水泥廠高溫風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速設(shè)計

朱慶：水泥廠高溫風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速設(shè)計遼寧工程技術(shù)大學(xué)職院畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE2PAGE1遼寧工程技術(shù)大學(xué)職院畢業(yè)設(shè)計（論文）前言目錄510131428改6頁變頻調(diào)速技術(shù)(variablevelocityvaliablefrequencytechnology)是一項綜合現(xiàn)代電氣技術(shù)和計算機(jī)控制的先進(jìn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)節(jié)能領(lǐng)域。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，具有調(diào)速性能好、節(jié)能效果顯著、運(yùn)行工藝安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。在大力提倡節(jié)約能源的今天，推廣使用這種集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)于一體的高科技節(jié)能裝置，對于提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗具有重大的現(xiàn)實意義。可以說變頻調(diào)速技術(shù)是一項利國利民、有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)。依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和管理，提高設(shè)備運(yùn)行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的資源，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。交流電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是一項已被廣泛應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，變頻調(diào)速已逐漸取代過去的滑差調(diào)速、變極調(diào)速、定子調(diào)速、串極調(diào)速、液力偶合調(diào)速及直流電機(jī)調(diào)速等調(diào)速方式，在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平穩(wěn)、無級變速等優(yōu)點(diǎn)。近年來變頻器的應(yīng)用越來越多，尤其在電力緊張的情況下，變頻器的節(jié)能效果越發(fā)顯的重要，因此將高壓風(fēng)機(jī)、反吹風(fēng)機(jī)改為變頻器控制，將傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速理論、現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及計算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合在一起，當(dāng)用風(fēng)量發(fā)生變化時，電機(jī)轉(zhuǎn)速自動改變，使電機(jī)在最經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)電的目的。風(fēng)機(jī)和水泵在國民經(jīng)濟(jì)各部門中應(yīng)用數(shù)量眾多，分布面極廣，是耗電量巨大的設(shè)備。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，全國風(fēng)機(jī)、水泵電動機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s35000MW，耗電量約占全國電力消耗總量的40％左右。目前，風(fēng)機(jī)和水泵運(yùn)行中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點(diǎn)是提高風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行效率。據(jù)估計，提高風(fēng)機(jī)和水泵系統(tǒng)運(yùn)行效率的節(jié)能潛力可達(dá)300～500億kWh/年。效益最大化是企業(yè)永恒的主題，利用新技術(shù)來提高企業(yè)生產(chǎn)裝置的管理水平和節(jié)能降耗已是各企業(yè)首選的手段之一。本控制系統(tǒng)采用了變頻調(diào)速閉環(huán)控制，相應(yīng)的壓力傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，使得系統(tǒng)調(diào)試和使用都十分方便，而且大大簡化了在管理和操控等方面的工作量。實踐證明，本系統(tǒng)不僅提高了水泥廠的經(jīng)濟(jì)效益，更是在節(jié)約能源、降低噪聲美化環(huán)境表現(xiàn)出很好的效果。由于編者的水平有限，設(shè)計中不免會存在一些疏漏和不妥之處，懇請指導(dǎo)老師批評和指正。原始資料我國水泥廠較多采用立窯配備155～215KW羅茨風(fēng)機(jī)，羅茨風(fēng)機(jī)為容積式風(fēng)機(jī)，輸送的風(fēng)量與轉(zhuǎn)數(shù)成比例，三葉型葉輪每轉(zhuǎn)動一次由2個葉輪進(jìn)行3次吸、排氣。與二葉型相比，氣體脈動性小，振動也小，噪聲低。風(fēng)機(jī)2根軸上的葉輪與橢圓形殼體內(nèi)孔面，葉輪端面和風(fēng)機(jī)前后端蓋之間及風(fēng)機(jī)葉輪之間者始終保持微小的間隙，在同步齒輪的帶動下風(fēng)從風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口沿殼體內(nèi)壁輸送到排出的一側(cè)。風(fēng)機(jī)內(nèi)腔不需要潤滑油，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，性能穩(wěn)定，適應(yīng)多種用途，已運(yùn)用于廣泛的領(lǐng)域。又由于采用了三葉轉(zhuǎn)輪及帶螺旋線型的箱體，所以風(fēng)機(jī)的噪聲的振動很小。葉輪和軸為整體結(jié)構(gòu)，且葉輪無磨損，風(fēng)機(jī)性能持久不變，可以長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的風(fēng)量控制辦法是依靠放風(fēng)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于羅茨風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量較為恒定的，煅燒時根據(jù)窯的情況需要隨時調(diào)節(jié)風(fēng)量，當(dāng)窯內(nèi)需要少風(fēng)量時，通過放風(fēng)閥放走多余的風(fēng)量，造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。怎樣才能節(jié)省放風(fēng)所浪費(fèi)的能源呢？當(dāng)然最根本的辦法是控制羅茨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，保證窯內(nèi)需多少風(fēng)量就供多少風(fēng)，完全免除放風(fēng)所造成的浪費(fèi)。水泥廠生產(chǎn)線為干法懸窯，其窯燒成系統(tǒng)流程簡圖如圖0-1所示。

圖0-1高壓變頻典型應(yīng)用實例懸窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，預(yù)熱機(jī)來的料從窯尾進(jìn)入到窯中，借助窯的轉(zhuǎn)動來促進(jìn)料在旋窯內(nèi)攪拌，使料互相混合、接觸進(jìn)行反應(yīng)，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉(zhuǎn)動在窯內(nèi)向前運(yùn)動。窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生的余熱廢氣，在窯尾高溫風(fēng)機(jī)的作用下，通過預(yù)熱器對進(jìn)入窯尾前的生料進(jìn)行預(yù)熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風(fēng)機(jī)抽出進(jìn)入廢氣處理（除塵及排出）。

