國產(chǎn)矢量控制型高壓變頻器在水泥廠高溫風(fēng)機上的應(yīng)用

　　1、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，而電動機電耗占成本近30％，拖動風(fēng)機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重。因此，做好電動機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“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴重，如果利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運行速度，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)常停機檢修所造成的經(jīng)濟損失。因此，在水泥廠風(fēng)機采用變頻調(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)機進行變頻改造后，節(jié)電率在30-50%的范圍內(nèi)，通常一年半到兩年便可收回投資。

　　2、傳統(tǒng)擋板調(diào)節(jié)存在的問題

　　風(fēng)機傳統(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)濟效益差、能耗大、設(shè)備損壞嚴重、維修難度大、運行費用高的落后辦法。風(fēng)機的工作特性如圖1所示：

　　圖1：風(fēng)機的工作特性

　　由圖1可以看出，風(fēng)機工作的位置，即風(fēng)機的風(fēng)量是由風(fēng)機特性曲線（風(fēng)壓特性）和管網(wǎng)特性曲線（風(fēng)阻特性）決定的，無論是改變風(fēng)機的特性曲線，還是改變管網(wǎng)特性曲線，都可以達到改變風(fēng)量的目的。

　　圖1中，風(fēng)機特性曲線：HA=kQ12（K為風(fēng)機特性系數(shù)）；管網(wǎng)特性曲線HA=Hc-λQ12（λ為管網(wǎng)特性系數(shù)）。

　　3、工頻工作方式

　　工頻工作方式是指泵的特性曲線保持不變，而改變管網(wǎng)特性曲線。通常采取的方式是保持風(fēng)機的特性曲線不變，即不改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，而用調(diào)節(jié)擋板改變出風(fēng)口的大小，達到改變風(fēng)量的目的。如圖2所示：

　　圖2：工頻工作方式時風(fēng)機的工作特性

　　從圖2中可以看出，風(fēng)機工作在A點時，風(fēng)量為Q1，風(fēng)壓為H1。保持風(fēng)機的轉(zhuǎn)速不變，用擋板將風(fēng)量調(diào)節(jié)為Q2時，風(fēng)壓將上升到H2，風(fēng)機工作點變?yōu)锽點。由于擋板的節(jié)流作用，風(fēng)道的阻力曲線變?yōu)镺B。

　　風(fēng)機工作在A點時，其功率為PA＝H1×Q1/102；風(fēng)機工作在B點時，其功率為PB＝H2×Q2 /102。

　　雖然Q2＜Q1，但H3＞H1，所以PA與PB的值變化不大，說明采用工頻工作方式時，改變風(fēng)機的風(fēng)量，風(fēng)機的軸功率減小有限。

　　4、變頻工作方式

　　變頻工作方式是指管網(wǎng)特性曲線保持不變，而改變風(fēng)機的特性曲線。通常采取的方式是保持管網(wǎng)特性曲線不變，即不改變風(fēng)機出口的大小，而改變風(fēng)機的特性曲線，即改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，達到改變風(fēng)量的目的。如圖3所示：

　　風(fēng)機工作在A點時，其功率為PA＝H1×Q1/102；風(fēng)機工作在B點時，其功率為PB＝H2×Q2/102 。

　　Q2＜Q1，而且H2＞H1，所以PA與為PB的值變化較大，說明采用變頻工作方式時，改變風(fēng)機的風(fēng)量，風(fēng)機的軸功率減小很大，節(jié)能效果顯著。

　　圖3：變頻工作方式時風(fēng)機的工作特性

　　由流體力學(xué)的原理可知，電機轉(zhuǎn)速與流量、壓力、耗能的關(guān)系如下：

　　輸出流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，即：Q1/Q2=n1/n2……（1）

　　輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，即：H1/H2=(n1/n2)2 ……（2）

　　輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比，即P1/P2=(n1/n2)3……（3）

　　如果說，100%轉(zhuǎn)速-100%流量-100%壓力-100%輸出功率，則：80%轉(zhuǎn)速- 80%流量- 64%壓力- 51%輸出功率。就是說，通過變頻調(diào)速方式改變風(fēng)機風(fēng)量，風(fēng)量下降20%時，風(fēng)機軸功率將下降49%。這也是為什么變頻調(diào)速在風(fēng)機應(yīng)用上節(jié)能十分顯著的原因。

