摘要：本文主要論述水泥廠風機采用高壓變頻調(diào)速的必要性、可行性、經(jīng)濟性和實際運行經(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。 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，而電動機電耗就占成本近30％，而拖動風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。目前很多水泥廠的風機大馬拉小車現(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)風量的大小，既可以滿足生產(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，在水泥廠風機采用變頻調(diào)速技術(shù)，能提高節(jié)約大量能源，提高生產(chǎn)效率，為水泥廠帶來較大的經(jīng)濟效益和社會效益。根據(jù)具體情況，風機采用變頻調(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用等總投資。 傳統(tǒng)擋板調(diào)節(jié)存在的問題 風機傳統(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。主要存在以下問題： 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。對風機而言，最有效的節(jié)能措施是采用調(diào)速來調(diào)節(jié)流量。由于風機大都為平方轉(zhuǎn)矩負載，軸功率則與轉(zhuǎn)速大致成立方關(guān)系，所以當風機水泵轉(zhuǎn)速下降時，消耗的功率大大下降。圖1表示了風機采用各種調(diào)節(jié)方法時消耗功率與風量關(guān)系曲線。其中曲線1為輸出端風門控制時電機消耗的功率，曲線2為輸入端風門控制時電機消耗的功率，曲線3為轉(zhuǎn)差調(diào)速控制（采用滑差電機、液力耦合器）時電動機消耗的功率，4為變頻調(diào)速控制時電動機消耗的功率，最下面一條曲線為調(diào)速控制時風機實際所需軸功率（即電機軸輸出功率）。可見，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)對擋板閥門和管道沖擊較大，設(shè)備損壞嚴重。 3．擋板動作遲緩，手動時人員不易操作，而且操作不當會造成風機震動。擋板執(zhí)行機構(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．異步電動機在直接起動時起動電流一般達到電機額定電流的6～8倍，對電網(wǎng)沖擊較大，也會引起電機發(fā)熱，強大的沖擊轉(zhuǎn)矩對電機和風機的機械壽命存在很多不利的影響。也有繞線式電機采用水電阻方式進行起動的，存在設(shè)備復(fù)雜，可靠性低等缺點。過去也有水泥J一采用液力耦合器進行調(diào)速。液力耦合裝置缺點是體積大、噪聲大、調(diào)速范圍窄、效率低、油系統(tǒng)維護復(fù)雜。 采用變頻調(diào)速的優(yōu)點 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)濟效益。異步電動機的變頻調(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，是異步電動機的最為合理的調(diào)速方法。 由公式 N=60f/p（1-s） 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的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前變頻調(diào)速已成為異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。 對離心式風機而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風量Q與轉(zhuǎn)速力成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n。正比：即： 當風機風量需要改變時，如調(diào)節(jié)風門的開度，則會使大量電能白白消耗在風門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當風機低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為 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)的沖擊和機械負載的沖擊都不存在了，同時延長了電機和風機的壽命。同時，采用變頻調(diào)速后，電機的無功功率通過變頻器直流環(huán)節(jié)的濾波電容進行了瞬時補償，變頻器的輸入功率因數(shù)可大于0．95以上。相對電機直接工頻運行而言，功率因數(shù)大大改善，對低速電機效果尤為明顯。實現(xiàn)變頻調(diào)速后，風機經(jīng)常在額定轉(zhuǎn)速以下運行，介質(zhì)對風機風扇和擋板的磨損，軸承的磨損，密封的損壞都大大降低，減少了維護工作量。電機運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（或通過通信接口進行控制），通過變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，可以平穩(wěn)地調(diào)節(jié)風量，且線形度較好，動態(tài)響應(yīng)快，使設(shè)備在更經(jīng)濟的狀態(tài)下安全穩(wěn)定運行。 艾帕高壓變頻器原理及特點 上海艾帕電力電子有限公司的Innov—ert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du／df、共模電壓等問題，不必設(shè)置輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。 Innovert系列采用無速度傳感器矢量控制技術(shù)（國內(nèi)首創(chuàng)），全數(shù)字控制，具有起動力矩大，轉(zhuǎn)速精度高，抗電網(wǎng)波動和負載擾動能力強的特點。