國(guó)產(chǎn)矢量控制型高壓變頻器在水泥廠高溫風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

摘要：本文主要論述利德華福高壓變頻器在河南天瑞集團(tuán)水泥有限公司高溫風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，實(shí)踐證明水泥廠風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速的可行性、必要性及實(shí)際應(yīng)用的節(jié)電效果，以此推廣高壓變頻節(jié)能項(xiàng)目。

一、概述

　　長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)政府對(duì)節(jié)能工作十分重視，我國(guó)能源節(jié)約與資源綜合利用“十五”規(guī)劃提出高壓大功率變頻調(diào)速作為重點(diǎn)發(fā)展的節(jié)電技術(shù)之一，要求大力推動(dòng)高壓大功率變頻調(diào)速示范工程。

　　目前，水泥行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，但關(guān)鍵還是制造成本的競(jìng)爭(zhēng)，而電動(dòng)機(jī)電耗占成本近30％，拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重。因此，做好電動(dòng)機(jī)的降耗增效工作就顯得極為重要。當(dāng)前，很多水泥廠的風(fēng)機(jī)“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象嚴(yán)重，如果利用變頻調(diào)速技術(shù)改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行速度，以調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達(dá)到節(jié)約電能，同時(shí)減少因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在水泥廠風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)，能節(jié)約大量能源，提高生產(chǎn)效率，為水泥廠帶來(lái)較大的效益。根據(jù)具體情況，風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造后，節(jié)電率在30-50%的范圍內(nèi)，通常一年半到兩年便可收回投資。

二、傳統(tǒng)擋板調(diào)節(jié)存在的問(wèn)題

　　風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)入口擋板的開(kāi)度，以此來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，是一種經(jīng)濟(jì)效益差、能耗大、設(shè)備損壞嚴(yán)重、維修難度大、運(yùn)行費(fèi)用高的落后辦法。風(fēng)機(jī)的工作特性如圖1所示：

　　由圖1可以看出，風(fēng)機(jī)工作的位置，即風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是由風(fēng)機(jī)特性曲線（風(fēng)壓特性）和管網(wǎng)特性曲線（風(fēng)阻特性）決定的，無(wú)論是改變風(fēng)機(jī)的特性曲線，還是改變管網(wǎng)特性曲線，都可以達(dá)到改變風(fēng)量的目的。

　　圖1中，風(fēng)機(jī)特性曲線：H_A=kQ₁²（K為風(fēng)機(jī)特性系數(shù)）；管網(wǎng)特性曲線H_A=Hc-λQ₁²（λ為管網(wǎng)特性系數(shù)）。

三、工頻工作方式

　　工頻工作方式是指泵的特性曲線保持不變，而改變管網(wǎng)特性曲線。通常采取的方式是保持風(fēng)機(jī)的特性曲線不變，即不改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而用調(diào)節(jié)擋板改變出風(fēng)口的大小，達(dá)到改變風(fēng)量的目的。如圖2所示：

圖2：工頻工作方式時(shí)風(fēng)機(jī)的工作特性

　　從圖2中可以看出，風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)時(shí)，風(fēng)量為Q₁，風(fēng)壓為H₁。保持風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，用擋板將風(fēng)量調(diào)節(jié)為Q₂時(shí)，風(fēng)壓將上升到H₂，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)變?yōu)锽點(diǎn)。由于擋板的節(jié)流作用，風(fēng)道的阻力曲線變?yōu)镺B。

　　風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)時(shí)，其功率為P_A＝H₁×Q₁/102；風(fēng)機(jī)工作在B點(diǎn)時(shí)，其功率為P_B＝H₂×Q₂ /102。

　　雖然Q₂＜Q₁，但H₃＞H₁，所以P_A與P_B的值變化不大，說(shuō)明采用工頻工作方式時(shí)，改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，風(fēng)機(jī)的軸功率減小有限。