XXX水泥廠的1#窯，日產(chǎn)為2500t，到現(xiàn)在運(yùn)行已近多年。1#窯生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)配置為6kV1600kW，窯尾EP風(fēng)機(jī)配置為6kV280kW。在高溫風(fēng)機(jī)的電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間，配有液力耦合器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，整個工藝過程主要是通過DCS的控制來調(diào)節(jié)液力耦合器的速度從而調(diào)整風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，達(dá)到控制窯內(nèi)負(fù)壓。窯尾EP風(fēng)機(jī)依靠風(fēng)門來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由于使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴(yán)重，運(yùn)行中每天需加油2～3次，以補(bǔ)充漏油，油面調(diào)整的控制回路失靈不能自動調(diào)節(jié)，在運(yùn)行中只能靠手動調(diào)節(jié)置于固定轉(zhuǎn)速比。在運(yùn)行是時仍靠風(fēng)機(jī)擋板進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，當(dāng)窯系統(tǒng)工況變化較大時，現(xiàn)場值班人員根據(jù)中控制室的指令對液力耦合器的勺桿進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，運(yùn)行操作非常不便。因此，決定首先對水泥廠1#窯生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)速設(shè)計。1概述1.1變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀經(jīng)過大約30年的發(fā)展，目前交流調(diào)速電氣傳動已經(jīng)上升為電氣調(diào)速傳動的主流，在電氣調(diào)速傳動領(lǐng)域內(nèi)，有直流電動機(jī)占統(tǒng)治地位的局面已經(jīng)受到猛烈的沖擊?？v觀變頻技術(shù)的發(fā)展，其中主要是以電力電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)的。第一代以晶閘管為代表的電力電子器件出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，它主要使電流控制型開關(guān)器件，以小電流控制大功率的變換，但其開關(guān)頻率低，只能導(dǎo)通而不能自關(guān)斷。第二代電力電子器件以電力晶體管（GTR）和門極關(guān)斷（GTO）晶閘管為代表，在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來，它是一種電流型自關(guān)斷的電力電子器件，可方便的實現(xiàn)變頻逆變和斬波，其開關(guān)頻率只有1~5KHZ。第三代電力電子器件以雙極型絕緣柵晶體管（IGBT）和電力場效應(yīng)晶體管（MOSET）為代表。在20世紀(jì)70年代開始應(yīng)用，它是電壓場（場控）型自關(guān)斷的電力電子器件。第四代電力電子器件，有出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代末的智能化功率集成電路（PIC）和20世紀(jì)90年代的智能功率模塊（IPM）、集成門極換流晶閘管（IGCT），它們實現(xiàn)了開關(guān)頻率的高速化、低導(dǎo)通電壓的高性能化及功率集成電路的大規(guī)?；?。1.2變頻技術(shù)的特點(diǎn)電力電子器件的自關(guān)斷化、模塊化、交流電路開關(guān)模式的高頻化和控制手段的全數(shù)字化促進(jìn)了變頻電源裝置的小型化、高性能化，尤其是控制手段的全數(shù)字化利用了微型計算機(jī)的巨大的信息處理能力，其軟件功能不斷強(qiáng)化，使變頻裝置的靈活性和適應(yīng)性不斷增強(qiáng)。交流調(diào)速裝置的大容量化、開關(guān)器件的自關(guān)斷化、PWM技術(shù)的應(yīng)用、全數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用，使變頻技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，朝著高度集成化、采用表面安裝技術(shù)、轉(zhuǎn)矩控制高性能化、保護(hù)功能健全、操作簡便化、驅(qū)動低噪聲化、高可能性、低成本和小型化的方向發(fā)展。2變頻原理異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為n1=60f1／np式中,n1——同步轉(zhuǎn)速（r/min）f1——定子轉(zhuǎn)速(HZ)np——磁極對數(shù)而異步電動機(jī)的軸轉(zhuǎn)速為：n1=n1（1－s)=60f1/np(1－s)式中，S——異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，S=(n1－n)/n1由上式可見，改變異步電動機(jī)的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行。變頻技術(shù)簡單地說就是把直流電逆變成不同頻率的交流電，或是把交流電變成直流電，再逆變成不同頻率的交流電，或者是把直流電變成交流電，再把交流電變成直流電，總之這一切都是電能不發(fā)生變化，而只有頻率的變化，變頻技術(shù)的類型主要有以下幾種：交-直變頻技術(shù)（整流技術(shù)），直-直變頻技術(shù)（斬波技術(shù)），直-交變頻技術(shù)（振蕩技術(shù)），交-交變頻技術(shù)（移相技術(shù)）。2.1交直交變頻的基本電路圖2-1交-直-交電壓型變頻交-直-交變頻電路根據(jù)變頻電源的性質(zhì)可分為電壓型變頻和電流型變頻，2.1.1交-直-交電壓型變頻交-直-交電壓型變頻的構(gòu)成如圖2-1所示，該電路的核心是三相電壓型逆變器的基本電路如圖2-2所示。圖中，直流電源并聯(lián)一大容量的濾波電容Cd,由于Cd的存在，使直流輸出電壓具有電壓源的特性，內(nèi)阻很大，這使逆變器的交流輸出電壓被鉗位為矩型波，與負(fù)載的性質(zhì)無關(guān)，交流輸出電流的波形和相位由負(fù)載功率因數(shù)來決定，在異步電動機(jī)變頻調(diào)速中，這個大電容同時又是緩沖負(fù)載無功功率的儲能元件。直流電路電感Ld起限流作用，電感量很小。圖2-2三相電壓型逆變器的基本電路2.1.2交-直-交電流型變頻電壓型變頻，由于再生制動時必須接入附加電路，使電路復(fù)雜，電流型變頻可以彌補(bǔ)其不足，而且主電路結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。交-直-交電流型變頻器的構(gòu)成如圖2-3所示。圖2-3交-直-交電流型變頻圖2-4三相電流型逆變器的基本電路三相電流型逆變器的基本電路如圖2-4所示。與電壓型逆變器不同，直流電源上并聯(lián)了大電感濾波。由于大電感的限流作用，為逆變器提供的直流電流波形平直、脈動很小，具有電流源特性。這使逆變器輸出的交流電流為矩形波，與負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，而輸出的交流電壓波形及相位隨負(fù)載的變化而變化。對于變頻調(diào)速系統(tǒng)而言，這個大電感同時又是緩沖負(fù)載無功能量的儲能元件。2.2脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)脈寬調(diào)制（PWM）就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形，也就是在輸出波形的半個周期內(nèi)產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波狀，所獲得輸出平滑且低次諧波少，按一定規(guī)則對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可以改變輸出頻率。電壓型交-直-交型變頻電路，為了使輸出電壓和輸出頻率都得到控制，變頻器通常是由一個可控整流電路和一個逆變電路組成，控制整流電路以改變輸出電壓，控制逆變電路來改變輸出頻率。圖2-5所示是電壓型PWM交-直-交變頻電路，這里由不可控整流電路代替可控整流電路，逆變電路采用自關(guān)斷器件，這種PWM型變頻電路的主要特點(diǎn)：（1）可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓；（2）整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數(shù)；

（3）電路結(jié)構(gòu)簡單；

（4）通過對輸出脈沖寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過程的動態(tài)響應(yīng)。圖2-5PWM變頻器的主電路圖其實，PWM變頻器就是基本逆變變頻器。當(dāng)采用PWM方法控制逆變器功率器件通斷時，可獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖，輸出電壓幅值的改變，可通過控制該脈沖的寬度，而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實現(xiàn)。調(diào)壓原理：利用參考電壓波Up與載頻三角波Uc互相比較來決定主開關(guān)器件的導(dǎo)通時間來實現(xiàn)調(diào)壓，利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦波電壓，這種參考信號為正弦波，輸出電壓平均值近似為正弦基波的PWM方式稱為正弦SPWM方式。脈沖的調(diào)制方法對PWM型變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動的高壓變頻技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。高壓電動機(jī)利用高壓變頻器可實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足生產(chǎn)工藝過程對電動機(jī)調(diào)速控制的要求，以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，又可大幅度地節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。2.3高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)近年來，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，可是到目前為止，高壓變頻器還沒有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)高壓組成方式，可分為直接高壓型和高-低-高型;根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)，可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器。在交-直-交變頻器中，根據(jù)中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，又可分為電壓源型(也稱電壓型)和電流源型(也稱電流型)。高-低-高型變頻器采用變壓器實行輸入降壓、輸出升壓的方式，其實質(zhì)上還是低壓變頻器，只不過從電網(wǎng)和電動機(jī)兩端來看是高壓的，這是受到功率器件電壓等級技術(shù)條件的限制而采取的變通辦法，需要輸入、輸出變壓器，存在中間低壓環(huán)節(jié)電流大、效率低下、可靠性下降、占地面積大等;缺點(diǎn):只用于一些小容量高壓電動機(jī)的簡單調(diào)速。常規(guī)的交-交變頻器由于受到輸出最高頻率的限制，只用在一些低速、大容量的特殊場合。順便指出，國內(nèi)習(xí)慣稱作的高壓變頻器，實際上電壓一般為2.3～10kV，國內(nèi)主要為3.6kV和10kV，和電網(wǎng)電壓相比，只能算作中壓，故國外常稱為中壓變頻器。

（1）高-低-高結(jié)構(gòu)

該種結(jié)構(gòu)將輸入高壓經(jīng)降壓變壓器變成380V的低電壓，然后用普通變頻器進(jìn)行變頻，再由升壓變壓器將電壓變回高壓。很明顯，該種中高壓變頻裝置的優(yōu)點(diǎn)是可利用現(xiàn)有的低壓變頻技術(shù)來實現(xiàn)高壓變頻，易于實現(xiàn)，價格低;其缺點(diǎn)是使用了降壓和升壓2臺變壓器，系統(tǒng)體積大、成本高、效率低、低頻時能量傳輸困難等。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-6所示。圖2-6高－低－高變頻器結(jié)構(gòu)（2）多重化技術(shù)

