高壓變頻器在水泥廠的應用
前言
回顧我國水泥工業的發展歷史，逐漸從規模小、技術落后、資源浪費型工業向集團規模化、計算機集中控制、節能增效型現代化管理企業轉變。伴隨著這種轉變，不論從宏觀方面處于國家政策大力提倡推行的節能大趨勢下出發，還是從企業本身的降低電耗成本增加產品競爭力的需求出發，節能已成為目前水泥工廠設計和建設中不可缺少的環節。在水泥生產過程中，電能消耗非常大，電費在水泥生產成本中占了很大的比例。在水泥廠的工藝設備配置中，生料制備和熟料燒成段風機功率約占設備總功率的40％左右。所以風機的電耗直接影響到水泥企業的生產成本。能否控制好風機的電耗，特別是大型風機的電耗，對降低水泥生產成本，提高企業的經濟效益是至關重要的。實踐證明，采用變頻器控制風機調節風量，能達到顯著的節能效果。
目前新建的新型干法生產線，規模大、技術要求高、投資較大，因而生產線上高溫風機、循環風機、廢氣風機通常為大功率高壓電機，高壓變頻器的應用不可避免地越來越多。那么在實際應用中，如何根據工程實際情況進行選擇?在方案制定及施工圖設計時需要注意什么問題?以下就結合高壓變頻器的節能原理、類別及應用方式對以上問題進行探討。
1高壓變頻器的節能原理
所謂的“節能”，不僅僅是節省能耗，還包括不浪費能源，用一句最簡單的話說就是：“你需要多少，我就給你提供多少!”。通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩類負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率lP具有如下關系Q∝n H∝n2 P∝n3。即流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。在實際生產中，往往利用調節高溫風機的轉速來調節系統風量。而隨著轉速的降低，風機在維持效率不變（風阻不變為前提）的狀態下，軸功率以轉速的立方關系下降，電機消耗的電能急劇減小。例如風量下降到80％，轉速也下降到80％時，其軸功率則下降到額定功率的5 1％；若風量下降到50％，軸功率將下降到額定功率的13％，其節電潛力非常大。而采用進口導流葉片調節時，風量下降導致風機效率降低和風壓的升高，運行工況偏離額定工況越遠效率越低。因此，風量雖然下降了，但風機軸功率及電機消耗的電能變化并不大，這就是風機變頻調速的節能依據。
而在風機調速的的方法上，目前使用較多的還有液力偶合器調速及液體電阻調速。液力偶合器是一種以液體（多數是油）為工作介質，利用液體傳遞能量的傳動裝置。通過改變液力偶合器工作腔內液體的充滿度，就可以改變液力偶合器所傳遞的轉矩和輸出軸的轉速，使液力偶合器電機端和風機端的轉速不一致，從而在電動機速度不改變的條件下對風機調速，實現調節風量的目的。由于液力偶合器在調節過程中要產生轉差功率損耗、容積損耗、機械損耗，這些損耗所產生的熱量需要大量冷卻介質來冷卻，而液力偶合器傳動效率等于轉速比，速度越低，液力偶合器效率越低。所以液力偶合器節能效果不太理想。它主要有以下一些不足：效率低、損耗大、調速精度低、速度響應慢、轉速不穩定、滑差大、有時丟轉、需配備相應的油系統及調節系統、可靠性低。
而液體電阻調速器是通過調整液體電阻中兩極板間的距離，來改變串入電機轉子回路中的電阻，從而改變轉差率達到改變電機轉速的目的。由于繞線式電機轉子線圈串入不同電阻后，對應的轉差率不同。電阻越大，電機轉速越低；電阻為零，電機達到全速，這就是液體電阻啟動調速器的基本原理。由于液體電阻調速器在調節過程中要產生轉差功率損耗、電阻通電所產生的熱耗，所以液體調速器節能效果也不太理想。它的缺點主要是：調速范圍小，最大為2：1；由于通過檢測實際轉速與設定值比較來升降極板，在實際運用中，調速精度低、速度響應慢、轉速不穩定、易受溫度影響；并且在調速過程中，電解液中流過轉子電流會產生大量熱量，需使用循環水進行冷卻；采用繞線型電機，結構復雜，維護工作量大，需增加轉子電纜接線。