四、變頻工作方式

　　變頻工作方式是指管網(wǎng)特性曲線保持不變，而改變風(fēng)機(jī)的特性曲線。通常采取的方式是保持管網(wǎng)特性曲線不變，即不改變風(fēng)機(jī)出口的大小，而改變風(fēng)機(jī)的特性曲線，即改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到改變風(fēng)量的目的。如圖3所示：

　　風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)時(shí)，其功率為P_A＝H₁×Q₁/102；風(fēng)機(jī)工作在B點(diǎn)時(shí)，其功率為P_B＝H₂×Q₂/102 。

　　Q₂＜Q₁，而且H₂＞H₁，所以P_A與為P_B的值變化較大，說(shuō)明采用變頻工作方式時(shí)，改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，風(fēng)機(jī)的軸功率減小很大，節(jié)能效果顯著。

圖3：變頻工作方式時(shí)風(fēng)機(jī)的工作特性

由流體力學(xué)的原理可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速與流量、壓力、耗能的關(guān)系如下：

輸出流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，即：Q₁/Q₂=n₁/n₂……（1）

輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，即：H₁/H₂=(n₁/n₂)² ……（2）

輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比，即P₁/P₂=(n₁/n₂)³……（3）

　　如果說(shuō)，100%轉(zhuǎn)速-100%流量-100%壓力-100%輸出功率，則：80%轉(zhuǎn)速- 80%流量- 64%壓力- 51%輸出功率。就是說(shuō)，通過(guò)變頻調(diào)速方式改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，風(fēng)量下降20%時(shí)，風(fēng)機(jī)軸功率將下降49%。這也是為什么變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)應(yīng)用上節(jié)能十分顯著的原因。

五、利德華福高壓變頻器原理及特點(diǎn)

　　HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬“高-高”電壓源型變頻器，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，總諧波畸變小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，6kV為5級(jí)模塊串聯(lián)，共15個(gè)功率單元；10kV每個(gè)系統(tǒng)共有24個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串連構(gòu)成一相，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4：利德華福高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，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(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開(kāi)一定電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt 很小。功率單元采用相對(duì)較低的開(kāi)關(guān)頻率，以降低開(kāi)關(guān)損耗，提高效率，變頻器額定效率可達(dá)98%，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(jī)電壓的等效開(kāi)關(guān)頻率大大提高，且輸出電平數(shù)增加。6kV系列為5級(jí)模塊串聯(lián)，輸出相電壓為11電平；10kV系列為8級(jí)模塊串聯(lián)，輸出相電壓為17電平。電平數(shù)和等效開(kāi)關(guān)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(jī)發(fā)熱，噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都大大降低，所以這種變頻器對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊要求，可直接用于普通異步電機(jī)。

　　與普通采用高壓器件直接串聯(lián)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(lián)，器件承受的最高電壓為單元內(nèi)直流母線的電壓，器件不必串聯(lián)，不存在器件串聯(lián)引起的均壓?jiǎn)栴}。功率單元中采用常規(guī)IGBT功率模塊，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟可靠。功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，同一變頻器內(nèi)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(lián)結(jié)構(gòu)，所以可以采取功率單元旁路選件，當(dāng)功率單元故障時(shí)，控制系統(tǒng)可以將故障單元自動(dòng)旁路，變頻器仍可降額繼續(xù)運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　由于采用了高性能DSP芯片和新型一體化計(jì)算機(jī)，在秉承公司HARSVERT-A系列產(chǎn)品完美無(wú)諧波、高可靠性、功率/電壓等級(jí)覆蓋范圍廣、控制接口靈活等優(yōu)良品質(zhì)的基礎(chǔ)上，HARSVERT-VA系列無(wú)速度傳感器矢量控制高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)功能更為豐富、性能更高的高壓大容量交流傳動(dòng)控制。目前，HARSVERT-VA系列無(wú)速度傳感器矢量控制產(chǎn)品的性能指標(biāo)為：調(diào)速范圍100:1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0.5%，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間小于200ms，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩150%額定轉(zhuǎn)矩，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。無(wú)需安裝復(fù)雜且不易維護(hù)的測(cè)速裝置，HARSVERT-VA系列變頻器僅需對(duì)輸出三相電壓、兩相電流進(jìn)行檢測(cè)，即可根據(jù)預(yù)先自動(dòng)測(cè)定的電機(jī)模型，進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩解耦控制，實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載啟動(dòng)和運(yùn)行。