采用多重化技術(shù)也是用小功率器件實現(xiàn)大功率變換的一種方法。所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個低壓PWM功率單元在其輸出端通過某種方式(如變壓器)串聯(lián)或并聯(lián)組成。各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，由低壓PWM變頻單元串聯(lián)疊加達(dá)到高壓輸出或并聯(lián)達(dá)到大容量輸出的目的。其中每一個功率單元都是分別進(jìn)行整流、濾波、逆變的。目前功率單元都采用二電平方案，開關(guān)器件電壓等級只要考慮功率單元內(nèi)的中間直流電路電壓值。多重化技術(shù)可以大大降低諧波含量，提高功率因數(shù)。在電壓型變頻器組成的多重化系統(tǒng)中，為防止由于不同變壓器副邊繞組電壓差而形成環(huán)流，通常在副邊采取串聯(lián)方式聯(lián)接。相應(yīng)地，在電流型變頻器組成的多重化系統(tǒng)中，副邊繞組一般采用并聯(lián)連接。但是多重化技術(shù)需要引入結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大容量隔離變壓器;所需主管數(shù)量較多，增加了設(shè)備投入，造價昂貴，還需要占用一定安裝空間;多重化技術(shù)對控制精度要求也較高。（3）多管直接串聯(lián)的兩電平變換電路

將器件串、并聯(lián)使用，是滿足系統(tǒng)容量要求的一個簡單直觀的辦法。串、并聯(lián)在一起的各個器件，被當(dāng)作單個器件使用，其控制也是完全相同的。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可利用較為成熟的低壓變頻器的電路拓?fù)?、控制策略和控制方?其難點(diǎn)是串聯(lián)開關(guān)管需要動態(tài)均壓和靜態(tài)均壓，因此對驅(qū)動、控制電路的要求也大大提高，還需要解決dv/dt，抗共模電壓技術(shù)、正弦波濾波技術(shù)等問題。國內(nèi)成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并申請了專利，解決了IGBT直接串聯(lián)的世界難題，代表了高壓變頻器的一個發(fā)展方向。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-7所示，它完全舍棄了輸入輸出變壓器，使得IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器成為目前世界上體積與占地面積最小的產(chǎn)品。圖2-7

二極管鉗位型三電平高壓變頻器（4）二極管鉗位型三電平變換電路

為了解決器件直接串聯(lián)時所需要的均壓問題，逐漸發(fā)展出以器件串、井聯(lián)為基礎(chǔ)，各器件分別控制的變流器結(jié)構(gòu)。在這方面，日本學(xué)者A.Nabae于80年代初提出的中點(diǎn)箝位型PWM逆變電路結(jié)構(gòu)具有開創(chuàng)性的意義。二極管箝位型變流器的結(jié)構(gòu)如圖2-8所示，該變流器的輸出相電壓為三電平。如果去掉兩個箝位二極管，這種變流器就是用兩個功率器件串聯(lián)使用代替單個功率器件的半橋逆變電路。由于兩個箝位二極管的存在，各個器件能夠分別進(jìn)行控制，因而避免了器件直接串聯(lián)引起的動態(tài)均壓問題。與普通的二電平變流器相比，由于輸出電壓的電平數(shù)有所增加，每個電平幅值相對降低，由整個直流母線電壓降為一半直流母線電壓，在同等開關(guān)頻率的前提下，可使輸出波形質(zhì)量有較大的改善，輸出dv/dt也相應(yīng)下降，因此中點(diǎn)箝位型變流器顯然比普通二電平變流器更具優(yōu)勢。圖2-8為三電平逆變一相的基本結(jié)構(gòu)，V1～V4代表一相橋臂中的４個功率開關(guān)，VW1～VW4為反并聯(lián)的須流二極管，VC1、VC2為鉗位二極管，所有的二極管要求有與功率開關(guān)相同的耐壓等級。Ed為一組二端，C為中間點(diǎn)。圖2-8三電平基本電路對于每相橋臂通過控制功率器件V1～V4的開通、關(guān)斷，在橋臂輸出點(diǎn)可獲得三種不同電平+Ed、0、－Ed,，見表2-1。表2-1三電平變頻器每相輸出電壓組合表V1V2V3V4輸出電壓狀態(tài)代號ONONOFFOFF+EdPOFFONONOFF0COFFOFFONON－EdN由表2-1看出，功率開關(guān)V1和V3狀態(tài)是互反的，V2與V4也是互反的。同時規(guī)定，輸出電壓只能是+Ed到0、0到－Ed，或相反地變化，不允許在+Ed和－Ed之間直接變化。所以不存在兩個器件同時開通或同時關(guān)斷，也就是不存在動態(tài)均壓問題。對于由三個橋臂組成的三相逆變器，根據(jù)三相橋臂U、V、W的不同開關(guān)組合，最終可得到三電平變頻器的27種開關(guān)模式，見表2-2。表2-2三電平變頻器輸出狀態(tài)表PPPPPNPPCPCNPCCPNNPCPPNCPNPCCCCPNCPCCCNCPPCNNCCPCNCCNPNNNNPNNPCNCNNPPNCCNCPNNCNNP采用中心點(diǎn)鉗位方式使輸出增加了一個電平，輸出電壓的臺階高度降低了一半，而且很重要的一點(diǎn)是增加了輸出PWM控制的自由度，使輸出波形質(zhì)量在同等開關(guān)頻率條件下有較大的提高。（5）高壓大功率變頻器控制策略

