(dòng)機(jī)的價(jià)格、維護(hù)工作量及費(fèi)用；水泥廠排風(fēng)系統(tǒng)中粉塵含量較大，對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的風(fēng)機(jī)及檔板磨損很大，采用變頻調(diào)速后，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，檔板全開(kāi)，磨損大大減少，延長(zhǎng)了使用壽命，降低了設(shè)備檢修費(fèi)用；通過(guò)轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)壓及風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，扣件簡(jiǎn)單靈活，反應(yīng)時(shí)間快，易與DCS系統(tǒng)構(gòu)成自動(dòng)控制回路，提高了自動(dòng)化控制水平。所以在水泥廠采用高壓變頻器是不可避免的趨勢(shì)，希望通過(guò)本文對(duì)大功率變頻器的一些介紹及探討，對(duì)設(shè)計(jì)人員應(yīng)用大功率變頻器時(shí)能有所幫助，在實(shí)際工程中科學(xué)、合理的應(yīng)用大功率變頻器，讓大功率變頻器為水泥行業(yè)的節(jié)能增效發(fā)揮出更好的功效與優(yōu)勢(shì)。