而交流變頻調速的特點是效率高，沒有調速帶來的附加轉差損耗，調速的范圍大、精度高、無級調速，并且實現電機軟啟動，延長電機使用壽命，減小啟動電流對電網的沖擊。使用結構簡單、可靠耐用、維護方便的鼠籠式電動機，又能達到節電的顯著效果，是風機節能的較理想的方法。
2高壓變頻器的類別
比較實用并已產品化的高壓變頻器，按其主接線可分為“交一交”變頻和“交一直一交”變頻兩大類，在“交一直一交”變頻領域中較有代表的主流產品按中間直流濾波環節的不同，主要可分為電流源型、三電平電壓源型、單元串聯多電平電壓源型。
2．1“交一交”變頻器
“交一交”變頻器是采用晶閘管實現無直流環節的直接由交流到交流的變頻器，也叫做周波換流器。當電壓在3 kV以下時，每相要用12只晶閘管，三相共36只；當電壓超過3 kV時，晶閘管必須串聯使用，所用的晶閘管要成倍增加。其優點是可用于驅動同步和異步電機；堵轉轉矩和保持轉矩大；動態過載能力強；可四象限運行；電機功率因數可為COSφ=1；極佳的低速性能；弱磁工作范圍廣；轉矩質量高；效率高。其缺點是功率因數與速度有關，低速時功率因數低；最大輸出頻率為電源頻率的1／n（n=2，3，…．）；最大轉速<500 r／min；網側諧波大，此類變頻器適用于軋鋼機、船舶主傳動和礦石粉碎機等低速轉動設備，不適合在水泥廠應用。
2．2 GTO（SGCT）電流源型變頻器
采用自關斷器件GOT（SGCT）的電流源型變頻器，直流電路有大電感，可起到保護開關器件的作用。可用于異步電機的調速，其功率范圍可達1．5～10 Mw，電壓范圍可達1．5～6 kV，輸出頻率可達220 Hz。電壓超過3 kV時，功率器件需要串聯。其優點是采用合適的：PWM脈沖形式時可得到很低的轉矩脈動；輸出頻率高，可達220 Hz；電機的損耗小；可四象限運行；動態性能高；可實現無熔斷器設計，可靠性高；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制。其缺點是不宜弱磁運行；功率因數與速度有關。當網側采用晶閘管整流時，輸入電流諧波大，需加多相隔離變壓器，采用18脈沖整流以減少網側諧波，但如果在網側采用PWM整流器，不僅能滿足諧波標準而且可取消隔離變壓器。此類變頻器適用于水泵、風機、壓縮機等，代表產品為美國羅克韋爾（AB）公司生產的功率器件串聯電流源型變頻器。
2．3三電平電壓源型變頻器
采用高壓HV_IGBT或IGCT的三電平電壓源型變頻器，功率范圍可達9 100kVA，電壓范圍可達6600V，輸出頻率可達150 Hz。其優點是效率高，輸出頻率高；動態性能好，過載能力強；轉矩脈動小，電機噪聲小；網側配置多樣化，可實現12、18或24脈沖整流，以減少網側諧波；對電機絕緣無影響，輸出電纜長度無限制；與基波一致的功率因數；高可靠的無熔斷器設計。其缺點是不可控二級管整流器，單象限運行，要四象限運行需采取額外的措施；如果采用GTO或IGCT器件，需要復雜的緩沖電路及門極觸發電路；直流環節需扼流圈，并需要輸出濾波器。此類變頻器適用于風機、水泵、傳送帶、礦石粉碎機、軋機、擠壓機、窯傳動等，代表產品為歐洲ABB、西門子公司的三電平電壓源型變頻器。
2．4單元串聯多電平電壓源型變頻器