高壓大功率變頻器控制技術(shù)是高壓大功率變頻器研究中一個相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù)，它是與高壓大功率變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)共生的。因為它不僅決定高壓大功率變頻器的實現(xiàn)與否，而且，對高壓大功率變頻器的電壓輸出波形質(zhì)量，系統(tǒng)損耗的減少與效率的提高都有直接的影響。高壓大功率變頻器功能的實現(xiàn)，不僅要有適當(dāng)?shù)碾娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，還要有相應(yīng)的控制方式作為保障，才能保證系統(tǒng)高性能和高效率的運(yùn)行。在過去的近20年里，大量的高壓大功率變頻器控制方法被提出，它們基本上都發(fā)源于業(yè)己成熟的兩電平PWM技術(shù)，歸納起來可以分為以下幾大類:階梯波調(diào)制、選擇諧波消去法(SHEPWM)、開關(guān)頻率優(yōu)化法(SFOPWM)、空間矢量調(diào)制(SVPWM)、載波相移PWM調(diào)制。一般說來，衡量一種開關(guān)調(diào)制策略的優(yōu)劣從以下幾個方面進(jìn)行分析:變流器輸出的諧波特性、器件的開關(guān)頻率、動態(tài)輸出特性及傳輸帶寬等2.4晶閘管閥串均壓技術(shù)的應(yīng)用本高壓變頻器為高壓變頻器，三相高壓交流電經(jīng)變頻器直接控制高壓控制電壓電機(jī)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)式顯而易見的，它不需要降、升壓變壓器系統(tǒng)，故結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備少，占地面積小，效率也高。但由于晶閘管制造技術(shù)的限制，晶閘管單管電壓水平還達(dá)不到高壓變頻器所需要的耐壓等級。為了使變頻器的每個橋臂都能承受正常工作所耐受的高電壓值，就必須采用幾個功率元件串聯(lián)組成一個閥閘（即一個橋臂）的方法，如圖2-9所示，在本裝置中，采用七只4000V/200A（KP200）晶閘管串聯(lián)組成晶閘管閥串，共12閥閘，84只晶閘管。圖2-9晶閘管關(guān)斷時的均壓結(jié)構(gòu)解決好在各種可能出現(xiàn)的電壓下閥串中晶閘管的均壓問題，各晶閘管關(guān)斷和導(dǎo)通的一致性問題，是高壓大容量變頻器調(diào)速裝置的關(guān)鍵技術(shù)問題。同一橋臂中串聯(lián)的晶閘管元件必須同時導(dǎo)通，否則后導(dǎo)通的元件將承受過高壓而損壞，這就要求同一閥串中各晶閘管門極觸發(fā)功率足夠大，以保證各晶閘管的同時導(dǎo)通。本裝置中采用脈沖電壓器觸發(fā)，各脈沖變壓器的原邊通過同以觸發(fā)電流，因此7只脈沖變壓器的副邊同時感應(yīng)出幅值、波形相同的電壓，由此保證觸發(fā)脈沖前沿坡度的一致性和同時性。同一橋臂中串聯(lián)的各晶閘管在關(guān)斷時也必須保持一致，否則先關(guān)斷的元件也將承受過高壓而損壞。這要求同一橋臂中各晶閘管的參數(shù)一致，其差異越小越好。在本裝置中，采用了靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓措施。2.4.1靜態(tài)均壓是指晶閘管處于阻斷狀態(tài)下承受供頻電壓或直流電壓時的晶閘管元件之間的均壓。在這種情況下，電壓波形前沿時間較長，可采用電阻R均壓。按均壓最惡劣的情況考慮。設(shè)晶閘管SCR1的漏電流量最小，為Imin，其余晶閘管的漏電流均為Imin+△Im，△Im為最大漏電流偏差。這樣晶閘管SCR1承受的反向阻斷電壓最高，為Um=（I－Imin）R。其余各晶閘管承受的反向阻斷電壓為U=（I－Imin－△Im）R。閥串總電壓為Up=Um+(n－1)U,n為閥串中串聯(lián)的個數(shù)。則：Up=Um+(n－1)(I－Imin－△Im)R=Um+(n－1)(I－Imin)R－(n－1)△Im=Um+(n－1)Um－(n－1)△ImR=nUm－(n－1)△ImR均壓系數(shù)定義為：K=Uav/Um。Uav為閥串中每個晶閘管的平均電壓，因此，上式可變?yōu)椋篣p=nUav/K－（n－1）△ImR由于Uav=Up/n，Up=nUav，故Up=Up/K－（n－1）△ImR由此可得到靜態(tài)平均電阻的阻值RR=Up[（1/K－1）/（n－1）△Im]通過此計算值，并與實驗值結(jié)合，選取：R=50KΩ靜態(tài)平均電壓的功耗按公式Pr=Um/R計算，并留有足夠的裕量，選取：Pr=150W2.4.2動態(tài)均壓是指同一的晶閘管開通和關(guān)斷過程中的均壓，即過度過程中的均壓。如圖2-10所示為晶閘管關(guān)斷的電流波形圖。當(dāng)晶閘管關(guān)斷時，電流正方向過零后，并不立即恢復(fù)其阻斷特性。由于方向恢復(fù)電荷的存在，在晶閘管中形成一個反向恢復(fù)電流Itr，反向恢復(fù)電荷Qr由下式?jīng)Q定：Qr=1/2×Itr/0.64式中，Ttr為晶閘管的反向阻斷恢復(fù)時間。反向恢復(fù)電荷決定了閥串中每個晶閘管所承受的阻斷電壓值。當(dāng)晶閘管僅流過反向漏電流Ir時，即恢復(fù)了反向阻斷特性，此時觀點(diǎn)過程結(jié)束，由動態(tài)均壓轉(zhuǎn)為靜態(tài)均壓。由此可見，反向恢復(fù)是晶閘管關(guān)斷過程中電壓非陪不均的主要原因。為此，動態(tài)均壓采用了與晶閘管并聯(lián)阻容來解決。設(shè)置晶閘管SCR1的反向恢復(fù)電荷為Qr1其余晶閘管的反向恢復(fù)電荷為Qr2，并且Qr1﹥Qr2，△Qr=Qr1=Qr2。由于Qr1最大，在關(guān)斷過程中，SCR1承受的電壓最高，為Um=Qr1/C。其余各晶閘管的電壓分配值為U=Qr2/C=（Qr1－△Qr）/C。總電壓為：Up=Qr1/C+（n－1）（Qr1－△Qr）/C=nUm－（n－1）△Qr/C=Up/K（n－1）△Qr/C由此式可以推出動態(tài)均壓電容的電容值：C=（n－1）Qr/[Up（1/K－1）]按此式計算并通過實驗，本裝置最終選取：C=0.47μF動態(tài)均壓電阻主要用于限制均壓電容C的放電電流，并防止電路產(chǎn)生寄生振蕩，其值和功耗按經(jīng)驗選?。篟為25Ω、75W電阻。圖2-10晶閘管關(guān)斷時的波形在晶閘管的參數(shù)選取中，應(yīng)十分注意在同一閥串中盡量選擇漏電流、反向恢復(fù)電荷及門極觸發(fā)特性一致或接近的晶閘管。在較長時間的工業(yè)運(yùn)行中，證明上述均壓措施和參數(shù)選取式正確的。均壓參數(shù)K達(dá)到0.95。3風(fēng)機(jī)的基本特性及調(diào)速原理3.1風(fēng)機(jī)的發(fā)展概況與使用趨勢.風(fēng)機(jī)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、民用生活中的各個領(lǐng)域。小到民用生活的排氣扇，大到工業(yè)生產(chǎn)中的各種類型，各種功用的通風(fēng)機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)。工業(yè)生產(chǎn)與民用生活中使用了大量風(fēng)機(jī)和水泵，它們的用電量占整個國民經(jīng)濟(jì)用電量的70%以上。用恒速電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)和水泵，需根據(jù)季節(jié)、時間或生產(chǎn)狀態(tài)對負(fù)載進(jìn)行調(diào)整時，就要同時調(diào)整閥門或風(fēng)門，使之與負(fù)荷的變化相適應(yīng)。但是采用這種方法，系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的能量并沒有減少，電動機(jī)輸出功率基本沒有改變。雖然閥門或風(fēng)門的輸出量達(dá)到了工況要求，但是能量有效應(yīng)的比例減少，而損耗增加。在這種情況下，不會有節(jié)能、節(jié)電效果。如果對電動機(jī)進(jìn)行速度控制，因為所需動力與扭矩的3次放成比例的減少，從而能實現(xiàn)大幅度的節(jié)能，節(jié)電效率可達(dá)到20%～60%。3.2風(fēng)機(jī)基本特性3.2.1風(fēng)機(jī)屬于平方轉(zhuǎn)矩類型負(fù)載，在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的特性曲線如圖3-1所示圖3-1風(fēng)機(jī)特性曲線（β=900）H-Q曲線：當(dāng)轉(zhuǎn)速為恒定時，表示風(fēng)壓與風(fēng)量間的關(guān)系特性。P-Q曲線：當(dāng)轉(zhuǎn)速為恒定時，表示功率與風(fēng)量間的關(guān)系特性。η-Q曲線：當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時，表示風(fēng)機(jī)的效率特性。3.2.2風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時，一定轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的離心壓力作用在一個截面上時，介質(zhì)在單位時間內(nèi)的通過量，即為流量。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時，通過風(fēng)機(jī)壓力和管網(wǎng)阻力的共同作用，出現(xiàn)一個穩(wěn)定的流量輸出，稱之為工況點(diǎn)，其特性曲線如圖3-2所示。圖3-2風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)M——工況點(diǎn)R——管網(wǎng)的阻力曲線H——風(fēng)機(jī)壓力曲線3.3風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方法及節(jié)能效果3.3.1①改變管網(wǎng)阻力實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)輸出的調(diào)節(jié)當(dāng)管網(wǎng)阻力發(fā)生變化時，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，風(fēng)壓隨之上升，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的工況點(diǎn)將改變，風(fēng)機(jī)的輸出流量將隨之發(fā)生變化，其特性曲線如圖3-3所示。圖3-3管網(wǎng)阻力變化時的風(fēng)機(jī)流量特性曲線在實際運(yùn)行中，是通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的開度來實現(xiàn)的，當(dāng)擋風(fēng)板的開度減小時，管網(wǎng)的阻力隨之增加。擋板的三種開度對應(yīng)R1、R2、R3三種阻力工況，則在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變時，其與風(fēng)機(jī)壓力特性曲線分別出現(xiàn)了M1、M2、M3三種工況點(diǎn)。三種工況點(diǎn)對應(yīng)的三個流量Q1、Q2、Q3就是在轉(zhuǎn)速不變時，三種擋板開度所對應(yīng)的流量。調(diào)節(jié)擋板的開度，即可以調(diào)整風(fēng)機(jī)輸出流量的多少。②改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)整節(jié)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時，風(fēng)機(jī)的壓力特性曲線隨之改變，當(dāng)管網(wǎng)阻力不變時，其特性曲線如圖3-4所示圖3-4改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的特性曲線當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速定為n1、n2、n3時，每個轉(zhuǎn)速對應(yīng)其相應(yīng)的壓力特性曲線，在管壓阻力R不變的情況下，工況點(diǎn)隨之改變?yōu)镸1、M2，其對應(yīng)的流量為Q1、Q2。在實際中，采用變頻器方法可達(dá)到對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而在管網(wǎng)阻力不變的情況下調(diào)節(jié)流量。3.3.2當(dāng)風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為n1，擋板全開管壓力為R1，額定流量為Q1時，通過調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的2種方法，將輸出流量改變?yōu)镼2，起運(yùn)行工況的差異如圖3-5所示圖3-5管網(wǎng)阻力與風(fēng)機(jī)速度調(diào)節(jié)流量時的工況點(diǎn)差異風(fēng)量調(diào)節(jié)方法消耗能量的差異：在上面可以看出，調(diào)節(jié)擋板與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的最大差異在于風(fēng)壓，兩種運(yùn)行方式風(fēng)機(jī)消耗的軸功率差異為：從圖3-5中可以看出，在輸出同等流量的情況下，用擋板調(diào)節(jié)的工況點(diǎn)是M3，運(yùn)行時壓力為H3，運(yùn)行時壓力為Hf。用速度調(diào)節(jié)的工況點(diǎn)是M2，運(yùn)行時壓力為H2?！鱌=Q×△H/（102ηTηF）根據(jù)風(fēng)機(jī)功率消耗的相似性理論,得出結(jié)論：用擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量與用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)量對比，隨著實際輸出流量與風(fēng)機(jī)額定流量差值的加大，能量的消耗差異也呈平方比例系數(shù)加大。3.4風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果圖3-6a中風(fēng)機(jī)的壓力與風(fēng)量的關(guān)系曲線及圖3-6b中扭矩與電機(jī)速度的關(guān)系曲線，充分說明了調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)風(fēng)量法與變頻器控制的調(diào)節(jié)風(fēng)量法的本質(zhì)區(qū)別與節(jié)能效果。（1）電動機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，由調(diào)節(jié)閥控制風(fēng)量圖3-6a風(fēng)機(jī)的壓力與風(fēng)量的關(guān)系曲線圖3-6b扭矩與電機(jī)速度的關(guān)系曲