　　5、利德華福高壓變頻器原理及特點

　　HARSVERT-VA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)多電平拓撲結(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的諧波抑制標準，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)補償裝置；輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，6kV為5級模塊串聯(lián)，共15個功率單元；10kV每個系統(tǒng)共有24個功率單元，每8個功率單元串連構(gòu)成一相，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　圖4：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dv/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，變頻器額定效率可達98%，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，電機電壓的等效開關(guān)頻率大大提高，且輸出電平數(shù)增加。6kV系列為5級模塊串聯(lián)，輸出相電壓為11電平；10kV系列為8級模塊串聯(lián)，輸出相電壓為17電平。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沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機。

　　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算機，在秉承公司HARSVERT-A系列產(chǎn)品完美無諧波、高可靠性、功率/電壓等級覆蓋范圍廣、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、性能更高的高壓大容量交流傳動控制。目前，HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制產(chǎn)品的性能指標為：調(diào)速范圍100:1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0.5%，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間小于200ms，啟動轉(zhuǎn)矩150%額定轉(zhuǎn)矩，達到國際先進水平。無需安裝復(fù)雜且不易維護的測速裝置，HARSVERT-VA系列變頻器僅需對輸出三相電壓、兩相電流進行檢測，即可根據(jù)預(yù)先自動測定的電機模型，進行異步電動機的磁通和轉(zhuǎn)矩解耦控制，實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩負載啟動和運行。

　　6、熟料生產(chǎn)中特殊工藝對變頻器的要求

　　干法水泥生產(chǎn)線的窯尾高溫風(fēng)機是保證窯內(nèi)負壓的重要負載，但是在以往工頻運行、采用液力耦合器調(diào)速的高溫風(fēng)機常見由于管道"塌料"導(dǎo)致高溫風(fēng)機電機過負荷跳閘，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。而由于變頻器裝置的電力電子器件的過負荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風(fēng)機過負荷導(dǎo)致的變頻器保護停機現(xiàn)象如無專業(yè)技術(shù)是不可避免的，將給水泥生產(chǎn)線造成更多的損害。

　　利德華福作為目前國內(nèi)最大的高壓變頻器專業(yè)生產(chǎn)制造單位，特別針對高溫風(fēng)機的運行工藝情況進行了大量的調(diào)研，對變頻器的核心控制系統(tǒng)進行了相應(yīng)的設(shè)計，專門開發(fā)了可矢量運行的高壓變頻調(diào)速裝置，成功解決了因為塌料引起的劇烈負載波動問題，大大降低了由于高溫風(fēng)機停運對生產(chǎn)造成的影響，降低電機設(shè)備故障率，取得節(jié)能、增效的巨大效益，得到用戶普遍認可。

　　高溫風(fēng)機由于"塌料"導(dǎo)致的過負荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的預(yù)熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時就會坍塌脫落，造成管道內(nèi)粉塵濃度增大，阻力增加，負壓升高，使排風(fēng)機負荷增加。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，同樣也會造成氣流波動，使排風(fēng)管內(nèi)氣流紊亂，造成高溫風(fēng)機過負荷停機，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對高溫風(fēng)機電動機造成損壞。在實際使用過程中的"塌料"現(xiàn)象，會不定期的導(dǎo)致電機運行電流在極短的時間內(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導(dǎo)致變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風(fēng)機與生產(chǎn)線的正常運行。

　　利德華福公司生產(chǎn)的高壓變頻器采用矢量控制算法，變頻器對其輸出電流進行實時、快速的精確控制（傳統(tǒng)的VVVF控制中，不對輸出電流進行控制，輸出電流的測量僅用于顯示和保護）。在控制算法中對最大輸出電流進行限制，因而不會因負載的波動導(dǎo)致變頻器過流停機。