采用低壓LV—IGBT的單元串聯多電平電壓源型變頻器其功率范圍可達3～220 MW，電壓范圍可達10 kV。其優點是極低的輸出諧波含量，在無輸出濾波器的情況下，可使I-ID<0．3％，堪稱“完善無諧波”變頻器；極低的轉矩紋波和電機噪聲；功率因數可達0．95；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制；便于冗余設計。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；體積大，笨重；元器件非常多，因而可靠性差；電容器多，易發生漏電問題；功率節點多，增加連接難題；多電平結構的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；考慮空間要求時，大容量裝置只能采用水冷方式。此類變頻器適用于風機、水泵，代表產品為美國羅賓康公司利用低壓IGBT生產的單元串聯多電平變頻器。
3高壓變頻器的應用方式
高壓變頻器在水泥廠的應用中通常采用“交一直一交”變頻方式，而“交一直一交”變頻又可分為“高一低一高”方式及“高一高”方式。“高一低一高”方式，其實質上還是低壓變頻，只不過是從電網和電動機兩端來看是高壓。該方式是中壓變頻技術發展中的一種由低壓變頻向中壓變頻過渡的方式。因其存在著中間低壓環節需要增加變壓器、無功補償器、諧波濾波器，控制復雜，可靠性較低，檢修比較困難，設備占地面積和體積較大，系統的整體效率較低，設備的維護費用和故障均會相應提高，目前已處于逐步淘汰的階段。而隨著中壓變頻技術的發展，特別是新的大功率可關斷器件的研制成功，直接高壓變頻即“高一高”方式，因沒有中間的低壓環節，所以效率高、主回路簡單、工作可靠，是目前高壓變頻應用的主流。
3．1“高低一高”變頻調速系統
此種調速控制方案是將高壓通過降壓變壓器，使變頻器的輸入電壓降低，這樣可以采用各大公司一般的交流變頻器，然后將變頻器的輸出電壓通過升壓變壓器提高到6 kV以滿足交流電動機的電壓要求，但此方案存在著以下問題：
（1）“高一低一高”變頻系統需要用2個變壓器，設備環節比較多，占地面積比較大，從而降低了效率，且降壓、升壓變壓器不能互換，升壓變壓器需要特制，以減弱高次諧
回顧我國水泥工業的發展歷史，逐漸從規模小、技術落后、資源浪費型工業向集團規模化、計算機集中控制、節能增效型現代化管理企業轉變。伴隨著這種轉變，不論從宏觀方面處于國家政策大力提倡推行的節能大趨勢下出發，還是從企業本身的降低電耗成本增加產品競爭力的需求出發，節能已成為目前水泥工廠設計和建設中不可缺少的環節。在水泥生產過程中，電能消耗非常大，電費在水泥生產成本中占了很大的比例。在水泥廠的工藝設備配置中，生料制備和熟料燒成段風機功率約占設備總功率的40％左右。所以風機的電耗直接影響到水泥企業的生產成本。能否控制好風機的電耗，特別是大型風機的電耗，對降低水泥生產成本，提高企業的經濟效益是至關重要的。實踐證明，采用變頻器控制風機調節風量，能達到顯著的節能效果。
目前新建的新型干法生產線，規模大、技術要求高、投資較大，因而生產線上高溫風機、循環風機、廢氣風機通常為大功率高壓電機，高壓變頻器的應用不可避免地越來越多。那么在實際應用中，如何根據工程實際情況進行選擇?在方案制定及施工圖設計時需要注意什么問題?以下就結合高壓變頻器的節能原理、類別及應用方式對以上問題進行探討。
1高壓變頻器的節能原理
所謂的“節能”，不僅僅是節省能耗，還包括不浪費能源，用一句最簡單的話說就是：“你需要多少，我就給你提供多少!”。通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩類負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率lP具有如下關系Q∝n H∝n2 P∝n3。即流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。在實際生產中，往往利用調節高溫風機的轉速來調節系統風量。而隨著轉速的降低，風機在維持效率不變（風阻不變為前提）的狀態下，軸功率以轉速的立方關系下降，電機消耗的電能急劇減小。例如風量下降到80％，轉速也下降到80％時，其軸功率則下降到額定功率的5 1％；若風量下降到50％，軸功率將下降到額定功率的13％，其節電潛力非常大。而采用進口導流葉片調節時，風量下降導致風機效率降低和風壓的升高，運行工況偏離額定工況越遠效率越低。因此，風量雖然下降了，但風機軸功率及電機消耗的電能變化并不大，這就是風機變頻調速的節能依據。