圖3-7

風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線如圖3-7所示，調(diào)節(jié)閥門的開啟度，R會變化。關(guān)緊閥門，管道阻力就增大。管道阻力由R1變到R2，風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到B點(diǎn)。在風(fēng)量從Q1減少到Q4的同時，風(fēng)壓卻從H1上升到H5，此時電機(jī)軸的功率從P1變化到P2。（2）變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的速度來控制風(fēng)量當(dāng)風(fēng)量由Q1變化到Q4時，便出現(xiàn)圖上虛線所示的特性。達(dá)到Q4、H4所需的電機(jī)軸功率為P3，顯然P2大于P3，其差值P2-P3就是電機(jī)調(diào)速控制所節(jié)約的功率。附電機(jī)轉(zhuǎn)速與節(jié)能率的關(guān)系表頻率f(HZ)轉(zhuǎn)速N%風(fēng)量Q%風(fēng)壓H%軸功率P%節(jié)電率50100%100%4590%90%4590%90%4080%80%4080%80%3570%70%3570%70%3060%60%3060%60%36%21.6%78.40%4水泥廠高溫風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速設(shè)計4.1變頻器容量的選擇4.1.1通常變頻器主要輸出指標(biāo)以適用電機(jī)功率，輸出容量，額定輸出電流表示。其中，額定輸出電流為變頻器可以連續(xù)輸出的最大交流電流的有效值，不管用于何種用途，都不允許電流最大值超過此值。輸出容量指：三相情況下的額定電壓與額定輸出電路決定的三相視在功率。適用電機(jī)功率是以2、4極標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)為對象，表示在輸出額定電流內(nèi)可以傳動的電機(jī)功率，鼠籠式電動機(jī)是2極電機(jī)即一對電機(jī)，變頻調(diào)速系統(tǒng)能很經(jīng)濟(jì)地與鼠籠式異步電動機(jī)構(gòu)成控制調(diào)速配合使用。常常將變頻器功率選得比實際配用電機(jī)功率更大一些。由于變頻器供給電動機(jī)是脈動電流，其脈動值比工頻供電時的電流要大，因此須將變頻器的容量留有適當(dāng)?shù)脑Ａ?。一般令變頻器的額定輸出電流≥（1.05～1.1）的電動機(jī)的額定電流（銘牌值）或電動機(jī)實際運(yùn)行中的最大電流。即：I1NV≥（1.05～1.1）IN或I1NV≥（1.05～1.1）Imax式中，I1NV——變頻器額定輸出電流（A）；IN——電動機(jī)額定電流（A）；Imax——電動機(jī)實際最大電流（A）。如按電動機(jī)實際運(yùn)行中的最大電流來選定變頻器時，變頻器的容量可以適當(dāng)減少。通常，異步電動機(jī)直接起動時，起動電流為其額定電流的5～7倍，直接起動時可按下式選取變頻器：I1NV≥IK/Kg式中，IK——在額定電壓、額定頻率下電動機(jī)起動時的堵轉(zhuǎn)電流（A）；Kg——變頻器的允許過載倍數(shù)，Kg=1.3～1.5。4.1.2變頻器容量選擇的注意事項①并聯(lián)追加投入起動用一臺變頻器使多臺電動機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時，如果所有電動機(jī)同時起動加速可按如上述選擇容量；但是對于一小部分電動機(jī)開始起動后再追加起動其他電動機(jī)的場合，此時變頻器的電壓、頻率已經(jīng)上升，追加投入的電動機(jī)將產(chǎn)生大的起動電流。因此，變頻器容量與同時起動時相比要大些。②大過載容量很多情況下，都要求使用過載容量大的變頻器。通用變頻器過流容量通常多為125%60s或150%60s，需要超過這些值的過流容量時，必須增大變頻器的容量。③注意起動轉(zhuǎn)矩和低速區(qū)轉(zhuǎn)矩兩個指標(biāo)一般的，使用通用變頻器驅(qū)動電動機(jī)時，起動轉(zhuǎn)矩比不用變頻器而直接用工頻驅(qū)動是要小，肯定會由于負(fù)載起動轉(zhuǎn)矩特性而使電動機(jī)不能起動。還需指出的是：電動機(jī)工作在低速區(qū)時，其轉(zhuǎn)矩一般要小于額定轉(zhuǎn)矩。如果初步選擇的變頻器和電動機(jī)不能滿足負(fù)載所要求的起動轉(zhuǎn)矩和低速區(qū)轉(zhuǎn)矩時，變頻器的容量和電動機(jī)的容量可再加大，例如，在某一速度，需要初步選定的變頻器和電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩70%的轉(zhuǎn)矩時，與輸出特性虛線比較可知，僅能得到50%的轉(zhuǎn)矩，則變頻器和電動機(jī)的容量都要從新選擇，為初選容量的1.4倍以上。4.2變頻器輸出電壓和輸出頻率的選擇4.2.1輸出電壓變頻器輸出電壓可按電動機(jī)額定電壓選定。按國家標(biāo)準(zhǔn)，可分成220V系列和400V系列兩種。對于3KV的電壓電動機(jī)使用400V級的變頻器，可在變頻器的輸入側(cè)設(shè)輸入變壓器、在輸出測安裝輸出變壓器，將3KV先將為400V，再將變壓器的輸出升到3KV。4.2.2輸出頻率變頻器的最高輸出頻率對于不同的機(jī)種有不同的值，最高頻率有50、60、120、200HZ或更高。變頻范圍在0～50HZ的變頻器，一般調(diào)速范圍在0～額定轉(zhuǎn)速之間，大容量通用變頻器均屬于此類。最高輸出頻率超過50HZ以上變頻器由于輸出電壓不變并為恒功率特性，要注意在高速區(qū)的轉(zhuǎn)矩的減小。4.3變頻器選型及說明變頻器所使用的是GY-JCS-10KV/400KW高壓變頻器。4.3.1特征(1)高檔的GY系列中含有全中文操作界面，基于Windows操作平臺，彩色液晶觸摸屏，便于就地監(jiān)控、設(shè)定參數(shù)、選擇功能和調(diào)試；(2)變/工頻切換裝置可按用戶選用配備；(3)高壓主電路與低壓控制電路采用光纖傳輸、安全隔離，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)；(4)控制電路通訊方式采用全數(shù)字化通訊,簡單、可靠；(5)系統(tǒng)的整流單元、逆變單元的設(shè)計,選用組合模塊化積木結(jié)構(gòu),整機(jī)占地面積小、重量輕，便于安裝、維護(hù)；(6)高檔的系統(tǒng)控制采用專用的工業(yè)控制計算機(jī)，結(jié)合PLC可編程控制技術(shù)，使電動機(jī)在變頻運(yùn)行時變流量調(diào)節(jié)更平滑、穩(wěn)定，實時過程控制自動化程度高；(7)裝置可在本機(jī)上操作，也可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離外控，具備完善、方便的操作功能選擇(8)系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)通訊接口RS-232或RS-422、RS-485，可方便地與用戶DCS系統(tǒng)或工控系統(tǒng)組態(tài)建立整個系統(tǒng)的工作站，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的自動化控制水平，實現(xiàn)整個工控系統(tǒng)的全閉環(huán)監(jiān)控，從而實現(xiàn)更加完善、可靠的自動化運(yùn)行；(9)具備全面的故障監(jiān)測、可靠的故障報警保護(hù)功能；(10)輸入功率因數(shù)高，輸出電壓諧波含量小，無需功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波抑制器；(11)輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，變頻器輸出至電動機(jī)的線纜長度可達(dá)20KM。

