大功率變頻器在水泥廠應用

隨著大功率變頻技術的發展，高壓變頻裝置已越來越多的被應用于工況企業。近年來，由于節能降耗的需要，水泥企業一些大功率設備也開始采用變頻調速，如：用大功率變頻器取代傳統的液力耦合器對高溫風機、直流裝置對回轉窯的調速，及閥門對大型風機風量的調節。但大功率變頻技術（尤其是高壓變頻）正在發展中，到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣有近乎統一的拓撲結構，工程技術人員對其認識也在逐步成熟中。為了技術經濟合理地使用好大功率變頻裝置，下面將對其控制方式、技術性能及適用的工況進行系統分析，并就其在水泥廠的使用、選配和應注意的問題進行闡述。

1 大功率變頻器結構形式

大功率變頻器按主回路拓撲結構可分為“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、中性點鉗位的三電平電壓型和單元串聯多電平電壓型。

其中：“高-低-高”式變頻器，由于兩側均需大型變壓器，損耗高，變頻系統啟動時負載能力將下降，諧波較大等缺點，使其發展受到限制。

“高-高”電流型變頻器，一般為兩電平結構，電動機承受的du/dt較大，且需均壓和緩沖電路，技術復雜，器件較多，裝置體積大，調整和維修都比較困難，功率因數較低，并隨負載變化而變化，不好補償，輸出諧波和共模電壓對電機的影響等問題，電機需降額使用和加強絕緣。其優點是不需外加電路就可將負載的再生能量回饋電網。目前，主要應用于超大功率場合。

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”式結構中變頻器為低壓，電源輸入側采用變壓器將高壓變為低壓。由于采用低壓變頻器，變頻器的容量受到限制，電動機需采用專門的變頻低壓電機，其電壓等級一般為690V，水泥廠800KW以下的設備采用這種結構形式較多。但該類型變頻器一旦故障，電機不能投入工頻電網運行，且產生的諧波較高。

（2）中性點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脈沖二極管整流結構，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的問題，并使相電壓輸出具有三個電平。該變頻器的主回路結構環節少，與二電平結構相比，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，動態性能較好，過載能力較強。其不足是雖然通過網側配置，可實現12或24脈沖整流，減少網側諧波，但du/dt仍較大，電動機電流總諧波仍可達１７％以上，所以一般需配特殊電機，若要使用普通電機，必須附加輸出濾波器。另外，其現在最高輸出電壓只能做到4.16 KV，采用這種變頻器，必須采用變通的方法，改變電機的電壓或在輸出側加升壓變壓器，這是制約其使用的最大問題。

（3）單元串聯多電平電壓型變頻器。其采用多個低壓PWM變頻單元串聯的方式實現直接高壓 ,電網電壓經過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起來 ,實現變壓變頻的高壓輸出 ,直供高壓電動機。

這種變頻器輸入側變壓器采用多相移位技術，輸出側采用多電平正弦PWM技術，諧波較低，在無輸出濾波器的情況下，就可使THD<1％，其單元串聯的數量決定輸出電壓的等級，所以它可適用于任何普通的高壓電動機。雖然采用這種結構會使器件的數量增加，但由于驅動功率下降，開關頻率較低且不必采用均壓電路，系統的效率仍可達97%，功率因數可達0.95以上。另外，在某個功率單元出現故障時，可自動退出系統，而其余的功率單元可繼續保持電機的運行，減少停機時造成的損失，便于冗余設計，技術上較成熟。

其缺點是只能單象限運行，不能進行旁路切換，不能實現無熔斷器設計，器件的數量多，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題。

由于其他高壓變頻器受技術條件的局限，目前，在通用型高壓變頻器領域單元串聯多電平變頻器仍占絕對優勢。

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

水泥廠需要變頻調速的大功率設備,主要是高溫風機、回轉窯、立磨循環風機、窯頭余風風機及窯尾排風機等設備，這些設備功率一般在200KW以上，如按正常選型，一般采用電壓等級為6KV或10KV中壓電機，當采用變頻調速時應按下列方法匹配較為合適。