而在風機調速的的方法上，目前使用較多的還有液力偶合器調速及液體電阻調速。液力偶合器是一種以液體（多數是油）為工作介質，利用液體傳遞能量的傳動裝置。通過改變液力偶合器工作腔內液體的充滿度，就可以改變液力偶合器所傳遞的轉矩和輸出軸的轉速，使液力偶合器電機端和風機端的轉速不一致，從而在電動機速度不改變的條件下對風機調速，實現調節風量的目的。由于液力偶合器在調節過程中要產生轉差功率損耗、容積損耗、機械損耗，這些損耗所產生的熱量需要大量冷卻介質來冷卻，而液力偶合器傳動效率等于轉速比，速度越低，液力偶合器效率越低。所以液力偶合器節能效果不太理想。它主要有以下一些不足：效率低、損耗大、調速精度低、速度響應慢、轉速不穩定、滑差大、有時丟轉、需配備相應的油系統及調節系統、可靠性低。
而液體電阻調速器是通過調整液體電阻中兩極板間的距離，來改變串入電機轉子回路中的電阻，從而改變轉差率達到改變電機轉速的目的。由于繞線式電機轉子線圈串入不同電阻后，對應的轉差率不同。電阻越大，電機轉速越低；電阻為零，電機達到全速，這就是液體電阻啟動調速器的基本原理。由于液體電阻調速器在調節過程中要產生轉差功率損耗、電阻通電所產生的熱耗，所以液體調速器節能效果也不太理想。它的缺點主要是：調速范圍小，最大為2：1；由于通過檢測實際轉速與設定值比較來升降極板，在實際運用中，調速精度低、速度響應慢、轉速不穩定、易受溫度影響；并且在調速過程中，電解液中流過轉子電流會產生大量熱量，需使用循環水進行冷卻；采用繞線型電機，結構復雜，維護工作量大，需增加轉子電纜接線。
而交流變頻調速的特點是效率高，沒有調速帶來的附加轉差損耗，調速的范圍大、精度高、無級調速，并且實現電機軟啟動，延長電機使用壽命，減小啟動電流對電網的沖擊。使用結構簡單、可靠耐用、維護方便的鼠籠式電動機，又能達到節電的顯著效果，是風機節能的較理想的方法。
2高壓變頻器的類別
比較實用并已產品化的高壓變頻器，按其主接線可分為“交一交”變頻和“交一直一交”變頻兩大類，在“交一直一交”變頻領域中較有代表的主流產品按中間直流濾波環節的不同，主要可分為電流源型、三電平電壓源型、單元串聯多電平電壓源型。
2．1“交一交”變頻器
“交一交”變頻器是采用晶閘管實現無直流環節的直接由交流到交流的變頻器，也叫做周波換流器。當電壓在3 kV以下時，每相要用12只晶閘管，三相共36只；當電壓超過3 kV時，晶閘管必須串聯使用，所用的晶閘管要成倍增加。其優點是可用于驅動同步和異步電機；堵轉轉矩和保持轉矩大；動態過載能力強；可四象限運行；電機功率因數可為COSφ=1；極佳的低速性能；弱磁工作范圍廣；轉矩質量高；效率高。其缺點是功率因數與速度有關，低速時功率因數低；最大輸出頻率為電源頻率的1／n（n=2，3，…．）；最大轉速<500 r／min；網側諧波大，此類變頻器適用于軋鋼機、船舶主傳動和礦石粉碎機等低速轉動設備，不適合在水泥廠應用。
2．2 GTO（SGCT）電流源型變頻器
