利德華福高壓變頻器在焙燒煙氣凈化引風機控制系統(tǒng)中的應用

1、利德華福高壓變頻器在焙燒煙氣凈化引風機控制系統(tǒng)中的應用    一、前言在現(xiàn)代大中型工礦企業(yè)中，高壓電機電能消耗占企業(yè)總電能用量的一半左右。雖然低壓變頻器在實際應用中已十分普遍，但由于高壓變頻技術復雜和電子器件耐壓限制，一直制約著其實際應用與推廣普及。近幾年來，隨著高壓變頻技術的日趨成熟和功率器件耐壓能力的突破，高壓變頻器的應用趨勢日益加快，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)引風機應用北京利德華福電氣技術有限公司生產(chǎn)的HARS一、前言在現(xiàn)代大中型工礦企業(yè)中，高壓電機電能消耗占企業(yè)總電能用量的一半左右。雖然低壓變頻器在實

2、際應用中已十分普遍，但由于高壓變頻技術復雜和電子器件耐壓限制，一直制約著其實際應用與推廣普及。近幾年來，隨著高壓變頻技術的日趨成熟和功率器件耐壓能力的突破，高壓變頻器的應用趨勢日益加快，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)引風機應用北京利德華福電氣技術有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/100型高壓變頻器實施變頻改造為例，詳細闡述了國產(chǎn)高壓變頻器的應用情況。其成功應用充分證明國產(chǎn)高壓變頻在關鍵技術上已經(jīng)取得實質(zhì)性進展。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步和發(fā)展，其產(chǎn)品的技術含量和質(zhì)量已趕上世界同行的水平，而且價格低

3、、性能優(yōu)越、運行穩(wěn)定，已贏得國內(nèi)眾多企業(yè)的認可和好評。二、系統(tǒng)配置我廠炭素一二期焙燒煙氣凈化系統(tǒng)原來設計為4臺三相低壓異步電動機（Y355M-4型，315kW，562A，1476r/min）拖動，在日常生產(chǎn)中通常投運2-3臺（1臺備用）就能滿足焙燒煙氣凈化需要，因風機之間通過煙道并聯(lián)，其凈化系統(tǒng)負壓是通過各風機分煙道蝶閥開閉調(diào)節(jié)，其各個分煙道蝶閥開度只能憑操作人員實際經(jīng)驗判斷和控制。另外，由于停運分機蝶閥泄露，導致凈化系統(tǒng)無效循環(huán)嚴重。針對這種問題，2005年，我廠提出了應用高壓風機、變頻調(diào)速控制的實施改造方案（如圖1），為提高凈化系統(tǒng)安全、可靠性，設計為一用一備系統(tǒng)。圖1:焙燒煙氣凈化系統(tǒng)引

4、風機控制配置圖 1.拖動設備高壓異步電動機：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；蘭州電機有限責任公司制造。2.離心引風機型號：Y7-2X36-22F；338600m3/h（風量）；7500Pa（風壓）；ne=990r/min；配套電機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機拖動系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的改造和優(yōu)化，其引風機、拖動電動機均進行了更新。電機拖動系統(tǒng)選用北京利德華福電氣技術有限公司生

5、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，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1.采用功率模塊串聯(lián)多電平

6、電壓疊加技術HARSVERT-A系列變頻器采用低壓變頻器串聯(lián)的方式實現(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)供電標準。在負載時，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)能達到0.95以上。在輸出側(cè)采用多級PWM技術，dv/dt小，諧波少，其功率電路采用標準模塊化設計，更換方便，互換性強，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

7、制技術、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，不需要進行功率因數(shù)補償或加裝諧波抑制裝置。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對

8、獨立，其控制技術類似于普通低壓變頻器。4.輸出側(cè)結(jié)構(gòu)獨特輸出側(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供電，通過各個獨立功率逆變單元的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、電機絕緣無損壞，可直接驅(qū)動普通高壓異步電機；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。因電機諧波損耗顯著減少，能較好地消除負載機械軸承和葉片振動現(xiàn)象。在運行中，若當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行即可。因此，可大幅減少設備的異常停機和