4.3.2見表4-1所示。表4-1JCS（6000V）技術(shù)參數(shù)型號JCS315355400450500560630輸出適用電機(jī)功率（KW）315355400450500560630額定容量（KVA）410460510580650730820額定電流（A）40455056637179型號JCS7108009001000112012501400輸出適用電機(jī)功率（KW）7108009001000112012501400額定容量（KVA）920103011701300146016301820額定電流（A）89100113126141157176型號JCS1600180020002240250028003150輸出適用電機(jī)功率（KW）1600190020002240250028003150額定容量（KVA）2100235026102930327036604120額定電流（A）202227252282315353397型號JCS3550400045005000560063007100輸出適用電機(jī)功率（KW）3550400045005000560063007100額定容量（KVA）4640523058906540733082509300額定電流（A）447504567630706794895過載能力ZLM型；100%連續(xù)；120%Ie分鐘輸出電壓、頻率三相0～6KV；0.5～60HZ；據(jù)需要可增大為120HZ輸入相數(shù)、電壓、頻率三相；6KV；50/60HZ允許波動電壓：-10%，-15%；頻率：±5%4.3.3由圖4-1可見，系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再經(jīng)逆變器變頻變壓，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機(jī)。圖4-1

IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器主電路原理圖IGBT功率器件直接串聯(lián)的二電平電壓型高壓變頻器是采用低壓變頻器已有的成熟技術(shù)，應(yīng)用獨(dú)特而簡單的控制技術(shù)成功設(shè)計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、效率達(dá)98％的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。4.4變頻器主電路的設(shè)計經(jīng)過對原系統(tǒng)進(jìn)行分析，對原系統(tǒng)的風(fēng)壓控制由原來的液力耦合器調(diào)節(jié)改為變頻器調(diào)節(jié)，即取消原液力耦合器，將電機(jī)與液力耦合器之間用一連接軸取代液力耦合器連通，而由變頻器對電機(jī)本身進(jìn)行調(diào)速，最后達(dá)到調(diào)整窯尾預(yù)熱器（高溫風(fēng)機(jī)入口）的壓力為工況要求值。

