高壓變頻器在焙燒煙氣凈化引風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：本文主要闡述了HARSVERT-A系列高壓變頻器在培燒煙氣凈化引風(fēng)機(jī)控制中的實(shí)際應(yīng)用，簡要說明了其功能和應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：高壓變頻技術(shù)、引風(fēng)機(jī)、節(jié)能、諧波

　一、前言

　　在現(xiàn)代大中型工礦企業(yè)中，高壓電機(jī)電能消耗占企業(yè)總電能用量的一半左右。雖然低壓變頻器在實(shí)際應(yīng)用中已十分普遍，但由于高壓變頻技術(shù)復(fù)雜和電子器件耐壓限制，一直制約著其實(shí)際應(yīng)用與推廣普及。近幾年來，隨著高壓變頻技術(shù)的日趨成熟和功率器件耐壓能力的突破，高壓變頻器的應(yīng)用趨勢日益加快，其變頻節(jié)能效果也更加顯著。

　　本文以中鋁青海分公司炭素一二期焙燒煙氣凈化系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)應(yīng)用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/100型高壓變頻器實(shí)施變頻改造為例，詳細(xì)闡述了國產(chǎn)高壓變頻器的應(yīng)用情況。其成功應(yīng)用充分證明國產(chǎn)高壓變頻在關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。隨著國內(nèi)科技迅速發(fā)展和研究投資的不斷加大，高壓變頻器的研制已取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展，其產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量已趕上世界同行的水平，而且價格低、性能優(yōu)越、運(yùn)行穩(wěn)定，已贏得國內(nèi)眾多企業(yè)的認(rèn)可和好評。

二、系統(tǒng)配置

　　我廠炭素一二期焙燒煙氣凈化系統(tǒng)原來設(shè)計為4臺三相低壓異步電動機(jī)（Y355M-4型，315kW，562A，1476r/min）拖動，在日常生產(chǎn)中通常投運(yùn)2-3臺（1臺備用）就能滿足焙燒煙氣凈化需要，因風(fēng)機(jī)之間通過煙道并聯(lián)，其凈化系統(tǒng)負(fù)壓是通過各風(fēng)機(jī)分煙道蝶閥開閉調(diào)節(jié)，其各個分煙道蝶閥開度只能憑操作人員實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判斷和控制。另外，由于停運(yùn)分機(jī)蝶閥泄露，導(dǎo)致凈化系統(tǒng)無效循環(huán)嚴(yán)重。針對這種問題，2005年，我廠提出了應(yīng)用高壓風(fēng)機(jī)、變頻調(diào)速控制的實(shí)施改造方案（如圖1），為提高凈化系統(tǒng)安全、可靠性，設(shè)計為一用一備系統(tǒng)。

1.拖動設(shè)備

　　高壓異步電動機(jī)：YP7560-6型；1000kW；Ve=6300V，Ie=108.95A；ne=994r/min；cosφ=0.876；絕緣等級F級、Y接法、50Hz；熱態(tài)時允許啟動1次；冷態(tài)時允許啟動2次；蘭州電機(jī)有限責(zé)任公司制造。

2.離心引風(fēng)機(jī)

　　型號：Y7-2X36-22F；338600m³/h（風(fēng)量）；7500Pa（風(fēng)壓）；ne=990r/min；配套電機(jī)1000kW。

3.變頻器結(jié)構(gòu)與原理

　　2006年5月，我廠焙燒煙氣凈化引風(fēng)機(jī)拖動系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的改造和優(yōu)化，其引風(fēng)機(jī)、拖動電動機(jī)均進(jìn)行了更新。電機(jī)拖動系統(tǒng)選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/100型1000kW高壓變頻器控制，其變頻器主要由移相變壓器、功率逆變單元和控制器等三部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：HARSVERT-A06/100型1000kW高壓變頻器結(jié)構(gòu)圖

　　HARSVERT-A系列高壓變頻器采用功率逆變單元串聯(lián)多電平技術(shù)，為高-高電壓源型，6kV輸入，經(jīng)變壓器降壓、移相得到中壓，再通過二極管整流、穩(wěn)壓、IGBT逆變、電源疊加，得到6.3kV高壓交流電源，實(shí)現(xiàn)變頻控制目的，其原理如圖3所示。

圖3：6kV高壓變頻器（7組功率模塊串聯(lián)）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

三、HARSVERT-A系列高壓變頻器特點(diǎn)

　　1.采用功率模塊串聯(lián)多電平電壓疊加技術(shù)

　　HARSVERT-A系列變頻器采用低壓變頻器串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)高壓變頻控制，為多電壓源疊加型。其輸入側(cè)采用移相降壓型變壓器，實(shí)現(xiàn)多脈沖整流方式，其產(chǎn)生的諧波（高、低次）成分低于國際電網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)。在負(fù)載時，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)能達(dá)到0.95以上。在輸出側(cè)采用多級PWM技術(shù)，dv/dt小，諧波少，其功率電路采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計，更換方便，互換性強(qiáng)，90%的器件均為國產(chǎn)，性能穩(wěn)定、價格低、易采購，十分適合國內(nèi)企業(yè)高壓設(shè)備改造和新建項目選用。