9、系統(tǒng)頻繁停、啟現(xiàn)象。5.應用高速CPU控制器變頻控制器由高速單片機處理器、人機操作界面和PLC等電路構(gòu)成，其人機操作方式為標準操作面板界面。單片機實現(xiàn)PWM控制，人機操作界面能很方便地實現(xiàn)高壓變頻調(diào)速裝置與實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、模擬畫面能實時再現(xiàn)整個系統(tǒng)各項運行狀態(tài)參數(shù)，并具有使用方便、快捷、遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡化控制功能。PLC的應用很好地實現(xiàn)了系統(tǒng)開關信號的邏輯處理、多級保護措施的實施，大幅提升設備的保護、互鎖等安全等級。通過光纖通訊技術實現(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)具有相當高的安全性和抗電磁干擾性能。6.

10、控制方式先進HARSVERT-A高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)通常采用異地遠程控制，其變頻器的頻率設定可通過外部監(jiān)控上位計算機給定（也可通過柜體操作面板），如主界面的加減速鍵或“頻率設定”設置運行頻率（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臺風機就采用這種方式控制。由于變頻器控制系統(tǒng)設有PID調(diào)節(jié)功能，可很好地實現(xiàn)給定頻率升、降調(diào)速變化的平滑性和均勻性。變頻器啟動后運行于設定頻率（可選擇開環(huán)或閉環(huán)控制）。其實時狀態(tài)監(jiān)控、啟動、停車、急停、復位、運行頻率設定、參數(shù)刷新、故障記錄查看等控制操作，均通過上位機完成。一臺微機可實現(xiàn)多臺變頻器操作、監(jiān)控任務。圖5：我廠二期凈化高壓變頻器頻率設定、參數(shù)

11、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：其有關各項參數(shù)采用中文提示、整體備份和恢復；系統(tǒng)設有兩段頻率躲避區(qū)，可回避風機在某一頻率段（或點）工作時出現(xiàn)的共振、喘振等現(xiàn)象，根據(jù)不同負載啟動需要，系統(tǒng)設有不同的轉(zhuǎn)矩提升控制。終端監(jiān)控系統(tǒng)設有故障定位和查詢功能，異?；蜉p微故障時會在主界面實時提供報警信息。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)設有波形顯示功能，查看運行中的波形質(zhì)量，可及時調(diào)整系統(tǒng)功率因數(shù)。設有運行數(shù)據(jù)自動記錄功能，變頻器運行時各項參數(shù)包括給定頻率、電機轉(zhuǎn)速、輸入電流、輸出電流、輸入電壓、輸

12、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及上位機等當前的狀態(tài)，輔助分析各控制器間的通訊情況。 圖6：運行數(shù)據(jù)記錄顯示 8.系統(tǒng)散熱設計合理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級干式變壓器標準設計，絕緣材料能夠耐受180的高溫，其冷卻系統(tǒng)采用增加柜頂風機提高變壓器柜的冷卻風量來達到降低設備自身溫度，在45環(huán)境溫度下，變壓器工作允許溫度可達110。如我廠夏季最高氣溫為31，在自然通風的室內(nèi)，環(huán)境溫度為19左右，當風機負荷達到96%時，較長時間（4-8小

13、時）運行后，其變壓器線圈溫度只有42，這遠遠低于設計要求。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行中發(fā)熱體之一。功率器件IGBT的最大允許運行溫度（外殼溫度）不允許超過85，過高的溫升會導致管壓降加大、熱損耗增加，形成惡性循環(huán)引起器件內(nèi)熱量累積，導致因溫度過高而燒毀。故功率器件的散熱關系到系統(tǒng)的安全可靠性問題。HARSVERT-A系列變頻器選用先進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。其次選用熱傳導特性好、導熱率高的新型冷板釬焊散熱器，進一步提高了散熱效果。此外柜體設計為柵格濾網(wǎng)罩，采用透氣性好、韌度高的新型過濾合成絲綿，以降低進風風阻，采用冷卻風機冗余設計。四、運行效果自2005年8月，我廠一期2臺焙燒凈化引風機高壓變頻