艾帕高壓變頻器在水泥廠的應(yīng)用

1、艾帕高壓變頻器在水泥行業(yè)的應(yīng)用上海艾帕電力電子有限公司 竺偉摘要:本文主要論述水泥廠風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速的必要性、可行性、經(jīng)濟(jì)性和 實際運(yùn)行經(jīng)驗。對高壓變頻調(diào)速裝置的選擇,使用提出了一些建議,供水泥廠應(yīng)用時 參考。一、 概 述長期以來,我國政府對節(jié)能工作十分重視,我國能源節(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 高壓大功率變頻 調(diào)速示范工程。目前,水泥行業(yè)的競爭非常激烈,但關(guān)鍵還是制造成本的競爭,而電動機(jī)電耗占成本 近 30%,而拖動風(fēng)機(jī)用的高壓電動機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重,因此做好電動機(jī)的降耗增 效工作就顯得極為重要。目前很多水泥廠的風(fēng)機(jī)

2、大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重,如果利用變頻調(diào)速 技術(shù)改變設(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,為水泥廠帶來較大的 效益。根據(jù)具體情況,風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速后,節(jié)電率在 30%-50%范圍內(nèi),通常 1年半到 2年左右內(nèi)可收回變頻器的設(shè)備和其它安裝等附加費(fèi)用等總投資。二、 傳 統(tǒng)擋板調(diào)節(jié)存在的問題風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)入口擋板的開度,以此來調(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。主要存在以下問

3、題: 1.采用擋板調(diào)節(jié)時,大量的能量損耗在擋板的截流過程中。對風(fēng)機(jī)而言,最有效的節(jié) 能措施是采用調(diào)速來調(diào)節(jié)流量。由于風(fēng)機(jī)大都為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載,軸功率則與轉(zhuǎn)速大致成立 方關(guān)系,所以當(dāng)風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)速下降時,消耗的功率大大下降。圖 1表示了風(fēng)機(jī)采用各種調(diào) 節(jié)方法時消耗功率與風(fēng)量關(guān)系曲線。其中曲線 1為輸出端風(fēng)門控制時電機(jī)消耗的功率,2為輸入端風(fēng)門控制時電機(jī)消耗的功率,3為轉(zhuǎn)差調(diào)速控制(采用滑差電機(jī),液力耦合器時 電動機(jī)消耗的功率,4為變頻調(diào)速控制時電動機(jī)消耗的功率,最下面一條曲線為調(diào)速控制 時風(fēng)機(jī)實際所需軸功率(即電機(jī)軸輸出功率?？梢?在眾多的調(diào)節(jié)方式中,節(jié)能效果最 好的是變頻調(diào)速。2.介質(zhì)對擋板閥門和

4、管道沖擊較大,設(shè)備損壞嚴(yán)重。3.擋板動作遲緩,手動時人員不易操作,而且操作不當(dāng)會造成風(fēng)機(jī)震動。擋板執(zhí)行機(jī) 構(gòu)一般為大力矩的電動執(zhí)行器,故障較多,不能適應(yīng)長期頻繁調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)線性度差,構(gòu)成 閉環(huán)自動控制較難,且動態(tài)性能不理想。4.異步電動機(jī)在直接起動時起動電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的 6-8倍,對電網(wǎng)沖擊較大,也會引起電機(jī)發(fā)熱,強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩對電機(jī)和風(fēng)機(jī)的機(jī)械壽命存在很多不利的影響。 也有繞線式電機(jī)采用水電阻方式進(jìn)行起動的,存在設(shè)備復(fù)雜,可靠性低等缺點(diǎn)。過去也有水泥廠采用液力耦合器進(jìn)行調(diào)速。液力耦合裝置缺點(diǎn)是體積大、噪聲大、調(diào) 速范圍窄、效率低、油系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜。 圖 1 風(fēng)機(jī)采用各種調(diào)節(jié)方法時消耗功