變頻器采用直接高壓變頻器，接入用戶側(cè)高壓開關(guān)和擬改造電機(jī)之間，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。為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在故障時將電機(jī)切換至工頻狀態(tài)下運(yùn)行，且切換方式為自動切換。變頻器故障時，電機(jī)自動切換到工頻運(yùn)行，這時風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會升高，風(fēng)壓會發(fā)生很大變化，影響窯內(nèi)物料的煅燒質(zhì)量，故此時應(yīng)及時在DCS上對高溫風(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。其主電路接線圖如圖4-2所示。圖4-2主電路的接線圖在主電路硬件系統(tǒng)設(shè)計中，采用了一臺變頻器連接1臺電動機(jī)，并使其具有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)，電機(jī)通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)。變頻器輸入電源前面接入一個高壓斷路器，來實現(xiàn)電機(jī)、變頻器的過流過載保護(hù)接通，高壓斷路器的容量依據(jù)電機(jī)的額定電流來確定。由于具有變頻/工頻兩種狀，所以還需要在工頻電源下面接入熱繼電器，來實現(xiàn)電機(jī)的過流過載保護(hù)接通，熱繼電器的容量依據(jù)額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機(jī)的容量適當(dāng)選擇。變頻器主電路電源輸入端子（R、S、T）經(jīng)過高壓斷路器與6KV電源連接，變頻器主電路輸出端子（U、V、W）經(jīng)接觸器接至高壓電動機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向預(yù)設(shè)定不一致時，需要調(diào)換輸出端子（U、V、W）的任意兩相。特別是對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的電動機(jī)，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機(jī)旋向的一致性，否則在變頻／工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器起動、運(yùn)行和停止操作中，必須用觸摸面板的運(yùn)行和停止鍵或者是外控端子來操作，不得以主電路的通斷來進(jìn)行。4.4.1（1）高壓開關(guān)切換柜它有高壓隔離開關(guān)、高壓熔斷器、高壓真空接觸器以及電壓互感器、電流互感器等構(gòu)成。本柜的隔離開關(guān)與原控制開關(guān)相互互鎖，避免同時投入的可能，以保證設(shè)備的安全；高壓真空接觸器控制高壓變頻器的供電，在變頻器發(fā)生故障、需要停機(jī)時，由高壓真空接觸器切斷電源。（2）整流柜由六組共42只晶閘管及其均壓電路、觸發(fā)單元、橋臂電抗器等組成。每個橋臂由七只200A、4000V晶閘管串聯(lián)組成，橋臂電抗器的作用是限制晶閘管短路時的di/dt。整流橋?qū)⑷喔邏航涣麟娮兂煽煽氐母邏褐绷麟?。?）逆變柜逆變柜的結(jié)構(gòu)與整流柜完全相同，并可互相使用。其作用是將直流電變?yōu)轭l率可控的三相交流電，經(jīng)高壓隔離開關(guān)直接供電給同步電動機(jī)。（4）勵磁柜勵磁柜是由勵磁變壓器（380V/100V）和三相全控整流橋組成。它與遠(yuǎn)勵磁系統(tǒng)通過雙開關(guān)切換、勵磁柜直接向同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子提供所需的勵磁電流。（5）控制柜主要有控制系統(tǒng)硬件以及操作控制器等組成?？刂葡到y(tǒng)硬件包括以80C196KB微機(jī)為核心的數(shù)字控制電路、電流調(diào)節(jié)器等模擬控制電路以及可編程程序控制器等。以8C196KB微機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)配以8路雙極性A/D以及可隨意配置的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。數(shù)值控制電路配備RS232和多路二進(jìn)制I/O，分別接受來自PC和PLC的命令，此外，硬件電路還設(shè)有監(jiān)視電路，主要監(jiān)視電源和系統(tǒng)是否嚴(yán)重過流、欠壓、過壓。PLC作為上位機(jī)，監(jiān)控數(shù)字電路以及外圍操作回路的各種接節(jié)點(diǎn)命令。而PLC主要用于數(shù)字電路控制電路通信。（6）操作臺設(shè)在控制室內(nèi)值班操作人員使用，對系統(tǒng)實施起動、停止、調(diào)速等遠(yuǎn)程控制并監(jiān)控電壓、電流、轉(zhuǎn)速以及就緒、報警、運(yùn)行、停車等信號。其控制與控制柜等效，通過“內(nèi)、外控”開關(guān)切換。除上述柜裝設(shè)備外，同步電動機(jī)直接高壓變頻器還包括下列設(shè)備：交流進(jìn)線電抗器：接于整流器的輸入端。其作用是限制晶閘管的di/dt開通時的du/dt;減少變頻器運(yùn)行時諧波對電網(wǎng)的公害：限制變頻器的短路電流，保護(hù)晶閘管的安全。直流平波電抗器：接于逆變器和整流器之間，其主要作用時平滑直流電流，供給逆變器。光電編碼器：它裝于電機(jī)軸上。電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，它發(fā)出2084個脈沖，這些脈沖經(jīng)過處理，作為控制系統(tǒng)的速度反饋信號。轉(zhuǎn)子位置監(jiān)測器；他由一個裝在電機(jī)軸上的圓盤和三只光電式接近組成。原盤在響應(yīng)磁極的位置開有180o電角度的缺口，接近開關(guān)在原盤軸向外側(cè)以120o電角度依次安放。當(dāng)原盤隨電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，接近開關(guān)可以得到三個相位差120o電角度，通斷周期為180o電角度的矩形波脈沖，作為控制逆變器的觸發(fā)脈沖的指令信號。4.4.2主電路（1）高壓斷路器QF用于電源回路的開閉，并且在出現(xiàn)過流或短路事故時自動切斷電源，以防事故的擴(kuò)大。若需要接地保護(hù)，也可以采用漏電保護(hù)式斷路器。因為QF具有過電流保護(hù)功能，為了避免不必要的誤動作，取IQN≥（1.3～1.4）IN式中IQN——斷路器的額定電流；IN——變頻器的額定電流。從表4-1中得知IN=202A，則IQN≥（1.3～1.4）×202A≥262.6A～282.8A（2）電磁接觸器KM用電源的開閉，在變頻器保護(hù)功能起作用時，切斷電源。對于電網(wǎng)停電后的復(fù)電，可以防止自動再投入以保護(hù)設(shè)備的安全及人身安全。選擇時，IKN≥IN式中IKN——觸點(diǎn)的額定電流。即：IKN≥202A（3）交流電抗器AL交流電器除了提高功率因數(shù)以外，還有以下功能：1）削弱由電源側(cè)短暫的尖峰電壓引起的沖擊電流.2）削弱三相電源電壓不平衡的影響。在只接交流電抗器的情況下，可將功率因數(shù)提高到0.85以上。（4）制動電阻單元R用于吸收電動機(jī)再生制動的再生電能，可以縮短大慣量負(fù)載的自由停車時間；還可以在位能負(fù)載下放時，實現(xiàn)再生運(yùn)行。（5）直流電抗器DL直流電抗器可將功率因數(shù)提高到0.9以上。由于體積小，因此許多變頻器已將直流電抗器直接裝在變頻器內(nèi)。支流電抗器除了提高功率因數(shù)外，還可削弱在電源剛接通瞬間的沖擊電流。（6）\o"壓力"壓力\o"傳感器"傳感器\o"壓力"壓力\o"傳感器"傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用\o"壓電"壓電\o"效應(yīng)"效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)\o"測量"測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。壓力傳感器由一懸臂梁和4個組成全橋電路的應(yīng)變片組成。應(yīng)變片的電阻隨變形大小而發(fā)生線性變化，從而使電橋的兩輸出端點(diǎn)的電位發(fā)生線性變化，該變化經(jīng)放大后輸入給A/D轉(zhuǎn)換電路變成10位數(shù)字量，其數(shù)字量范圍為0～173.4。由于壓力傳感器在0～4MPa內(nèi)保持線性變化(0～3.4V)，所以壓力計算為A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。乘以4/(173.4～0)。4.5變頻器控制電路的設(shè)計控制系統(tǒng)由80C196KB微機(jī)為核心的數(shù)學(xué)控制系統(tǒng)、部分模擬電路及PLC構(gòu)成。4.5.1和普通直流電動機(jī)基本相同，即電流內(nèi)部環(huán)-速度外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所不同的是直流母線的電流是單向的，在速度調(diào)節(jié)器和直流調(diào)節(jié)之間需要加一個絕對值發(fā)生器。另外，整流橋還受到逆變橋換流信號的控制。整流橋的控制由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器以及移相觸發(fā)、脈沖功放電路等環(huán)節(jié)組成。速度反饋信號取自裝在電動機(jī)軸上的光電編碼器，它所產(chǎn)生的測速脈沖輸入80C196KB微機(jī)進(jìn)行計算，得到速度反饋值；電流反饋信號取自交流進(jìn)線電源電流互感器，經(jīng)過處理后發(fā)送到電流調(diào)節(jié)器。4.5.2逆變橋的觸發(fā)控制逆變橋的觸發(fā)控制是由轉(zhuǎn)子位置檢測器發(fā)出的轉(zhuǎn)子位置信號控制的，其控制由80C196KB微機(jī)承擔(dān)，通過對電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)判別，高、低速判別，零電流判別以及轉(zhuǎn)子的位置判別，在進(jìn)行Y角分配后發(fā)出逆變橋觸發(fā)脈沖。4.5.3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，各個模塊功能相對單一，通過總線板相互連接。這樣使系統(tǒng)的通用性強(qiáng)，可根據(jù)需要靈活配置，也有利于維護(hù)。控制系統(tǒng)各個模塊設(shè)計如下：（1）CPU模塊該模塊采用80C196KB微處理器為核心，構(gòu)成16位數(shù)字控制系統(tǒng)。在充分利用80C196KB微處理器，如：A/D、HIS、HSO、定時器等的餓前提下，配以12路雙極性D/A、以及可根據(jù)需要隨意配置的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。本系統(tǒng)存儲器采用2片32K*8EPROM，數(shù)字存儲器采用帶電RAM。CPU模塊還自帶可裝卸的鍵盤和顯示電源、通過小鍵盤和8微顯示單元，用戶可以方便的修改各種參數(shù)，監(jiān)視運(yùn)行信息。（2）反饋及匹配模塊由高壓開關(guān)柜中變化的壓力傳感器取樣，信號經(jīng)過電子排送，通過PI調(diào)節(jié)器比較來決定觸發(fā)脈沖的頻率。（3）電流調(diào)節(jié)模塊（4）過流監(jiān)視模塊（5）轉(zhuǎn)子定位檢測模塊（6）整流觸發(fā)模塊（7）數(shù)字觸發(fā)模塊本模塊接收由CPU模塊高速輸出口發(fā)送的六路逆變橋脈沖信號經(jīng)過高頻調(diào)制和功率放大后，傳輸?shù)矫}沖功放板進(jìn)行逆變橋脈沖的最后處理。（8）脈沖功放模塊（9）電壓監(jiān)視模塊本模塊監(jiān)視±15V控制電源和三相同步電源.（10）儀表接口模塊控制顧和操作臺上裝有相同的三塊儀表:轉(zhuǎn)速表、定子電壓表、定子電流表.有CPU模塊D/A口發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)過本模塊處理后分別送到模擬表頭.（11）晶閘管檢測模塊4.6閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計由于原電機(jī)控制為液力耦合器調(diào)速，為了安裝變頻器，必須重新設(shè)計變頻器專用房。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，我們選擇在高壓配電室旁另建一變頻器專用房，此地方距高壓室較近，動力電纜敷設(shè)方便。

