佳靈水泥行業高壓變頻器技術

我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執行的強制性標準《GB50443-2007水泥廠節能設計規范》是工程建設領域的一項重要節能標準，是實現我國水泥工業節能減排目標的重要舉措，同時為節能設計審查工作提供依據。為提高能源利用效率，加快資源節約型社會建設，根據《中華人民共和國節約能源法》和GB50443-2007的實施，各地區已經出臺相應的節約能源條例，確定了各地市水泥單位產品電耗限額標準（基本標準為新型干法窯每噸水泥綜合電耗120度；機立窯每噸水泥綜合電耗95度），國民經濟生產中的能源消耗大戶——水泥生產企業的節能降耗工作全面展開。

在水泥的生產中，風機大馬拉小車現象嚴重，同時由于工況、產量的變化，系統所需求的風量也隨之變化，大部分風機采用傳統做法，即調節進、出風口閥門的開度來實現，而該方法是以增加風阻、犧牲風機的效率來達到要求的，損耗嚴重。電動機負載電耗就占成本近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，對于一條水泥生產線其中有25%～30%的電能是用于拖動各種類型風機上，風機電動機特別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，高壓風機電動機的變頻調速是降耗增效的主要措施。需要指出的是，對新型干法水泥生產線的6個工藝位置的高壓風機，即：生料磨循環風機、煤磨循環風機、窯頭排風機、窯尾高溫風機、窯尾排風機、水泥磨循環風機進行高壓變頻調速節能改造，將使企業改善工藝，提高調速精度，使生產線設備利用率得到保證，降低設備運行與維護費用，延長電機等設備使用壽命，獲得顯著的經濟效益和社會效益。

新型干法水泥生產線的旋窯內燃燒產生的余熱廢氣，在窯尾高溫風機的作用下，通過預熱器對進入窯尾前的生料進行預熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風機抽出進入廢氣處理（除塵及排出）。均化的生料預熱后在回轉窯內煅燒成熟料，回轉窯內需要合適的氣壓及溫度，才能使煤粉有一定的懸浮時間進行充分燃燒，生料才能在窯內達到很好的熱處理。

窯內因物料的堆積變化很大，所以瞬時氣壓變化頻繁。窯尾高溫風機一方面用來調整窯內氣壓，另一方面回轉窯內鍛燒后的高溫熟料出來有廢氣，廢氣帶灰，通過窯尾高溫風機引出由電收塵器將灰塵進行處理，再將廢氣排掉。由于其工藝上的要求控制窯尾預熱器的壓力，通過DCS的控制來對高溫風機的風量進行調節，因此一般高溫風機的電機一般采用調速控制。

由于水泥廠生產線風機從工藝上對風量、壓力的調節要求，特別的是設備的應用現場水泥生產線粉塵較大，調速機械大多安裝在室外或庫下，環境較為惡劣，高壓變頻器對環境有相對較高的要求，在水泥生產線風機應用的高壓變頻器設備在設計、安裝、運行、維護過程中具有一定的特殊性，比較突出的問題如下：

（1）電網電壓波動等對高壓變頻器運行可靠性影響問題

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。水泥廠一般地處偏遠，供電質量相對不高，對設備的電網適應性問題突出。

（2） 高壓變頻器應用的諧波與干擾影響的問題

變頻器應用的諧波與干擾問題一方面是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。

變頻器應用的諧波與干擾問題的另一方面是外部諧波對高壓變頻器的影響，由于旋窯的主窯直流傳動系統采用直流電機，主電路必然產生較大的諧波，必須采取相應的治理措施，以保證高壓變頻器的輸入電壓穩態總諧波含量THD不超過10%，其中任何奇次諧波均不超過5%,任何偶次諧波均不超過2%,短時（持續時間小于30s）出現的任意一次諧波含量不超過10%。否則對母線其他設備、高壓變頻器等均可能造成運行中的影響與損害。

