IPER艾帕高壓變頻器在水泥行業的應用

上海艾帕電力電子有限公司 竺偉
摘要：本文主要論述水泥廠風機采用高壓變頻調速的必要性、可行性、經濟性和實際運行經驗。對高壓變頻調速裝置的選擇，使用提出了一些建議，供水泥廠應用時參考。
一、概述
長期以來，我國政府對節能工作十分重視，我國能源節約與資源綜合利用“十五”規劃提出高壓大功率變頻調速作為重點發展的節電技術之一，要求大力推動高壓大功率變頻調速示范工程。
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，而電動機電耗就占成本近30％，而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。目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，可以既滿足生產要求，又達到節約電能，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。因此，在水泥廠風機采用變頻調速技術，能提高節約大量能源，提高生產效率，為水泥廠帶來較大的經濟效益和社會效益。根據具體情況，風機采用變頻調速后，節電率在30%-50%范圍內，通常1年半到2年左右內可收回變頻器的設備和其它安裝等附加費用等總投資。
二、傳統擋板調節存在的問題
風機傳統的調節方式是調節入口擋板的開度，以此來調節風量，是一種經濟效益差、能耗大、設備損壞嚴重、維修難度大、運行費用高的落后辦法。主要存在以下問題：
1. 采用擋板調節時，大量的能量損耗在擋板的截流過程中。對風機而言，最有效的節能措施是采用調速來調節流量。由于風機大都為平方轉矩負載，軸功率則與轉速大致成立方關系，所以當風機水泵轉速下降時，消耗的功率大大下降。圖1表示了風機采用各種調節方法時消耗功率與風量關系曲線。其中曲線1為輸出端風門控制時電機消耗的功率，2為輸入端風門控制時電機消耗的功率，3為轉差調速控制(采用滑差電機，液力耦合器)時電動機消耗的功率，4為變頻調速控制時電動機消耗的功率，最下面一條曲線為調速控制時風機實際所需軸功率（即電機軸輸出功率）。可見，在眾多的調節方式中，節能效果最好的是變頻調速。
2. 介質對擋板閥門和管道沖擊較大，設備損壞嚴重。
3. 擋板動作遲緩，手動時人員不易操作，而且操作不當會造成風機震動。擋板執行機構一般為大力矩的電動執行器，故障較多，不能適應長期頻繁調節，調節線性度差，構成閉環自動控制較難，且動態性能不理想。
4. 異步電動機在直接起動時起動電流一般達到電機額定電流的6-8倍，對電網沖擊較大，也會引起電機發熱，強大的沖擊轉矩對電機和風機的機械壽命存在很多不利的影響。也有繞線式電機采用水電阻方式進行起動的，存在設備復雜，可靠性低等缺點。
過去也有水泥廠采用液力耦合器進行調速。液力耦合裝置缺點是體積大、噪聲大、調速范圍窄、效率低、油系統維護復雜。

三、采用變頻調速的優點
1. 變頻調速能節約原來損耗在擋板截流過程中的大量能量，大大提高了經濟效益。
異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機的最為合理的調速方法。
由公式 n＝60f/p（1—s）
可以看出，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速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n2正比；輸出軸功率P與轉速n3正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2
H1/H2＝(n1/n2)2
P1/P2＝(n1/n2)3
當風機風量需要改變時，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在風門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時，當風機低于額定轉速時，理論節電為
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kWh)
式中： n－額定轉速
n′—— 實際轉速
P——額定轉速時電機功率
T——工作時間
以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
2. 采用變頻調速后，可實現軟起動，對電網的沖擊和機械負載的沖擊都不存在了，同時延長了電機和風機的壽命。同時，采用變頻調速后，電機的無功功率通過變頻器直流環節的濾波電容進行了瞬時補償，變頻器的輸入功率因數可大0.95以上。相對電機直接工頻運行而言，功率因數大大改善，對低速電機效果尤為明顯。實現變頻調速后，風機經常在額定轉速以下運行，介質對風機風扇和擋板的磨損，軸承的磨損，密封的損壞都大大降低，減少了維護工作量。電機運行的振動和噪聲也明顯降低。
3. 采用變頻調速后，可以很方便地構成閉環控制，進行自動調節，調節器輸出的4-20mA信號輸到變頻器(或通過通信接口進行控制)，通過變頻器調節電機轉速，可以平穩地調節風量，且線形度較好，動態響應快，使設備在更經濟的狀態下安全穩定運行。
三、艾帕高壓變頻器原理及特點
上海艾帕電力電子有限公司的Innovert系列高壓變頻器(單元串聯多電平PWM電壓源型變頻器)是一種直接高壓輸出電壓源型變頻器。它采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。該變頻器具有對電網諧波污染小，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du/dt，共模電壓等問題，不必設置輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
Innovert系列采用無速度傳感器矢量控制技術（國內首創），全數字控制，具有起動力矩大，轉速精度高，抗電網波動和負載擾動能力強的特點。
其原理如圖2所示（以3KV高壓變頻器為例）。

