大型風(fēng)機的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的選型及其應(yīng)用

1、大型風(fēng)機的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的選型及其應(yīng)用(1)*1引言工業(yè)企業(yè)中擁有眾多拖動風(fēng)機、泵類負(fù)載的大型高壓電動機， 其中大部分都運行在通過風(fēng)門或閥門調(diào) 節(jié)流量的節(jié)流狀態(tài)，造成大量能源浪費, 存在巨大節(jié)能空間；對該類高壓電機進 行調(diào)速改造，不僅可大幅降低電能消耗, 而且可提高設(shè)備自動化水平，改善設(shè)備 運行狀態(tài)，節(jié)約設(shè)備維修費，并可改善 工藝控制效果，是一條節(jié)能降耗的重要 技術(shù)途徑。本項目技術(shù)改造為高壓變頻調(diào)速技術(shù)在貴州某年產(chǎn)130萬噸大 型氧化鋁廠3#熟料窯5#、6#排煙風(fēng)機上 的應(yīng)用。5#、6#排煙風(fēng)機為高壓異步電 動機拖動，啟動方式為直接啟動，恒速 運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)中根據(jù)工藝需求通過調(diào)節(jié)風(fēng) 門開度調(diào)節(jié)風(fēng)

2、機的送風(fēng)量，以便將爐窯 內(nèi)的燃燒狀況控制在最佳水平。長期以 來，不論爐窯內(nèi)處于何種燃燒狀況，產(chǎn) 生的煙塵大小等風(fēng)機均全速運行。采用精美文檔I入口擋板風(fēng)門開度調(diào)節(jié)，效率低、功率 大、造成大量的電能浪費。通過采用高 壓變頻調(diào)速技術(shù)取代傳統(tǒng)的風(fēng)門擋板風(fēng) 量調(diào)節(jié)技術(shù)，在保證設(shè)備正常運行的情 況下降低了風(fēng)機的用電量，節(jié)約了生產(chǎn) 成本。進行變頻改造以后，將進口擋板 的開度開到最大，風(fēng)量的調(diào)節(jié)根據(jù)生產(chǎn) 需求通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，使風(fēng) 機處于最佳節(jié)能運行狀態(tài)，從而達到了 節(jié)電的目的。變頻改造后還為風(fēng)機、電 機以及各種管道附屬設(shè)備提供多項保護 措施，從而延長設(shè)備使用壽命。 2項 目技術(shù)改造背景近年來，隨著電

3、力電子器件、控制理論和計算機技術(shù)的迅 速發(fā)展，高壓變頻技術(shù)逐漸成熟，同時 變頻器的價格不斷下降，可靠性不斷增 強，大幅拓寬了工藝控制對變頻調(diào)速的 要求。最近十年外省發(fā)達地區(qū)高壓大容 量變頻器已經(jīng)在冶金、電力、石化等行 業(yè)得到廣泛應(yīng)用，節(jié)能效果非常顯著。 但在我省應(yīng)用很少，因此采用高壓變頻 裝置對大型用電設(shè)備進行改造成為我省 精美文檔9企業(yè)節(jié)能降耗，提高設(shè)備自動化程度和 競爭力的重要技術(shù)措施之一。為此，08 年該公司北京總部將“高壓變頻調(diào)速技 術(shù)在氧化鋁工業(yè)上的應(yīng)用T頁目確定為 重大科技成果產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用項目， 在各省分公司進行產(chǎn)業(yè)化試驗，貴州所 屬氧化鋁廠08、09年共新裝或技改了 18 臺

4、（套）高壓交流變頻調(diào)速裝置，為節(jié) 能降耗做出了貢獻，也為我省企業(yè)針對 高電壓、大容量風(fēng)機、泵類的節(jié)能改造 積累經(jīng)驗，起到一定示范作用。3熟料窯風(fēng)機高壓變頻調(diào)速系 統(tǒng)的選型設(shè)計 3.1排煙風(fēng)機運行技 術(shù)數(shù)據(jù) 排煙風(fēng)機運行技術(shù)數(shù)據(jù)如表 1所示。 3.2對高壓變頻調(diào)速設(shè)備的 主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)計性能要求 根據(jù) 3#燒成窯（熟料窯）現(xiàn)場情況及設(shè)備運 行經(jīng)驗對高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要技術(shù)參 數(shù)和設(shè)計性能要求如下： 3.2.1主要 技術(shù)參數(shù)（如表2）3.2.2性能要求（1）變頻裝置應(yīng)設(shè)以下保護：過電壓、 過電流、欠電壓、缺相、短路、超頻、 失速、變頻器過載、電機過載、半導(dǎo)體 器件的過熱、瞬時停電等基本保護功能,