（3）散熱問題與環境條件

水泥現場粉塵較大，環境相對惡劣，一般高壓變頻器產生約3～4％的損耗發熱需要散熱，高壓變頻器均采用風冷散熱，特別是單元串聯多重化高壓變頻器，復雜而昂貴的進線降壓移相變壓器，驅動元器和連線多。相應長期使用中故障必然多，移相變壓器接點太多，接線復雜，系統的內阻和損耗增大維護復雜且工作量大。變壓器的效率降低，影響了整個系統的效率，并隨負載率的降低效率更要降低。

（4）高溫風機的管道“塌料”問題導致電機過流甚至跳停

《GB50443-2007水泥廠節能設計規范》要求“窯尾高溫風機應采用變頻調速裝置”，而窯尾高溫風機是保證水泥生產線窯內負壓的重要負載，窯尾高溫風機由于“塌料”導致的過負荷是由于在旋窯水泥生產線生產過程中的預熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時就會坍塌脫落，使管道內粉塵濃度增大，阻力增加，負壓升高，使排風機負荷增加。垂直煙道或預熱器內在清結皮或有物料塌料時，同樣也會造成氣流波動，使排風管內氣流紊亂，造成高溫風機過負荷停機，該現象的頻繁出現對高溫風機電動機造成損壞。在實際使用過程中的“塌料”現象，會不定期的導致電機運行電流在極短的時間內超出正常電流的數倍，如使用目前國內外一般廠家的通用型高壓變頻器，可能導致變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風機與水泥生產線的正常運行。

佳靈公司全部自主知識產權、獲得世界專利的IGBT元件直接串聯高壓變頻器（通用高壓變頻器）以優異的技術特性，有效地解決了水泥廠生產線高壓風機變頻調速中存在的各種問題：

（1）電網電壓波動的解決：IGBT元件直接串聯高壓變頻器（通用高壓變頻器）應用了佳靈的核心DSC技術。直接速度控制（DSC）對交流傳動來說是一個最優的電機控制方法，它可以對所有交流電機的核心變量進行直接控制。不需在電動機轉軸上安裝脈沖編碼器來反饋轉子位置信號而具有精確的速度和轉矩的控制技術。

極其關鍵的是控制中不受定子溫度和轉子溫度變化引起對電機參數變化的影響（矢量控制受定子溫度影響變差，直接轉矩控制受轉子溫度影響變差）。DSC開發出交流傳動中前所未有的能力并給所有的應用提供了優秀服務。

在DSC中，定子磁通、轉子磁場和轉速被作為主要的控制變量。以滑差為誤差，以轉矩為調節量，以魯棒性設計控制，確保穩定性和可靠性。高速數字信號處理器與先進的電機軟件模型相結合使電機的狀態每秒鐘被更新4萬次。由于電機狀態以及實際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開關狀態都是單獨確定的。這意味著變頻器可以產生最佳的開關組合并對負載擾動和瞬時掉電、網壓波動等動態變化做出快速響應。在DSC中不需要對電壓，頻率分別控制的PWM調制器。開環動態速度控制精度可以達到閉環磁通矢量控制的精度。DSC靜態速度控制精度為標稱速度的0.1%～04%（50Hz～2Hz），它滿足了絕大多數的工業應用。當要求更精確的速度調節時，可以加裝脈沖編碼器可選件。DSC的開環轉矩階躍上升時間小于 5毫秒，而不帶速度傳感器的磁通矢量控制變頻器的開環轉矩階躍上升時間卻多于100毫秒，與直接轉矩控制同等，轉矩脈動0.3%比直接轉矩控制優。其優良的魯棒性，即可靠性穩定性是無與倫比的。

無與倫比的電動機速度和轉矩控制。IGBT直接串聯高壓變頻器的開環動態速度控制精度與采用閉環磁通矢量控制的變頻器相對應。其靜態速度控制精度通常為正常轉速的0.1%至0.5%，能滿足大多數工業領域的要求。在速度調節精度要求更高的場合，可采用脈沖編碼器。IGBT直接串聯高壓變頻器具有快速轉矩階躍響應，對電網側和負載側的變化具有極快的反應，對失電、負載突變和過電壓狀態易于控制。因此，IGBT直接串聯高壓變頻器有效地解決電網電壓波動問題。