5、率比較三、采用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)1.變頻調(diào)速能節(jié)約原來損耗在擋板截流過程中的大量能量,大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率 f 來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的,在 調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率,因而消耗轉(zhuǎn)差功率小,效率高,是異步電 動機(jī)的最為合理的調(diào)速方法。由公式 n=60f(1s/p可以看出,若均勻地改變供電頻率 f,即可平滑地改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動 機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn),目前變頻調(diào)速已成為異 步電動機(jī)最主要的調(diào)速方式,在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。對離心式風(fēng)機(jī)而言,流體力學(xué)有以下原理:輸出風(fēng)量 Q 與轉(zhuǎn)速 n 成正比

6、;輸出壓力 H 與轉(zhuǎn)速 n 2正比;輸出軸功率 P 與轉(zhuǎn)速 n 3正比;即:Q1/Q2=n1/n2H1/H2=(n1/n22P1/P2=(n1/n23當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時,如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度,則會使大量電能白白消耗在風(fēng)門及管路 系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量,可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速 時,當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時,理論節(jié)電為E=1-( n/n3×P×T (kWh式中: n-額定轉(zhuǎn)速n 實際轉(zhuǎn)速P額定轉(zhuǎn)速時電機(jī)功率T工作時間以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。2.采用變頻調(diào)速后,可實現(xiàn)軟起動,對電網(wǎng)的沖擊和機(jī)械負(fù)載的沖擊都大大減小 了,同時延長了電機(jī)和風(fēng)機(jī)

7、的壽命。同時,采用變頻調(diào)速后,電機(jī)的無功功率通過變頻器 直流環(huán)節(jié)的濾波電容進(jìn)行了瞬時補(bǔ)償,變頻器的輸入功率因數(shù)可達(dá) 0.95以上。相對電機(jī) 直接工頻運(yùn)行而言,功率因數(shù)大大改善,對低速電機(jī)效果尤為明顯。實現(xiàn)變頻調(diào)速后,風(fēng) 機(jī)經(jīng)常在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行,介質(zhì)對風(fēng)機(jī)風(fēng)扇和擋板的磨損,軸承的磨損,密封的損壞都 大大降低,減少了維護(hù)工作量。電機(jī)運(yùn)行的振動和噪聲也明顯降低。3.采用變頻調(diào)速后,可以很方便地構(gòu)成閉環(huán)控制,進(jìn)行自動調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)器輸出的 4-20mA 信號輸?shù)阶冾l器,通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,可以平穩(wěn)地調(diào)節(jié)風(fēng)量,且線性度較好, 動態(tài)響應(yīng)快,使設(shè)備在更經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行。三、 艾 帕高壓變頻器原理及

8、特點(diǎn)上海艾帕電力電子有限公司的 Innovert 系列高壓變頻器(單元串聯(lián)多電平 PWM 電壓源 型變頻器是一種直接高壓輸出電壓源型變頻器。它采用若干個低壓 PWM 變頻功率單元串 聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小,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。輸出波形好,不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和 轉(zhuǎn)矩脈動,噪音,輸出 du/dt,共模電壓等問題,不必設(shè)置輸出濾波器,就可使用普通的 異步電機(jī)。Innovert 系列采用無速度傳感器矢量控制技術(shù),全數(shù)字控制,具有起動力矩大,轉(zhuǎn) 速精度高,抗電網(wǎng)波動和負(fù)載擾動能力強(qiáng)的特點(diǎn)。其原理如圖 2所示(以 3KV 高

9、壓變頻器為例。 a主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) b功率單元結(jié)構(gòu)圖 2 單元串聯(lián)多電平變頻器原理電網(wǎng)電壓(如 6KV經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電,功率單元為 三相輸入,單相輸出的交直交 PWM 電壓源型逆變器結(jié)構(gòu),相鄰功率單元的輸出端串接起 來,中心點(diǎn)相聯(lián),形成 Y 接結(jié)構(gòu),另外三端實現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出,供給電動機(jī)。3KV 輸出電壓等級變頻器每相由 3個額定電壓為 690V 的功率單元串聯(lián)而成。改變每相功率單 元的串聯(lián)個數(shù),就可實現(xiàn)不同電壓等級的高壓輸出。6KV 變頻器每相由 5個功率單元串聯(lián) 而成,10KV 變頻器每相由 8個功率單元串聯(lián)而成。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊繞組供