　　2.功率單元選用低壓IGBT模塊為逆變器件

　　這種變頻器的功率單元采用低壓IGBT模塊作為逆變器件，與采用高壓IGBT的三電平變頻器比較，雖然功率器件數(shù)目較多，但在控制技術(shù)、制造工藝等方面十分成熟。其功率模塊為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到單相交流輸出。每個功率模塊結(jié)構(gòu)及電氣性能完全一致，可以互換，其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4：6kV高壓變頻器功率模塊原理結(jié)構(gòu)圖

3.采用高效降壓、移相變壓器

　　輸入側(cè)由降壓、移相變壓器給每組功率模塊供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，根據(jù)電壓等級和模塊串聯(lián)級數(shù)，通常由24、30、42、48脈沖系列等構(gòu)成多級相疊加的整流方式，使電網(wǎng)側(cè)的電流波形得到顯著改善，不需要進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償或加裝諧波抑制裝置。由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個功率單元的主回路相對獨(dú)立，其控制技術(shù)類似于普通低壓變頻器。

4.輸出側(cè)結(jié)構(gòu)獨(dú)特

　　輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過各個獨(dú)立功率逆變單元的PWM波形重組、疊加，以獲得階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，對輸出電纜、電機(jī)絕緣無損壞，可直接驅(qū)動普通高壓異步電機(jī)；另外，由于輸出側(cè)諧波成分小，不需要加裝濾波器，輸出電纜可大幅延長。因電機(jī)諧波損耗顯著減少，能較好地消除負(fù)載機(jī)械軸承和葉片振動現(xiàn)象。在運(yùn)行中，若當(dāng)某組逆變功率模塊工作異?；蚬收蠒r，通過調(diào)整觸發(fā)控制脈沖信號，使該組模塊輸出短路，將故障單元旁路退出系統(tǒng)。這種情況下，只要使變頻器降額運(yùn)行即可。因此，可大幅減少設(shè)備的異常停機(jī)和系統(tǒng)頻繁停、啟現(xiàn)象。

5.應(yīng)用高速CPU控制器

　　變頻控制器由高速單片機(jī)處理器、人機(jī)操作界面和PLC等電路構(gòu)成，其人機(jī)操作方式為標(biāo)準(zhǔn)操作面板界面。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM控制，人機(jī)操作界面能很方便地實(shí)現(xiàn)高壓變頻調(diào)速裝置與實(shí)際操作人員信息交流、監(jiān)控信號傳輸?shù)裙ぷ?，其友好的全中文、模擬畫面能實(shí)時再現(xiàn)整個系統(tǒng)各項運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并具有使用方便、快捷、遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制功能。PLC的應(yīng)用很好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)開關(guān)信號的邏輯處理、多級保護(hù)措施的實(shí)施，大幅提升設(shè)備的保護(hù)、互鎖等安全等級。

　　通過光纖通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制器與功率單元之間的信號交換，可靠、安全地使低壓部分和高壓部分得到隔離，故系統(tǒng)具有相當(dāng)高的安全性和抗電磁干擾性能。

6.控制方式先進(jìn)

　　HARSVERT-A高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)通常采用異地遠(yuǎn)程控制，其變頻器的頻率設(shè)定可通過外部監(jiān)控上位計算機(jī)給定（也可通過柜體操作面板），如主界面的加減速鍵或“頻率設(shè)定”設(shè)置運(yùn)行頻率（如圖5所示）；也可用外部模擬信號直接給定，我廠一期凈化2臺風(fēng)機(jī)就采用這種方式控制。由于變頻器控制系統(tǒng)設(shè)有PID調(diào)節(jié)功能，可很好地實(shí)現(xiàn)給定頻率升、降調(diào)速變化的平滑性和均勻性。變頻器啟動后運(yùn)行于設(shè)定頻率（可選擇開環(huán)或閉環(huán)控制）。其實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控、啟動、停車、急停、復(fù)位、運(yùn)行頻率設(shè)定、參數(shù)刷新、故障記錄查看等控制操作，均通過上位機(jī)完成。一臺微機(jī)可實(shí)現(xiàn)多臺變頻器操作、監(jiān)控任務(wù)。