5、 必要時能聯(lián)跳輸入側(cè)開關(guān)。 （2）變 頻裝置控制系統(tǒng)應(yīng)可靠，重要元器件應(yīng) 冗余配置。變頻器應(yīng)滿足本體面板控制、 現(xiàn)場控制和主控室計算機（des）自動控 制三地控制功能及轉(zhuǎn)換。且變頻器本體 柜操作盤應(yīng)能進行相關(guān)的各種控制操作 和參數(shù)設(shè)置，顯示面板具有電流、電壓、 頻率、功率、功率因數(shù)、開、停、故障 顯示及故障記憶等基本功能顯示。（3）提供的變頻器支撐軟件宜為漢化的 最新的正版軟件。變頻裝置應(yīng)帶故障自 診斷功能，能對發(fā)生的故障類型及位置 提供中文指示，能在就地顯示并遠方報 警。 （4）變頻裝置應(yīng)能接受現(xiàn)有des 或其它控制系統(tǒng)的指令，并反饋變頻器 的主要狀態(tài)信號和故障報警信號，至少 包含以下開關(guān)量

6、和模擬量信號： 開 關(guān)量輸入：起動、停止、手動/自動轉(zhuǎn)換 信號。 開關(guān)量輸出：高壓準(zhǔn)備就緒、 變頻器運行、故障、停止信號。 模 擬量輸入：頻率調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)速給定）；de 4 20ma標(biāo)準(zhǔn)信號。 模擬量輸出：輸出 頻率、輸出電流；dc420rna標(biāo)準(zhǔn)信號。（5）變頻裝置的i/0可根據(jù)用戶的要求 進行參數(shù)化，對開關(guān)量輸入回路在硬件 上采取光電隔離措施，在軟件上采取消 除接點抖動措施，并作好接地、屏蔽等 抗干擾措施。對開關(guān)量輸出控制應(yīng)具有 光電隔離輸出，并能直接啟動任何中間 繼電器；模擬量信號增加信號隔離器隔 離。 （6）變頻裝置應(yīng)具有與現(xiàn)有控 制系統(tǒng)des或其它控制系統(tǒng)的通訊接口; 能與現(xiàn)有控制系統(tǒng)d

7、es或其它控制系統(tǒng) 共同完成兩系統(tǒng)間的通訊連接。 （7） 變頻裝置內(nèi)部通訊應(yīng)采用光纖連接，以 提高通訊速率和抗干擾能力；變頻器柜 內(nèi)強電信號和弱電信號應(yīng)分開布置，以 避免干擾。 （8）變頻裝置輸出電壓 必須符合ieee519-1992 及國標(biāo) gb 14549-93對諧波失真的要求。并且變 頻器強弱電之間采用光纖隔離、鐵殼屏 蔽，對本體控制系統(tǒng)就地控制柜無諧波影響。(9)變頻器還必須滿足如下要求：當(dāng)6kv母線上最大1臺電動機啟動時，母線電壓降低，對變頻器運 行無影響。變頻器自動降低轉(zhuǎn)速，維持 運轉(zhuǎn)，等電壓恢復(fù)正常后再回到給定轉(zhuǎn) 速；變頻裝置的輸出頻率范圍為0.5120hz ；恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍為3

8、50hz； 調(diào)速精度為0.0lhz；最大瞬時啟動力矩 為120%；間歇過載能力為120%(lmin)； 每lOmin累計；150%時立即保護，50hz 以上恒功率特性輸出； 變頻裝置欠 壓保護動作值：允許電壓降落35%,保 護時間可設(shè)定； 變頻器瞬時斷電再 上電的能力：瞬時掉電時，變頻器自動 降額運行，使輸出功率為零或為負(fù)，使 電容上的能量維持較長的時間。如果掉 電時間在20s內(nèi)(掉電時間可根據(jù)現(xiàn)場 需要修改)，輸入電壓恢復(fù)正常后，重新 提升輸出頻率至給定值，此過程由加減 速時間控制；變頻裝置動力電源與控制電源獨立設(shè)置，動力電源為變頻調(diào) 速系統(tǒng)內(nèi)部取電，控制電源由用戶提供 單相220v交流電源

