摘要：本文結(jié)合水泥行業(yè)的生產(chǎn)情況，介紹了北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器在阿塞拜疆的水泥項(xiàng)目風(fēng)機(jī)的應(yīng)用情況，目前該水泥廠項(xiàng)目已進(jìn)入調(diào)試生產(chǎn)階段，整體狀況運(yùn)行良好。
關(guān)鍵詞：水泥行業(yè)、高壓變頻、節(jié)能
一、概述
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”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，既滿足生產(chǎn)要求，又達(dá)到節(jié)約電能的作用，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。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%，通常一年半到兩年便可收回投資。
二、調(diào)速方式的選擇
變頻調(diào)速技術(shù)是20世紀(jì)年代末興起的一種新型電力傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)，主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速，它以轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強(qiáng)、可靠性高，操作方便，便于通訊等功能優(yōu)于以往的傳統(tǒng)調(diào)速方式(如變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、液力耦合器調(diào)速、轉(zhuǎn)子水阻調(diào)速等等)。變頻調(diào)速運(yùn)行，是根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化要求，改變供電電流的頻率，并配合電壓的調(diào)節(jié)，以獲得合理的點(diǎn)擊運(yùn)行工況。在不同的轉(zhuǎn)速情況下，均保持較高的運(yùn)行效率。變頻控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅降低了電能消耗，同時(shí)能改善啟動(dòng)性能，保護(hù)電動(dòng)機(jī)及負(fù)載設(shè)備免受瞬時(shí)啟動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)其工作壽命，還提高電動(dòng)機(jī)及負(fù)載設(shè)備的工作精確度。
高壓變頻器以其顯著的節(jié)能效益、較高的調(diào)速精度、較寬的調(diào)速范圍、完善的保護(hù)功能、方便的通訊功能，得到了廣大用戶的認(rèn)可，現(xiàn)在已經(jīng)成為企業(yè)電機(jī)節(jié)能方式的首選方案。隨著我國(guó)國(guó)產(chǎn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)的成熟，新項(xiàng)目大功率風(fēng)機(jī)類設(shè)備全部采用高壓變頻器的同時(shí)，對(duì)原有生產(chǎn)線的大功率風(fēng)機(jī)類設(shè)備，也全部實(shí)施了高壓變頻器改造，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
高壓變頻調(diào)速—由于應(yīng)用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和高壓電氣、電機(jī)拖動(dòng)等綜合性領(lǐng)域的學(xué)科技術(shù)，因此具有其他調(diào)速方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：
(1)變頻器采用液晶顯示數(shù)字界面，調(diào)整觸摸式面板，可隨時(shí)顯示電壓、電流、頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速，可非常直觀地 顯示電機(jī)在任何時(shí)間的實(shí)時(shí)狀態(tài)。
(2)精確的頻率分辨率和調(diào)速精度，完全可以滿足各種生產(chǎn)工藝工況的需要。
(3)高壓變頻器具有國(guó)際通用的外部接口，能與可編程控制器(PLC)和工控機(jī)等各種儀表連接，以及與原設(shè)備控制回路相連接，構(gòu)成部分閉環(huán)系統(tǒng)。如與原DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和聯(lián)鎖控制。
(4)具有電力電子保護(hù)和工業(yè)電氣保護(hù)功能，保證變頻器和電機(jī)在正常運(yùn)行和故障時(shí)安全可靠。
(5)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng);啟動(dòng)電流小，小于電機(jī)的額定電流;電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間連續(xù)可調(diào)，減少了對(duì)電網(wǎng)的影響。
(6)具有就地和異地操作功能，另可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。
(7)減少配件損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。
三、利德華福高壓變頻器原理及特點(diǎn)
HARSVERT-A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)， 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1所示。
圖1：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。
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、性能更強(qiáng)大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-A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。