另外，佳靈產品具有對電網電壓的適應范圍寬（－65％～115％Un）、單元故障自動旁路、工頻旁路、瞬時停電再啟動功能、包括相間短路保護功能的完善的保護功能等技術，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，大大提高應用的可靠性。適應水泥生產企業的供電水平，滿足水泥生產線對設備的可靠性要求。

（2） 輸入輸出諧波含量符合國家標準

IGBT直接串聯高壓變頻器在輸入端加了采用無源校正技術，這種技術能對基波進行相移補償或抑制某些指定的諧波。具體方法是在輸入端增加無源元件，以補償濾波電容的輸入電流。在輸入回路中串入電感器，以限制輸入電流的上升速度，延長整流管導通時間，功率因數可以提高到0.9以上。

諧波都被轉移到調制頻率附近。使得輸入端諧波含量THD指標完全符合國家標準。在輸出端采用了電壓正弦波整形器，將高壓變頻器輸出的PWM電壓波形整形為和電網電壓一樣的標準正弦電壓波形。無論變頻器工作在高頻段還是低頻段和電機負載工作在重載或輕載條件中時波形都不變。并在輸出端設有“抗共模技術”世界專利的共模電壓治理器，成為惟有一種解決了高壓EMC問題的高壓變頻器。其輸出端諧波含量指標完全符合國際標準。

輸入電流正弦波技術，提高了功率因素，降低了對電網的干擾，特別是根據電源及負載的情況，輸入端可用多種不同的配置，以符合IEEE519-92的要求。

為避免控制干擾，高壓變頻器的控制線采用屏蔽電纜，單端接地，并且在布線時注意與動力線的距離，避免控制線與動力線并行敷設在同一電纜托架（或線框）內；變頻器負載輸出線需采取屏蔽鎧裝電纜，單端接地，以避免變頻器對附近儀表產生干擾。

（3） 高效率及完善的磁通優化, 解決散熱問題，較其他類型的變頻器多節能5%以上。

IGBT直接串聯高壓變頻器系統效率在98%以上。這一效率大大超過其它變頻系統的效率，其它變頻系統的效率計算，需包括變壓器，功率因數補償裝置，諧波濾波器等的損失。在優化模式狀態，電動機的磁通能自動地與負載對應，保證了高效率，并降低了電動機噪音。由于磁通的優化，根據不同的負載點，電動機和傳動系統的總體效率提高1%到10%。

多重化為得到若干組不同的獨立電壓，變壓器采用延邊三角形法，很難得到三相平衡的移相電壓。這必然形成環流，增大銅、鐵損耗，并且負載變化不大，而數百個變壓器的內外接頭也將增大損耗，降低可靠性。輸入變壓器，降低了效率。應用變頻器是為了獲取節能產生經濟效益為主要目的。IGBT元件直接串聯高壓變頻器（無輸入變壓器）在同等工況多節能5%以上，在更高效的節能設備運用若干年后產生的效益，也是很可觀的。

（4）佳靈“尖峰負荷瞬態控制技術”，有效解決高溫風機的管道“塌料”問題

佳靈技術研發人員經過深入應用現場，了解掌握現場工藝情況，總結現場應用經驗，在用于窯尾高溫風機的高壓變頻器調速控制技術中，推出了針對水泥生產線窯尾高溫風機變頻調速的“尖峰負荷瞬態控制技術”，應用佳靈DCS直接速度控制技術的特點，從設備的硬件設計、控制軟件設計等多方面對高溫風機的不定期的尖峰負荷運行進行全方位針對性的設計改進，有效地避免了其他廠家的通用高壓變頻器在運行中由于“塌料”所導致的反復跳機，與工頻液耦運行相比，降低了跳機的可能性，使安裝了佳靈高溫風機專用變頻器的水泥生產線達到節能又增效，降低電機、風機設備故障率，為水泥企業保證生產安全性、經濟性作出技術與設備保證。過載能力100%Ie連續；可任意設定120%-150％Ie 1分鐘，每十分鐘一個間隔；可任意設定150％Ie、180％Ie、200％Ie立即保護，徹底解決因為管道“塌料”引起的變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風機與水泥生產線的正常運行的問題。