9、； 變頻裝置功率 元件型式：變頻調(diào)速系統(tǒng)功率元件采用 igbt模塊；噪聲等級指標(biāo)：系統(tǒng)運行噪 聲75db；控制技術(shù)：多級pwm控制。(10)冷卻系統(tǒng)應(yīng)可靠，平均無故障時 間應(yīng)N變頻裝置本身。在一個風(fēng)機出現(xiàn)故 障時不影響變頻器的正常運行。報警信 號應(yīng)能遠傳到控制室，冷卻裝置應(yīng)拆裝 方便。 (11)其他要求：變頻裝置的控制電源應(yīng)配置ups不間斷電源； 變頻器、旁路開關(guān)、柜門之間必須具有 防誤合閘、誤拉閘功能；在旁路主回路中，為保證在旁路運行后，變頻器 的檢修安全，變頻器電源進線、變頻器 輸出出線必須加隔離開關(guān)，保證有明顯 的斷開點，以滿足安全規(guī)范要求。4高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的選型及應(yīng)用 對于6kv等級

10、，目前主要有4種高壓變 頻裝置：單元串聯(lián)多電平型、三電平型、 igbt直接串聯(lián)型和電流源型。由于單元 串聯(lián)多電平方式容易實現(xiàn)冗余運行，并 且諧波小，dv/dt低，技術(shù)成熟，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝情況，決定選用北京利德華 福有限公司生產(chǎn)的harsvert-a06型高壓變 頻器作為主件，該變頻調(diào)速系統(tǒng)具有諧 波含量小，功率因數(shù)高、編程靈活、操 作方便、模塊化結(jié)構(gòu)、故障率低、維護 方便、易維修等特點。對應(yīng)每1臺風(fēng)機 設(shè)置1套高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，每套變頻 調(diào)速系統(tǒng)包括高壓變頻器（由功率柜和 控制柜組成）、高壓變頻器專用隔離變壓 器、工頻/變頻旁路切換柜、電動機、風(fēng) 機及后臺控制系統(tǒng)構(gòu)成。 4.1系統(tǒng) 主回路電

11、氣原理圖 系統(tǒng)主回路電氣 原理圖如圖1所示。 4.2高壓變頻調(diào) 速系統(tǒng)構(gòu)成 harsvert-a06系列高壓變 頻調(diào)速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和 控制器組成，有21個功率單元，每7個 功率單兀串聯(lián)構(gòu)成1相。 4.3功率單 元結(jié)構(gòu) 每個功率單元結(jié)構(gòu)上是完全 一致的，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示，為基本的交一直一交單相逆變電 路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過igbt 逆變橋進行正弦pwm控制。4.4輸 入、輸出側(cè)結(jié)構(gòu) 輸入側(cè)由移相變壓 器給每個單元供電，移相變壓器的副邊 繞組分為三組，構(gòu)成42脈沖整流方式， 這種多級移相疊加的整流方式可以大大 改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng) 側(cè)功率因數(shù)接

12、近lo 輸出側(cè)由每個單元的u、v輸出端子相互串接而成星（y） 型接法給電機供電，通過對每個單元的形。 4.5控制器控制器核心由高速單片機來實現(xiàn)，控制器包括電源板、接口板、主控板、總線板、光纖板和功 率模塊，控制器還包括內(nèi)置的pic, siemenss7-200cn cpu226cn 1 臺，模擬量 i/o組合模塊em235cn 1塊，模擬量輸出模塊em232cn 3塊。 4.6軟件控制界面 通過高壓變頻器的主界面可以完 成變頻器的功能設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、實時 波形顯示、運行記錄打印、故障查詢。在主控界面可以對變頻器直接進行啟 動、設(shè)定運行頻率、加速、減速、停機、 急停和復(fù)位等操作。在界面上還顯示運

13、行頻率、電機速度、輸入電流、輸出電 流、輸入電壓、輸出電壓等參數(shù)。 4.7 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式 （1）本 機控制 如將高壓變頻器柜上的選擇 開關(guān)處于本控位置，這時只能由變頻器 操作，在操作面板上按啟動按鈕，直接 給定頻率。（2）遠程控制 如將高壓變頻器柜上的選擇開關(guān)處于遠控位 置，則在上位機上給出啟動信號，并設(shè) 定給定頻率。 5技術(shù)改造后的技術(shù) 與經(jīng)濟效益分析 5.1技術(shù)效能（1）使用變頻器控制后能做到無沖擊平 滑啟動（軟啟動），啟動電流小，避免了 啟動沖擊造成的機械損傷和啟動電流 大、時間長造成的電器發(fā)熱。（2）風(fēng)量控制由電機轉(zhuǎn)速控制，實現(xiàn)不同工 況下的風(fēng)量調(diào)節(jié)，易實現(xiàn)計算機閉環(huán)自 動調(diào)節(jié)控制，避免了電機、排煙機在風(fēng) 量小時仍在額定轉(zhuǎn)速下工作。使設(shè)備在 較小的電流、較低的轉(zhuǎn)速下工作，提高