a)主電路拓撲結構
b)功率單元結構
圖2 單元串聯多電平變頻器原理
電網電壓(如6KV)經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來，中心點相聯，形成Y接結構，另外三端實現變壓變頻的高壓輸出，供給電動機。3KV輸出電壓等級變頻器每相由3個額定電壓為690V的功率單元串聯而成。改變每相功率單元的串聯個數，就可實現不同電壓等級的高壓輸出。6KV變頻器每相由5個功率單元串聯而成，10KV變頻器每相由8個功率單元串聯而成。
每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。對于6KV電壓等級變頻器而言，給15個功率單元供電的15個二次繞組每3個一組，分為5個不同的相位組，互差12º電角度，形成30脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真可達到1%左右，由于輸入電流諧波失真很低，而且采用二極管整流方式，變頻器輸入的綜合功率因數可達到0.95以上。圖3為該變頻器的輸入電壓電流波形。
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du/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，變頻器額定效率可大98.5%,考慮輸入變壓器后的總體效率仍在97%以上。由于采用移相式PWM，電機電壓的等效開關頻率大大提高，且輸出電平數增加，以6KV輸出變頻器為例，輸出相電壓為11電平，線電壓為21電平，輸出等效開關頻率為6KHZ，電平數和等效開關頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機發熱，噪音和轉矩脈動都大大降低，所以這種變頻器對電機沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機。圖4為此類變頻器的輸出電壓，電流波形。

圖3 單元串聯多電平變頻器輸入波形 圖4 單元串聯多電平變頻器的輸出波形
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。
圖5為6KV/1000KVA高壓變頻器的外形照片。

圖5 Innovert高壓變頻器外形照片
五、應用實例
南方某水泥廠于2006年5月在窯尾廢氣處理風機上采用上海艾帕電力電子有限公司生產的Innovert系列高壓變頻調速裝置。到目前為止運行良好，節能顯著。
該窯尾廢氣處理風機為10kV的高壓電機，電機參數如下：
繞線式異步電機，型號：YRKK-630-10 額定功率：800KW 頻率：50HZ 額定電壓：10000V 接線：Y/Y 額定電流：62.21A 轉子開路電壓：1591V 額定轉子電流：307A 轉速：594rpm 功率因數：0.781 絕緣等級：F 防護等級：IP54 蘭州電機廠2004年生產。
變頻器型號：Innovert 10/10-70,額定電壓10KV,額定電流70A，容量1050KVA。
原生產過程中，根據窯內加料多少及窯身轉速，通過調整風門擋板開度對排風機的風量進行調整。由設計裕度較大，正常生產過程中，風門擋板開度較小，風門檔板兩側風壓差較大，造成較大的節流損失。現運行方式為風門擋板全開，通過變頻來調節電機轉速，從而達到調整風量的目的。變頻器控制接入原有的DCS系統，由DCS系統來完成正常操作。變頻器正常運行頻率在40HZ左右。
本次變頻改造前后，我們對相應的運行數據進行了統計，現將部分數據分析如下。
改造前，電動機平均功耗為680kW，改造后平均功耗為410kW，通過變頻改造后功耗下降達270kW。按照年運行330天計算，
年節電量為： 270*24*330=2138,400度
按每度電0.5元，則年節能效益為2138,400 *0.5=106.92萬元
節電率為：270/680=39.7%
現將改造前后風機性能對比列表如下：

本變頻器還同時設計有工頻旁路回路（圖6），萬一變頻器出現故障時，可將電動機自動切至原工頻供電回路，并用原有的水電阻進行起動，以保證電機的正常運轉，而不影響生產。工頻運行時，風機轉速會升高，風壓會發生較大變化，故同時應及時在DCS上對風機的風門進行及時調節，降低風機輸出風量至工況要求值。

圖6 主回路單線圖
六、采用變頻調速應該注意的問題
1. 可靠性方面的考慮。水泥行業連續生產的性質決定了用于水泥廠用的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證安全生產。Innovert系列采用主流的功率單元串聯技術方案，而不是功率器件直接串聯，避免了器件直接串聯帶來的均壓問題，本質上保證了系統的可靠性。同時，產品特有的無速度傳感器矢量控制技術在提高起動力矩和轉速精度的同時，提高了抗電網波動和負載擾動能力，大大提高了可靠性。
2. 變頻器輸入諧波對電網的影響。如果變頻器輸入電流諧波較大(比如傳統的電流源型變頻器)，會產生如下危害：供電系統的繼電保護裝置誤動作，可能導致大面積停電。測量儀器儀表誤差增大，影響計量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置，電子計算機系統及通信設備的正常工作。諧波使電機，變壓器和電容器等用電設備損耗增大，嚴重時會過熱或燒損。Innovert系列高壓變頻器輸入電流諧波失真極小，對電網基本不產生諧波污染，滿足IEEE滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93標準。大，中型水泥廠自動化水平高，大多數采用自動化儀表和計算機控制系統，對用電系統的諧波要求很高，Innovert變頻器在方面有很大的優勢。
3. 變頻器輸出波形對電機的影響。由于水泥廠應用變頻調速很大部分是舊有設備的改造，原有的普通電機是設計成為電網直接運行的，而電網電壓波形基本為正弦波。如果變頻器輸出波形質量不好的話，會對電機產生不良影響。變頻器輸出諧波會引起的電機附加發熱和轉矩脈動，噪音增加，輸出dv/dt和共模電壓會影響電機的絕緣。Innovert系列高壓變頻器由于輸出波形質量好，不必設置輸出濾波器，就可以使用原有的普通異步電機。
七、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。
水泥行業風機采用高壓變頻調速技術，通過上海艾帕電力電子有限公司高壓變頻器的應用實踐證明是必要的、可能的，且經濟效益顯著。
Innovert系列高壓變頻器可靠性高，輸入輸出波形質量好，適合于水泥廠風機的變頻調速，能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
參考文獻
1 竺偉 陳伯時 高壓變頻調速技術 電工技術雜志，1999.3
2 竺偉 陳伯時 周鶴良 趙相賓 單元串聯式多電平高壓變頻器的起源、現狀和展望 電氣傳動 2006.6

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