六、熟料生產(chǎn)中特殊工藝對(duì)變頻器的要求

　　干法水泥生產(chǎn)線的窯尾高溫風(fēng)機(jī)是保證窯內(nèi)負(fù)壓的重要負(fù)載，但是在以往工頻運(yùn)行、采用液力耦合器調(diào)速的高溫風(fēng)機(jī)常見(jiàn)由于管道“塌料”導(dǎo)致高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)過(guò)負(fù)荷跳閘，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。而由于變頻器裝置的電力電子器件的過(guò)負(fù)荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風(fēng)機(jī)過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致的變頻器保護(hù)停機(jī)現(xiàn)象如無(wú)專(zhuān)業(yè)技術(shù)是不可避免的，將給水泥生產(chǎn)線造成更多的損害。

　　利德華福作為目前國(guó)內(nèi)最大的高壓變頻器專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)制造單位，特別針對(duì)高溫風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工藝情況進(jìn)行了大量的調(diào)研，對(duì)變頻器的核心控制系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了可矢量運(yùn)行的高壓變頻調(diào)速裝置，成功解決了因?yàn)樗弦鸬膭×邑?fù)載波動(dòng)問(wèn)題，大大降低了由于高溫風(fēng)機(jī)停運(yùn)對(duì)生產(chǎn)造成的影響，降低電機(jī)設(shè)備故障率，取得節(jié)能、增效的巨大效益，得到用戶(hù)普遍認(rèn)可。

　　高溫風(fēng)機(jī)由于“塌料”導(dǎo)致的過(guò)負(fù)荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程中的預(yù)熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時(shí)就會(huì)坍塌脫落，造成管道內(nèi)粉塵濃度增大，阻力增加，負(fù)壓升高，使排風(fēng)機(jī)負(fù)荷增加。此外，如果垂直煙道或預(yù)熱器內(nèi)在清潔皮或有物料塌料時(shí)，同樣也會(huì)造成氣流波動(dòng)，使排風(fēng)管內(nèi)氣流紊亂，造成高溫風(fēng)機(jī)過(guò)負(fù)荷停機(jī)，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對(duì)高溫風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)造成損壞。在實(shí)際使用過(guò)程中的“塌料”現(xiàn)象，會(huì)不定期的導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行電流在極短的時(shí)間內(nèi)超出正常電流的數(shù)倍，如使用一般廠家的通用型高壓變頻器會(huì)導(dǎo)致變頻器運(yùn)行過(guò)程中頻繁跳機(jī)，直接影響高溫風(fēng)機(jī)與生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

　　利德華福公司生產(chǎn)的高壓變頻器采用矢量控制算法，變頻器對(duì)其輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速的精確控制（傳統(tǒng)的VVVF控制中，不對(duì)輸出電流進(jìn)行控制，輸出電流的測(cè)量?jī)H用于顯示和保護(hù)）。在控制算法中對(duì)最大輸出電流進(jìn)行限制，因而不會(huì)因負(fù)載的波動(dòng)導(dǎo)致變頻器過(guò)流停機(jī)。