利用原先DCS控制電動閥門的4~20MA標(biāo)準(zhǔn)信號，作為變頻器的模擬輸入信號，來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外，考慮到系統(tǒng)中因物料的影響，有時會造成系統(tǒng)風(fēng)壓的不穩(wěn)，為提高整個系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)和跟隨能力，我們將溫度信號取出，作為變頻器調(diào)速的反饋信號，在系統(tǒng)出現(xiàn)塌料等不正常情況時，以便實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的功能。閉環(huán)系統(tǒng)組成框圖如圖4-2所示。閉環(huán)系統(tǒng)的控制流程圖如圖4-3所示。圖4-2閉環(huán)系統(tǒng)組成框圖圖4-3閉環(huán)系統(tǒng)的控制流程圖系統(tǒng)正常工作時，出口風(fēng)壓整定為6個大氣壓，通過UltraStable600壓力傳感器檢測出輸出風(fēng)壓信號P送至控制器并與設(shè)定信號進(jìn)行比較，由于PI調(diào)節(jié)器輸出信號為G，以此作為驅(qū)動變頻器的調(diào)制信號來控制變頻器，使之輸出某一頻率f和電壓U，來驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為n，此時風(fēng)機(jī)給主電動機(jī)輸送風(fēng)量為Q。隨著環(huán)境的變化，出風(fēng)口風(fēng)壓也相應(yīng)變化，通過壓力傳感器UltraStable600檢測后輸出壓力信號變化為P＇，并反饋給控制器與設(shè)定信號進(jìn)行比較，比較后由PI調(diào)節(jié)器輸出的信號也隨之變化為G＇，該信號即作為變頻器調(diào)制信號用來改變變頻器頻率使其輸出頻率f＇,電壓為U＇，此時電動機(jī)轉(zhuǎn)速改變?yōu)閚＇,則風(fēng)機(jī)風(fēng)量相應(yīng)變化為Q＇。直到其出風(fēng)口風(fēng)壓穩(wěn)定在整定值，達(dá)到轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、風(fēng)壓新的平衡，從而閉環(huán)調(diào)節(jié)過程結(jié)束。該系統(tǒng)可實現(xiàn)電機(jī)控制方式選擇：停機(jī)、工頻控制、自動變頻控制。電機(jī)能工頻運(yùn)行控制，從而保證在變頻器故障的情況下，電動機(jī)能夠切換到工頻繼續(xù)運(yùn)行?？刂扑肮ゎl-變頻”切換的兩臺接觸器的輔助觸點(diǎn)必須相互聯(lián)鎖，以保證可靠切換，防止變頻器UVW輸出端與工頻電源發(fā)生短路而損壞。為杜絕切換時接觸器主觸點(diǎn)意外熔焊、輔助觸點(diǎn)誤動作而損壞變頻器的事故，最好采用兩臺連體、機(jī)械和電氣雙重聯(lián)鎖的接觸器，如三菱公司的FX2N型聯(lián)鎖接觸器等。盡管現(xiàn)在變頻器的工作可靠性是高,但對于一些重要的控制場合和設(shè)備來講,裝設(shè)切換盤或自動旁路柜，方便實現(xiàn)工頻/變頻兩種狀態(tài)的相互切換,

可以在變頻器故障停機(jī)后自動轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl起動電機(jī)。圖4-3a為切換盤電路，圖4-3b

為自動旁路柜電路圖。自動旁路柜電路有手動/自動控制，考慮本系統(tǒng)并不采用手動/自動轉(zhuǎn)換，故本設(shè)計采用切換盤電路。圖4-3a切換盤電路圖4-3b

自動旁路柜電路.交流經(jīng)過整流、濾波后得到一直流電壓，再進(jìn)行逆變，變成三相可變頻率交流供電。如在變頻器與電動機(jī)之間裝了接觸器，可能會給變頻器帶來致命的影響。假定電動機(jī)一直處于一定運(yùn)行速度狀態(tài)，此時要斷開接觸器KM1，由于電動機(jī)的電感及反電勢的影響，會感應(yīng)出瞬時高壓，這種高壓經(jīng)過接觸器觸點(diǎn)電弧傳到變頻器逆變部分功率開關(guān)器件上，從而擊穿開關(guān)器件，造成變頻器損壞。故在實現(xiàn)變頻與工頻運(yùn)行的切換中，采用了軟切換技術(shù)，即如要將變頻運(yùn)行切換到工頻運(yùn)行，首先將變頻器輸出頻率從一定值降到零后，風(fēng)機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，且電動機(jī)定子電流為零，此時將接觸器KM1斷開，并投入KM2，實現(xiàn)軟切換。這種切換方式是由變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。4.7系統(tǒng)節(jié)能效果分析在該生產(chǎn)線中，高溫風(fēng)機(jī)使用的是6KV高壓同步電動機(jī)，拖動功率為1600KW,最高轉(zhuǎn)速為1495r/min。通過對高溫風(fēng)機(jī)變頻改造，運(yùn)行時將風(fēng)門全開，電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般運(yùn)行在870

r/min，節(jié)電率約為43%。由于風(fēng)機(jī)風(fēng)門全開，改善了管路內(nèi)通風(fēng)狀況，風(fēng)量在自動調(diào)節(jié)時還避免了電壓波動對風(fēng)量的影響，使系統(tǒng)風(fēng)量均衡、工況平穩(wěn)。表5-2給出了采用變頻調(diào)速自動控制改造后與改造前的比較，如下所示。表4-2節(jié)能狀況分析項目投入使用前投入使用后窯喂料量（t/h）170195窯日產(chǎn)量（t）25002900高溫風(fēng)機(jī)起動調(diào)節(jié)方式風(fēng)門變頻6KV側(cè)電流（A）1910電機(jī)電流（A）1920功率因素0.780.96平均耗電功率（KW）154100起動電流（A）16050運(yùn)行風(fēng)門/頻率60%40HZ上述數(shù)據(jù)為改造后窯系統(tǒng)產(chǎn)量增加的條件下風(fēng)機(jī)耗電對比，由于現(xiàn)在產(chǎn)量提高，風(fēng)機(jī)耗電量下降不多，從中可計算出各風(fēng)機(jī)相應(yīng)的節(jié)電功率。

高溫風(fēng)機(jī)節(jié)電功率：154－100＝54（kW）根據(jù)在其系統(tǒng)調(diào)試和開窯過程中記錄的數(shù)據(jù)，在2500t的產(chǎn)量下，高溫風(fēng)機(jī)6kV側(cè)電流為約136A，耗電功率約為1360kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約190kW。按年運(yùn)行7000小時計算，可推算出兩臺高溫風(fēng)機(jī)的節(jié)電量及節(jié)電效益。

窯高溫風(fēng)機(jī)：

節(jié)電功率：1550－1360＝190（kW）

年節(jié)電量：190kW×7000小時＝133萬kWh

年節(jié)電效益：133萬kWh×0.5元/kWh＝66萬元

此為估算節(jié)電值。變頻調(diào)速自動控制的另一大收益為提高了窯系統(tǒng)的產(chǎn)量近1.2倍，由此而產(chǎn)生的增產(chǎn)效益是非常大的，節(jié)約能源；運(yùn)行成本降低；提高了控制精度；降低了噪音。通過這次磨尾排風(fēng)機(jī)變頻設(shè)計，在高壓變頻調(diào)速器的應(yīng)用中，需要注意的問題如下：（1）滿足工藝的要求，在使用過程中要保留風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門，以便在管網(wǎng)風(fēng)壓不能滿足生產(chǎn)要求時，對其進(jìn)行調(diào)節(jié)；（2）為解決維修及故障狀態(tài)下不停機(jī)，可通過DCS系統(tǒng)，將高壓隔離開關(guān)QF、QF1、QF2、QF3及變頻調(diào)速器故障信號，通過編程組態(tài)，做一連鎖，可實現(xiàn)變頻器的工頻旁路功能。（3）在開車調(diào)試過程中，盡量不要使設(shè)備頻繁起停，避免因變頻器內(nèi)功率單元模塊的直流電壓過高而引起報警停車；（4）要很好的解決系統(tǒng)的冷卻散熱問題，避免控制柜內(nèi)能量積聚，造成局部過熱而停車；另外，為設(shè)備的運(yùn)行可靠性考慮，柜體上部的軸流風(fēng)機(jī)要選用兩套，一套運(yùn)行，一套熱備用。

設(shè)計主要技術(shù)指標(biāo)變頻器容量:2100KVA拖動電機(jī)容量:1600KW輸入電壓:6KV電壓允許波動范圍:+5%～+10%輸出電壓:600～6000V過載能力:100%連續(xù),120%Ima