四 、熟料生產(chǎn)中特殊工藝對(duì)變頻器的要求
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)。
五、改造項(xiàng)目具體實(shí)施方案及過(guò)程
5.1 旁路柜的選擇
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，旁路柜采用了一拖一手動(dòng)方案。此結(jié)構(gòu)是手動(dòng)旁路的典型方案,原理是由3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2和QS3組成(見(jiàn)左圖其中QF為原高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的斷路器)。要求QS2和QS3不能同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開(kāi);工頻運(yùn)行時(shí)，QS3閉合，QS1和QS2斷開(kāi)。
優(yōu)點(diǎn)是:在檢修高壓變頻器時(shí)，有明顯斷電點(diǎn)，能夠保證人身安全，同時(shí)也可手動(dòng)使負(fù)載投入工頻電網(wǎng)運(yùn)行等。
5.2 工況簡(jiǎn)介
回轉(zhuǎn)窯是有一定斜度的圓筒狀物，均化好的生料預(yù)熱后由窯尾進(jìn)入到窯中，借助窯的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)物料在旋窯內(nèi)攪拌，使物料互相混合、接觸進(jìn)行反應(yīng)，物料依靠窯簡(jiǎn)體的斜度及窯的轉(zhuǎn)動(dòng)在窯內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)需要合適的氣壓及溫度，才能使煤粉有一定的懸浮時(shí)間進(jìn)行充分的燃燒，生料才能在窯內(nèi)得到很好的煅燒，形成高質(zhì)量的熟料產(chǎn)品。窯內(nèi)因物料的堆積變化很大，所以瞬時(shí)氣壓變化頻繁。窯尾高溫風(fēng)機(jī)一方面用來(lái)調(diào)整窯內(nèi)氣壓，另一方面將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒時(shí)產(chǎn)生的廢氣(含塵)引出，進(jìn)入收塵器將灰塵進(jìn)行處理后，再將廢氣排到大氣中。此項(xiàng)目為干法生產(chǎn)線，日產(chǎn)量分別為2000t，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)配置為10kV、630kW。在高溫風(fēng)機(jī)的電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間，配有高壓變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，從而調(diào)整風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，達(dá)到控制窯內(nèi)負(fù)壓。
5.3 高溫風(fēng)機(jī)變頻改造方案
經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在生產(chǎn)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)擋板開(kāi)度在80%左右，節(jié)電空間較大，我們決定對(duì)原系統(tǒng)使用變頻改造，為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器加裝了工頻旁路裝置。這樣，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，可將電機(jī)切換至工頻狀態(tài)下運(yùn)行。
5.4 改造過(guò)程
為了安裝變頻器，必須重新設(shè)計(jì)變頻器專用房。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，我們選擇在高壓配電室旁另建一間變頻器專用房，此地距高壓室較近，動(dòng)力電纜鋪設(shè)方便。
由于現(xiàn)場(chǎng)灰塵較大，而變頻器為強(qiáng)迫風(fēng)冷，設(shè)備內(nèi)空氣流通量較大，為避免變頻器受外界灰塵的影響，在房間通風(fēng)上，設(shè)計(jì)了兩扇大面積專用進(jìn)風(fēng)窗，房間不另設(shè)其它窗口，基本上是密閉設(shè)計(jì)。通風(fēng)窗采用專用過(guò)濾網(wǎng)，這樣使進(jìn)入變頻器室內(nèi)的空氣經(jīng)過(guò)通風(fēng)窗濾灰，進(jìn)入變頻器室內(nèi)的灰塵大大減少，最大限度地減少了進(jìn)入變頻器室內(nèi)的灰塵，過(guò)濾網(wǎng)定期除塵，保證變頻器長(zhǎng)期安全運(yùn)行。
現(xiàn)場(chǎng)高溫時(shí)間長(zhǎng)，變頻器功率較大，為保證足夠的通風(fēng)冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨(dú)立安裝了一個(gè)整體風(fēng)罩，與各自的出風(fēng)口連成整體，形成所謂的“風(fēng)道”，保證變頻器整體冷卻通風(fēng)要求，即使在夏季高溫季節(jié)也不需要開(kāi)空調(diào)進(jìn)行降溫。
5.5 調(diào)試方便
利德華福高壓變頻器調(diào)試非常方便，在確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)接線正確無(wú)誤后，用變頻器人機(jī)界面設(shè)定基本參數(shù)后，即可完成設(shè)置。人機(jī)界面采用全英文界面，方便使用。下圖為高壓變頻器在現(xiàn)場(chǎng)使用照片。
圖2 高壓變頻器
圖3 中控室運(yùn)行時(shí)監(jiān)控界面
5.6 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)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。
(5)廠房設(shè)備噪聲污染大大降低。
六、結(jié)論
目前很多水泥廠的風(fēng)機(jī)大馬拉小車現(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）