　　7、天瑞水泥廠應(yīng)用實例

　　7.1 整體概況

　　天瑞河南某水泥廠5000t/d（二線）有1臺高溫風(fēng)機需要變頻改造，目前，該風(fēng)機是通過調(diào)整液耦開度及風(fēng)機擋板改變風(fēng)壓、風(fēng)量的。通過對現(xiàn)場的生產(chǎn)運行工藝、設(shè)備工況進行分析，認為這些設(shè)備存在以下幾個問題：

　?。?）高溫風(fēng)機采用液力耦合器調(diào)速，這種調(diào)速方法實質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法，其主要缺點是隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來越低，需要斷開電機與負載進行安裝，維護工作量大，過一段時間就需要對軸封、軸承等部件進行更換，現(xiàn)場一般較臟，顯得設(shè)備檔次低，屬淘汰技術(shù)。

　?。?）還有些風(fēng)機目前采用水電阻軟啟動，通過風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)壓、風(fēng)量的。水電阻啟動方式，仍然有近3倍額定電流對電網(wǎng)的沖擊，且水電阻啟動時間較慢，容易造成水開鍋的現(xiàn)象。

　?。?）其余的高壓風(fēng)機設(shè)備采用調(diào)節(jié)入口蝶閥，它調(diào)整節(jié)流損失大、入口壓力低、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費。

　　因此，解決上述問題，可以考慮采用變頻調(diào)速控制技術(shù)，利用高壓變頻器對風(fēng)機電動機進行變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)生產(chǎn)能力的變負荷調(diào)節(jié)。這樣，不僅解決了入口蝶閥控制系統(tǒng)效率低、設(shè)備工作特性差等難以克服的缺點，而且提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性指標；更重要的是減小了因入口蝶閥變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了設(shè)備溫升對設(shè)備性能的負面影響，延長設(shè)備使用壽命，節(jié)約能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。

　　7.2 現(xiàn)場技術(shù)數(shù)據(jù)

　?。?）電機、高溫風(fēng)機（1臺）及液力耦合器參數(shù)表：

　?。?）平均電價：0.5元/度。

　?。?）年運行時間：T=8000h。

　　7.3 工頻、變頻的耗電量對比：

　　8、變頻改造后的優(yōu)點

　　（1）變頻改造后，實現(xiàn)電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。

　?。?）系統(tǒng)效率得到提高，消除了風(fēng)門擋板的損失，取得節(jié)能效果。

　　（3）由于風(fēng)機采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，工作特性改變，設(shè)備工況得到改善，延長設(shè)備使用壽命。

　?。?）風(fēng)機改變頻后，由于變頻器采用單元串聯(lián)移相技術(shù)，因此在理論上可以消除41次以下諧波。由于實際制造工藝的限制，網(wǎng)側(cè)電壓諧波總含量可以控制在2％以內(nèi)，電流諧波總含量小于4％。

　　（5）變頻輸出采用PWM技術(shù)控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于1％，上述指標均滿足IEEE-519國際電能質(zhì)量諧波標準要求。

　?。?）利德華福變頻器為電壓源型結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)可高達0.95。

　?。?）廠房設(shè)備噪聲污染大大降低。

　　9、結(jié)論

　　目前很多水泥廠的風(fēng)機大馬拉小車現(xiàn)象嚴重。風(fēng)機的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式基本通過擋板進行調(diào)節(jié)，耗能大，經(jīng)濟效益差，設(shè)備損壞嚴重，急需采用先進的高壓變頻調(diào)速進行技術(shù)改造，以降低水泥廠的電耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。實踐證明，水泥行業(yè)風(fēng)機采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，是必要、可行的，且經(jīng)濟效益顯著。

　　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)機的變頻改造，成功解決了水泥生產(chǎn)中的塌料引起的負載波動問題，大大提高設(shè)備運行的可靠性，節(jié)約大量能源，為水泥廠帶來較大的經(jīng)濟效益和社會效益，具有很高的推廣價值。