10、電,功率單元之間及變壓器二次繞 組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法,實現(xiàn)多重化,以達(dá)到降低輸入諧波電流 的目的。對于 6KV 電壓等級變頻器而言,給 15個功率單元供電的 15個二次繞組每 3個一 組,分為 5個不同的相位組,互差 12º電角度,形成 30脈沖的整流電路結(jié)構(gòu),輸入電流波形接近正弦波,總的諧波電流失真為 1%左右,由于輸入電流諧波失真很低,而且采用二 極管整流方式,變頻器輸入的綜合功率因數(shù)可達(dá)到 0.95以上。圖 3為該變頻器的輸入電 壓電流波形。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

11、錯開一定電角度,實現(xiàn)多電平 PWM,輸出電壓非常 接近正弦波。輸出電壓每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小,所以 du/dt很小。功率 單元采用相對較低的開關(guān)頻率,以降低開關(guān)損耗,提高效率,變頻器額定效率可大 98.5%,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)電壓的等效開關(guān) 頻率大大提高,且輸出電平數(shù)增加,以 6KV 輸出變頻器為例,輸出相電壓為 11電平,線 電壓為 21電平,輸出等效開關(guān)頻率為 6KHZ,電平數(shù)和等效開關(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)矩脈動都大大降低,所以這種 變頻器對電機(jī)沒有特殊要求,可直接用

12、于普通異步電機(jī)。圖 4為此類變頻器的輸出電壓,電流波形。 圖 3 單元串聯(lián)多電平變頻器輸入波形 圖 4 單元串聯(lián)多電平變頻器的輸出波形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)引起的均壓問題。功率單元中采用常規(guī) IGBT 功率模塊,驅(qū)動電路簡單,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,控制系統(tǒng)可 以將故障單元自動旁路,變頻器仍可降額繼續(xù)運(yùn)行,大大提

13、高了系統(tǒng)的可靠性。圖 5為 6KV/1000KVA高壓變頻器的外形照片。圖 5 Innovert 高壓變頻器外形照片 五,應(yīng)用實例 南方某水泥廠于 2006 年 5 月在窯尾廢氣處理風(fēng)機(jī)上采用上海艾帕電力電子有限公司 生產(chǎn)的 Innovert 系列高壓變頻調(diào)速裝置.到目前為止運(yùn)行良好,節(jié)能顯著. 該窯尾廢氣處理風(fēng)機(jī)為 10kV 的高壓電機(jī),電機(jī)參數(shù)如下: 繞線式異步電機(jī),型號:YRKK-630-10 額定功率:800KW 頻率:50HZ 額定電壓: 10000V 接線:Y/Y 額定電流:62.21A 轉(zhuǎn)子開路電壓:1591V 額定轉(zhuǎn)子電流:307A 轉(zhuǎn)速:594rpm 功率因數(shù):0.781 絕

14、緣等級:F 防護(hù)等級:IP54 蘭州電機(jī)廠 2004 年生 產(chǎn). 變頻器型號:Innovert 10/10-70,額定電壓 10KV,額定電流 70A,容量 1050KVA. 原生產(chǎn)過程中,根據(jù)窯內(nèi)加料多少及窯身轉(zhuǎn)速,通過調(diào)整風(fēng)門擋板開度對排風(fēng)機(jī)的風(fēng) 量進(jìn)行調(diào)整.由設(shè)計裕度較大,正常生產(chǎn)過程中,風(fēng)門擋板開度較小,風(fēng)門檔板兩側(cè)風(fēng)壓 差較大,造成較大的節(jié)流損失.現(xiàn)運(yùn)行方式為風(fēng)門擋板全開,通過變頻來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速, 從而達(dá)到調(diào)整風(fēng)量的目的.變頻器控制接入原有的 DCS 系統(tǒng),由 DCS 系統(tǒng)來完成正常操 作.變頻器正常運(yùn)行頻率在 40HZ 左右. 本次變頻改造前后,對相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計,現(xiàn)將部分