圖5：我廠二期凈化高壓變頻器頻率設(shè)定、參數(shù)監(jiān)控界面

7.控制功能齊全

　　HARSVERT-A系列變頻器具有許多功能：其有關(guān)各項參數(shù)采用中文提示、整體備份和恢復(fù)；系統(tǒng)設(shè)有兩段頻率躲避區(qū)，可回避風(fēng)機(jī)在某一頻率段（或點(diǎn)）工作時出現(xiàn)的共振、喘振等現(xiàn)象，根據(jù)不同負(fù)載啟動需要，系統(tǒng)設(shè)有不同的轉(zhuǎn)矩提升控制。終端監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有故障定位和查詢功能，異?；蜉p微故障時會在主界面實(shí)時提供報警信息。較大故障發(fā)生時，系統(tǒng)會自動彈出故障界面，直接顯示故障位置和名稱。維修人員可通過故障界面查詢故障歷史信息，系統(tǒng)設(shè)有波形顯示功能，查看運(yùn)行中的波形質(zhì)量，可及時調(diào)整系統(tǒng)功率因數(shù)。設(shè)有運(yùn)行數(shù)據(jù)自動記錄功能，變頻器運(yùn)行時各項參數(shù)包括給定頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入電流、輸出電流、輸入電壓、輸出電壓、系統(tǒng)狀態(tài)操作等信息自動記錄、存貯（如圖6所示）；系統(tǒng)自診斷功能，其內(nèi)核能自動檢測核心主控制器、可編程序邏輯PLC及上位機(jī)等當(dāng)前的狀態(tài)，輔助分析各控制器間的通訊情況。

圖6：運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄顯示

8.系統(tǒng)散熱設(shè)計合理

　　HARSVERT-A系列變頻器的熱量損耗主要包括變壓器柜和功率柜兩部分。變壓器采用H級干式變壓器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，絕緣材料能夠耐受180℃的高溫，其冷卻系統(tǒng)采用增加柜頂風(fēng)機(jī)提高變壓器柜的冷卻風(fēng)量來達(dá)到降低設(shè)備自身溫度，在45℃環(huán)境溫度下，變壓器工作允許溫度可達(dá)110℃。如我廠夏季最高氣溫為31℃，在自然通風(fēng)的室內(nèi)，環(huán)境溫度為19℃左右，當(dāng)風(fēng)機(jī)負(fù)荷達(dá)到96%時，較長時間（4-8小時）運(yùn)行后，其變壓器線圈溫度只有42℃，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計要求。因而在高海拔地區(qū)，高壓變頻器不需要考慮降容使用問題。

　　功率柜也是變頻器運(yùn)行中發(fā)熱體之一。功率器件IGBT的最大允許運(yùn)行溫度（外殼溫度）不允許超過85℃，過高的溫升會導(dǎo)致管壓降加大、熱損耗增加，形成惡性循環(huán)引起器件內(nèi)熱量累積，導(dǎo)致因溫度過高而燒毀。故功率器件的散熱關(guān)系到系統(tǒng)的安全可靠性問題。HARSVERT-A系列變頻器選用先進(jìn)的功耗最小的功率器件，利用器件并聯(lián)的方式將熱量分散、增大有效散熱面積，解決了多器件內(nèi)熱量積累問題。其次選用熱傳導(dǎo)特性好、導(dǎo)熱率高的新型冷板釬焊散熱器，進(jìn)一步提高了散熱效果。此外柜體設(shè)計為柵格濾網(wǎng)罩，采用透氣性好、韌度高的新型過濾合成絲綿，以降低進(jìn)風(fēng)風(fēng)阻，采用冷卻風(fēng)機(jī)冗余設(shè)計。

四、運(yùn)行效果

　　自2005年8月，我廠一期2臺焙燒凈化引風(fēng)機(jī)高壓變頻改造投運(yùn)以來，經(jīng)過3年多的長期、連續(xù)運(yùn)行結(jié)果，其運(yùn)行狀況良好，工作穩(wěn)定，節(jié)電顯著，完全達(dá)到了改造預(yù)期目標(biāo)，完全滿足焙燒煙氣凈化工藝控制需求，大幅提高了凈化效果，因連續(xù)多年排污不超標(biāo)，得到了分公司和地方環(huán)保部門的獎勵。根據(jù)我廠每月電耗統(tǒng)計，焙燒煙氣凈化月電耗降低19%左右。我廠一期焙燒煙氣凈化風(fēng)機(jī)變頻改造后的系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際參數(shù)如下表所示。

附表：變頻調(diào)速控制風(fēng)機(jī)后的凈化系統(tǒng)工作參數(shù)（一期系統(tǒng)）

五、結(jié)束語

　　應(yīng)用HARSVERT-A型1000kW高壓變頻器實(shí)施焙燒煙氣凈化系統(tǒng)風(fēng)機(jī)拖動系統(tǒng)改造，優(yōu)化了煙氣凈化系統(tǒng)的工作性能，提高了煙氣凈化系統(tǒng)工藝效果，大幅降低了系統(tǒng)電能消耗；據(jù)統(tǒng)計，由于凈化系統(tǒng)風(fēng)壓、流量的方便可調(diào)，其焙燒天然氣的消耗較改造前降低19m³/t；凈化系統(tǒng)總耗電減少13.7余萬kW·h/月。實(shí)踐證明，國產(chǎn)高壓變頻器控制技術(shù)和設(shè)計制造能力已十分成熟，可與進(jìn)口同類產(chǎn)品抗衡，其價格只有同類進(jìn)口產(chǎn)品的1/3，且具有備件易采購、維修及時、售后服務(wù)便利等優(yōu)點(diǎn)，完全避免了進(jìn)口變頻器維修困難的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] HARSVERT-A系列高壓變頻器操作使用說明手冊 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司編寫，2005.1

[2] Power Smart ^TM 系列高壓大功率變頻調(diào)速裝置使用手冊，2006.8

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