七、天瑞水泥廠應(yīng)用實(shí)例

1.整體概況

　　天瑞河南某水泥廠5000t/d（二線）有1臺(tái)高溫風(fēng)機(jī)需要變頻改造，目前，該風(fēng)機(jī)是通過(guò)調(diào)整液耦開(kāi)度及風(fēng)機(jī)擋板改變風(fēng)壓、風(fēng)量的。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行工藝、設(shè)備工況進(jìn)行分析，認(rèn)為這些設(shè)備存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）高溫風(fēng)機(jī)采用液力耦合器調(diào)速，這種調(diào)速方法實(shí)質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法，其主要缺點(diǎn)是隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來(lái)越低，需要斷開(kāi)電機(jī)與負(fù)載進(jìn)行安裝，維護(hù)工作量大，過(guò)一段時(shí)間就需要對(duì)軸封、軸承等部件進(jìn)行更換，現(xiàn)場(chǎng)一般較臟，顯得設(shè)備檔次低，屬淘汰技術(shù)。

（2）還有些風(fēng)機(jī)目前采用水電阻軟啟動(dòng)，通過(guò)風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)風(fēng)壓、風(fēng)量的。水電阻啟動(dòng)方式，仍然有近3倍額定電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，且水電阻啟動(dòng)時(shí)間較慢，容易造成水開(kāi)鍋的現(xiàn)象。

（3）其余的高壓風(fēng)機(jī)設(shè)備采用調(diào)節(jié)入口蝶閥，它調(diào)整節(jié)流損失大、入口壓力低、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi)。

　　因此，解決上述問(wèn)題，可以考慮采用變頻調(diào)速控制技術(shù)，利用高壓變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)能力的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。這樣，不僅解決了入口蝶閥控制系統(tǒng)效率低、設(shè)備工作特性差等難以克服的缺點(diǎn)，而且提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)；更重要的是減小了因入口蝶閥變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了設(shè)備溫升對(duì)設(shè)備性能的負(fù)面影響，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，節(jié)約能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。

2.現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)數(shù)據(jù)

（1）電機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)（1臺(tái)）及液力耦合器參數(shù)表：

（2）平均電價(jià)：0.5元/度。

（3）年運(yùn)行時(shí)間：T=8000h。

3.工頻、變頻的耗電量對(duì)比：

八、變頻改造后的優(yōu)點(diǎn)

（1）變頻改造后，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小于額定電流值，啟動(dòng)更平滑。

（2）系統(tǒng)效率得到提高，消除了風(fēng)門(mén)擋板的損失，取得節(jié)能效果。

（3）由于風(fēng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，工作特性改變，設(shè)備工況得到改善，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

（4）風(fēng)機(jī)改變頻后，由于變頻器采用單元串聯(lián)移相技術(shù)，因此在理論上可以消除41次以下諧波。由于實(shí)際制造工藝的限制，網(wǎng)側(cè)電壓諧波總含量可以控制在2％以?xún)?nèi)，電流諧波總含量小于4％。

（5）變頻輸出采用PWM技術(shù)控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于1％，上述指標(biāo)均滿足IEEE-519國(guó)際電能質(zhì)量諧波標(biāo)準(zhǔn)要求。

（6）利德華福變頻器為電壓源型結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)可高達(dá)0.95。

（7）廠房設(shè)備噪聲污染大大降低。

九、結(jié)論

　　目前很多水泥廠的風(fēng)機(jī)大馬拉小車(chē)現(xiàn)象嚴(yán)重。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式基本通過(guò)擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，耗能大，經(jīng)濟(jì)效益差，設(shè)備損壞嚴(yán)重，急需采用先進(jìn)的高壓變頻調(diào)速進(jìn)行技術(shù)改造，以降低水泥廠的電耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐證明，水泥行業(yè)風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，是必要、可行的，且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

　　HARSVERT系列高壓變頻器可靠性高，輸入、輸出波形質(zhì)量好，采用矢量控制技術(shù)，適合于水泥廠風(fēng)機(jī)的變頻改造，成功解決了水泥生產(chǎn)中的塌料引起的負(fù)載波動(dòng)問(wèn)題，大大提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，節(jié)約大量能源，為水泥廠帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有很高的推廣價(jià)值。

（轉(zhuǎn)載）