15、數(shù)據(jù)分析如下. 改造前,電動機(jī)平均功耗為 680kW,改造后平均功耗為 410kW,通過變頻改造后功耗下降 達(dá) 270kW.按照年運(yùn)行 330 天計算, 年節(jié)電量為: 270*24*330=2138,400 度 按每度電 0.5 元,則年節(jié)能效益為 2138,400 *0.5=106.92 萬元 節(jié)電率為:270/680=39.7% 6 現(xiàn)將改造前后風(fēng)機(jī)性能對比列表如下: 改造前 平均功耗(kW 10kV 進(jìn)行開關(guān)側(cè)電流(A 起動方式 風(fēng)機(jī)噪聲 軸承溫升 680 52.7 轉(zhuǎn)子串水電阻起動 大 高 改造后 410 27.8 變頻軟起動 小 低 本變頻器還同時設(shè)計有工頻旁路回路(圖 6,萬一變頻

16、器出現(xiàn)故障時,可將電動機(jī) 自動切至原工頻供電回路,并用原有的水電阻進(jìn)行起動,以保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),而不影 響生產(chǎn).工頻運(yùn)行時,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會升高,風(fēng)壓會發(fā)生較大變化,故同時應(yīng)及時在 DCS 上對 風(fēng)機(jī)的風(fēng)門進(jìn)行及時調(diào)節(jié),降低風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量至工況要求值. 圖 6 主回路單線圖 六,采用變頻調(diào)速應(yīng)該注意的問題 7 1.可靠性方面的考慮.水泥行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的性質(zhì)決定了用于水泥廠用的高壓變頻器需 要有很高的可靠性,保證安全生產(chǎn).Innovert 系列采用主流的功率單元串聯(lián)技術(shù)方案,而 不是功率器件直接串聯(lián),避免了器件直接串聯(lián)帶來的均壓問題,本質(zhì)上保證了系統(tǒng)的可靠 性.同時,產(chǎn)品特有的無速度傳感器矢量控制技術(shù)在

17、提高起動力矩和轉(zhuǎn)速精度的同時,提 高了抗電網(wǎng)波動和負(fù)載擾動能力,大大提高了可靠性. 2.變頻器輸入諧波對電網(wǎng)的影響.如果變頻器輸入電流諧波較大,會產(chǎn)生如下危害: 供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置誤動作,可能導(dǎo)致大面積停電.測量儀器儀表誤差增大,影響計 量精度和控制性能.影響其它電力電子裝置,電子計算機(jī)系統(tǒng)及通信設(shè)備的正常工作.諧 波使電機(jī),變壓器和電容器等用電設(shè)備損耗增大,嚴(yán)重時會過熱或燒損.Innovert 系列高 壓變頻器輸入電流諧波失真極小,對電網(wǎng)基本不產(chǎn)生諧波污染,滿足 IEEE 滿足 IEEE5191992 和 GB/T14549-93 標(biāo)準(zhǔn).大,中型水泥廠自動化水平高,大多數(shù)采用自動化儀表和

18、計 算機(jī)控制系統(tǒng),對用電系統(tǒng)的諧波要求很高,Innovert 變頻器在方面有很大的優(yōu)勢. 3.變頻器輸出波形對電機(jī)的影響.由于水泥廠應(yīng)用變頻調(diào)速很大部分是舊有設(shè)備的改 造,原有的普通電機(jī)是設(shè)計成為電網(wǎng)直接運(yùn)行的,而電網(wǎng)電壓波形基本為正弦波.如果變 頻器輸出波形質(zhì)量不好的話,會對電機(jī)產(chǎn)生不良影響.變頻器輸出諧波會引起的電機(jī)附加 發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動,噪音增加,輸出 dv/dt 和共模電壓會影響電機(jī)的絕緣.Innovert 系列高 壓變頻器由于輸出波形質(zhì)量好,不必設(shè)置輸出濾波器,就可以使用原有的普通異步電機(jī). 七,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