回轉窯、窯頭余風風機及窯尾排風機等設備一般功率在800KW以下, 如果調速采用中壓等級的變頻器，在技術和經濟上是不太合理的，因為電壓的升高，變頻器的加工難度和造價都將大幅度增加。對這部分設備，應采用“高—低”式結構進行變頻調速。即選擇690V（＞300KW電機）或380V低壓電機，變頻器選用低壓變頻器。這樣變頻器即使加上電機的成套費用，比采用高壓變頻方式還要低，而且技術成熟、維修使用方便，變頻器選擇范圍也較大。

采用“高—低”結構，應注意諧波問題。因為低壓變頻器一般為6脈沖結構，其諧波較高，可達40％以上，為防諧波對電機及設備的危害，應選擇專用變頻電機，如功率較大時，應考慮采用濾波裝置及諧波抑制措施。

高溫風機、立磨循環風機等設備，功率較大，宜采用中壓“高—高”變頻器調速。若采用三電平電壓型變頻器，應采用變通的辦法，用“高—中—中”的方式，即將輸入電壓降壓為3 ～4.16kV，電機選用3 ～4.16kV電機，使用3～4.16 kV的變頻器，采用這種方式，由于電動機電流總諧波仍達１７％以上，電機應采用專用變頻電機，并應考慮采用抑制諧波的手段。如采用單元串聯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），電機采用普通6KV電機即可，但應注意空間和冷卻問題。

在控制方式的選擇上,應根據負載特性，以滿足使用要求為準，以便做到量才使用、經濟實惠。對于回轉窯類重負載啟動設備，其啟動時需克服巨大慣性，有較高靜態轉速精度要求，宜采用具有轉矩控制功能的變頻器，使其在低速運行時具有直接轉矩控制，在正常運行時具有恒功率控制特性。對高溫風機、立磨循環風機等設備，其成平方轉矩特性，即轉矩隨速度平方變化的負載，一般可選用通用型U/f控制變頻器（即VVVF變頻器）。

2.2變頻器容量的合理選配

變頻器容量選定過程，實際上是變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的辦法，是按變頻器生產廠家要求，即變頻器的功率應大于或等于電動機額定功率的1.1倍。但水泥廠設備選型時，所選能力都比實際需要作了放大，拖動電機又在所選設備基礎上留有一定的裕量，這樣在實際運行中，運行負荷常常只有額定裝機功率的60～70%。所以合理的選擇方法應以設備的實際運行情況為基礎進行計算和分析，決定變頻器的容量。這不僅能節省投資，而且本身也是一種節能降耗的措施。根據資料和經驗，可按下列方法選配：

（1） 電機實際功率確定法。首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。

（2） 公式法。安全系數取1.05，則變頻器的容量為：Pb=1.05Pm/hm×cosy （kW） 式中，Pm為電機負載，hm為電機效率，cosy電機功率因數。

（3） 按電機的實際功率選擇變頻器，一定要注意：①電機加載后總的負荷電流不得超過變頻器的額定電流；②負載峰值電流不得超過變頻器的過載量。運行經驗表明，變頻器的容量最小不得小于電機容量的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起動時機械慣量較大的負載；②要求電動機頻繁進行加、減速；③在希望的加減速時間內，電機最大電流大于變頻器的過載容量（當1min內達1．5倍額定電流時）。

2.3 水泥廠變頻器使用時應注意以下問題

（1）使用環境。變頻器的額定容量是針對一定的使用環境而標出的，變頻器工作溫度一般要求為0℃～55℃，最好控制在40℃以下，相對濕度應控制在20％～90％。變頻器對環境溫度要求較高，同時它又是發熱量較大的設備，水泥廠在使用大功率變頻器時，在考慮降溫時，一定要考慮變頻器的發熱，一般按變頻器容量的3～4%的功率核算變頻器的發熱量。

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，若超出規定，將造成變頻器降容使用。水泥廠在變頻器選型時應按下述方法修正容量：當海拔高度高于1Km時，每增加1Km, 變頻器額定電流應相應降低6%左右；輸入電壓每增加2%, 變頻器額定電流應按4%向下降修正，載波頻率高于額定載波頻率時，也應對額定電流作相應修正。