采用自關斷器件GOT（SGCT）的電流源型變頻器，直流電路有大電感，可起到保護開關器件的作用。可用于異步電機的調速，其功率范圍可達1．5～10 Mw，電壓范圍可達1．5～6 kV，輸出頻率可達220 Hz。電壓超過3 kV時，功率器件需要串聯。其優點是采用合適的：PWM脈沖形式時可得到很低的轉矩脈動；輸出頻率高，可達220 Hz；電機的損耗小；可四象限運行；動態性能高；可實現無熔斷器設計，可靠性高；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制。其缺點是不宜弱磁運行；功率因數與速度有關。當網側采用晶閘管整流時，輸入電流諧波大，需加多相隔離變壓器，采用18脈沖整流以減少網側諧波，但如果在網側采用PWM整流器，不僅能滿足諧波標準而且可取消隔離變壓器。此類變頻器適用于水泵、風機、壓縮機等，代表產品為美國羅克韋爾（AB）公司生產的功率器件串聯電流源型變頻器。
2．3三電平電壓源型變頻器
采用高壓HV_IGBT或IGCT的三電平電壓源型變頻器，功率范圍可達9 100kVA，電壓范圍可達6600V，輸出頻率可達150 Hz。其優點是效率高，輸出頻率高；動態性能好，過載能力強；轉矩脈動小，電機噪聲小；網側配置多樣化，可實現12、18或24脈沖整流，以減少網側諧波；對電機絕緣無影響，輸出電纜長度無限制；與基波一致的功率因數；高可靠的無熔斷器設計。其缺點是不可控二級管整流器，單象限運行，要四象限運行需采取額外的措施；如果采用GTO或IGCT器件，需要復雜的緩沖電路及門極觸發電路；直流環節需扼流圈，并需要輸出濾波器。此類變頻器適用于風機、水泵、傳送帶、礦石粉碎機、軋機、擠壓機、窯傳動等，代表產品為歐洲ABB、西門子公司的三電平電壓源型變頻器。
2．4單元串聯多電平電壓源型變頻器
采用低壓LV—IGBT的單元串聯多電平電壓源型變頻器其功率范圍可達3～220 MW，電壓范圍可達10 kV。其優點是極低的輸出諧波含量，在無輸出濾波器的情況下，可使I-ID<0．3％，堪稱“完善無諧波”變頻器；極低的轉矩紋波和電機噪聲；功率因數可達0．95；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制；便于冗余設計。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；體積大，笨重；元器件非常多，因而可靠性差；電容器多，易發生漏電問題；功率節點多，增加連接難題；多電平結構的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；考慮空間要求時，大容量裝置只能采用水冷方式。此類變頻器適用于風機、水泵，代表產品為美國羅賓康公司利用低壓IGBT生產的單元串聯多電平變頻器。
3高壓變頻器的應用方式
高壓變頻器在水泥廠的應用中通常采用“交一直一交”變頻方式，而“交一直一交”變頻又可分為“高一低一高”方式及“高一高”方式。“高一低一高”方式，其實質上還是低壓變頻，只不過是從電網和電動機兩端來看是高壓。該方式是中壓變頻技術發展中的一種由低壓變頻向中壓變頻過渡的方式。因其存在著中間低壓環節需要增加變壓器、無功補償器、諧波濾波器，控制復雜，可靠性較低，檢修比較困難，設備占地面積和體積較大，系統的整體效率較低，設備的維護費用和故障均會相應提高，目前已處于逐步淘汰的階段。而隨著中壓變頻技術的發展，特別是新的大功率可關斷器件的研制成功，直接高壓變頻即“高一高”方式，因沒有中間的低壓環節，所以效率高、主回路簡單、工作可靠，是目前高壓變頻應用的主流。
3．1“高低一高”變頻調速系統
此種調速控制方案是將高壓通過降壓變壓器，使變頻器的輸入電壓降低，這樣可以采用各大公司一般的交流變頻器，然后將變頻器的輸出電壓通過升壓變壓器提高到6 kV以滿足交流電動機的電壓要求，但此方案存在著以下問題：
（1）“高一低一高”變頻系統需要用2個變壓器，設備環節比較多，占地面積比較大，從而降低了效率，且降壓、升壓變壓器不能互換，升壓變壓器需要特制，以減弱高次諧
文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
服務咨詢