其原理如圖2所示（以3kV高壓變頻器為例）。 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。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，lOkV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12。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，總的諧波電流失真可達到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，電機電壓的等效開關(guān)頻率大大提高，且輸出電平數(shù)增加，以6ky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。圖4為此類變頻器的輸出電壓、電流波形。 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。 圖5為6kV／1000kVA高壓變頻器的外形照片和內(nèi)部所用功率單元的照片。 [align=center] [/align] 應(yīng)用實例 南方某水泥廠于2006年5月在窯尾廢氣處理風機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。到目前為止運行良好，節(jié)能顯著。 該窯尾廢氣處理風機為1 OkV的高壓電機，電機參數(shù)如下．繞線式異步電機，型號YRKK一630—10，額定功率800kW，頻率50Hz，額定電壓10000V，接線為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，絕緣等級F，防護等級IP54，蘭州電機廠2004年生產(chǎn)。變頻器型號為Innovert 10／10-70，額定電壓lOkV，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)整風門擋板開度對排風機的風量進行調(diào)整。由設(shè)計裕度較大，正常生產(chǎn)過程中，風門擋板開度較小，風門檔板兩側(cè)風壓差較大，造成較大的節(jié)流損失?，F(xiàn)運行方式為風門擋板全開，通過變頻來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而達到調(diào)整風量的目的。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。變頻器正常運行頻率在40Hz左右。 本次變頻改造前后，我們對相應(yīng)的運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，現(xiàn)將部分數(shù)據(jù)分析如下。 改造前，電動機平均功耗為680kW，改造后平均功耗為410kW，通過變頻改造后功耗下降達270kW。按照年運行330天計算，年節(jié)電量為：270×24×330=2138400度，按每度電0．5元，則年節(jié)能效益為2138400×0．5：106．92萬元 節(jié)電率為：270／680=39．7％ 現(xiàn)將改造前后風機性能對比見表1。 本變頻器還同時設(shè)計有工頻旁路同路（圖6），萬一變頻器出現(xiàn)故障時，可將電動機自動切至原工頻供電回路，并用原有的水電阻進行起動，以保證電機的正常運轉(zhuǎn)，而不影響生產(chǎn)。工頻運行時，風機轉(zhuǎn)速會升高，風壓會發(fā)生較大變化，故同時應(yīng)及時在DCS上對風機的風門進行及時調(diào)節(jié)，降低風機輸出風量至T況要求值。 [align=center] [/align] 采用變頻調(diào)速應(yīng)該注意的問題 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)帶米的均壓問題，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（比如傳統(tǒng)的電流源型變頻器），會產(chǎn)生如下危害：供電系統(tǒng)的繼電保護裝置誤動作，可能導(dǎo)致大面積停電。測最儀器儀表誤差增大，影響計量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置，電子計算機系統(tǒng)及通信設(shè)備的正常工作。諧波使電機，變壓器和電容器等用電設(shè)備損耗增大，嚴重時會過熱或燒損。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IEEE51 9—1 992和6B／T14549-93標準。大、中型水泥廠自動化水平高，大多數(shù)采用白動化儀表和計算機控制系統(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，原有的普通電機是設(shè)計成為電網(wǎng)直接運行的，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，會對電機產(chǎn)生4i良影響。變頻器輸出諧波會引起的電機附加發(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。 結(jié) 論 目前很多水泥廠的風機大馬拉小車現(xiàn)象嚴重。風機的風量調(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J‘的電耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。 水泥行業(yè)風機采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，通過上海艾帕電力電子有限公司高壓變頻器的應(yīng)用實踐證明是必要的、可能的，且經(jīng)濟效益顯著。 Innovert系列高壓變頻器可靠性高，輸入輸出波形質(zhì)最好，適合于水泥廠風機的變頻調(diào)速，能提高設(shè)備運行的可靠性，節(jié)約大最能源，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。