除了以上問題的有效解決，佳靈高壓變頻器在水泥行業的應用還有下面的特點：

（1）模塊化的構造與設計保證了系統的高利用率

每個功率單元都是相同的，并裝在一個可抽出的機架上，模塊化的結構使得調換單元只需15分鐘，換一個功率單元只需斷開5個接口和一個光纖插口。模塊化設計不僅使系統結構十分緊湊，而且也增強了系統的維修便利性，因而提高了系統的可利用率。

（2）變頻輸出質量適用于普通電機，電機無須降容

IGBT直接串聯高壓變頻器輸出波形，在整個速度和負載范圍內具有正弦波特性。適用于普通的標準感應電機和同步電機，電機無須降容，也不必使用專用變頻電機。在低工作頻率段時，IGBT直接串聯高壓的PWM開關模式消弱了所有流向電動機的諧波。在高工作頻率段，PWM與內置于變頻中的微型電容器配合將諧波含量作進一步消除。與恒速運行相比，沒有額外的電機溫升及瞬變電壓對電動機絕緣破壞現象。

（3）安靜平穩的電機運行，降低了噪聲

低噪聲運行的直接原因是高質量的電壓電流輸出波形。由于開關狀態是分別確定的，沒有固定的開關頻率，因此沒有使用普通PWM技術的交流傳動裝置中常見的共振所引起的刺耳的噪音。

（4）體積最小，重量輕，安裝占地面積最小。

以280KW-1120KW 功率段為例子，6KV高壓變頻柜 總長度3.9米，10KV高壓變頻柜 總長度4.1米，為全世界各種高壓變頻器體積最小的。

（5）在水泥生產線應用的佳靈高壓變頻器，系統的器件選型設計裕度大、器件布局結構合理、散熱器與風道設計等散熱結構合理、提高單元散熱效率以保證系統設計溫升低、環境適應能力強。經受水泥廠粉塵的污染等惡劣環境的考驗。

（6）水泥生產線風機的高壓變頻器安裝位置根據現場情況選擇高壓配電室內，或專門建造變頻器室，可采用因地制宜的空調散熱、空氣水冷散熱、大氣循環散熱等，做好制冷或循環通風的設計，避免系統發熱無制冷的內部循環、自然循環進風量不足室內負壓，并需加強防塵設計和日常維護，定期進行濾網清潔，從而保證設備的安全穩定運行。

（7）風機高壓變頻改造對原配液耦、水阻的處理

佳靈高壓變頻器的改造對于風機及電機不作任何改變，安裝方便快捷，運行工藝調節更加方便。高壓變頻器進行風機變頻改造后，原來采用繞線式電機轉子串水阻調速的，可將轉子短接，使滑環不再通過電流，從而降低燒損；原來采用液力耦合器的，可以取消原液力耦合器，可按照液力耦合器的聯接尺寸設計制作一套連軸器代替液耦，連接軸的基座安裝尺寸、軸連接中心尺寸、軸徑尺寸、軸與電機及風機側的連接靠背輪均與原液耦一致，安裝時僅需將原液耦拆除，將連接軸代替液力耦合器，現場僅作少量調整即可達到安裝要求。為避免高壓變頻器故障后導致的產線停產，不建議再設計液力耦合器，為提高的運行利用率，特別對于窯尾高溫風機，為進一步提高生產設備的可靠性，在設計上可依舊選擇采用繞線電機轉子串水阻調速的設計，作為工頻旁路后的工頻啟動與調速的備用手段。