摘要：本文結(jié)合水泥行業(yè)的生產(chǎn)情況，介紹了北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器在阿塞拜疆的水泥項目風(fēng)機(jī)的應(yīng)用情況，目前該水泥廠項目已進(jìn)入調(diào)試生產(chǎn)階段，整體狀況運行良好。

　　關(guān)鍵詞：水泥行業(yè)、高壓變頻、節(jié)能

　　一、概述

　　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(jī)電耗占成本近30%，拖動風(fēng)機(jī)用的高壓電動機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重。因此，做好電動機(jī)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(jī)“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)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，既滿足生產(chǎn)要求，又達(dá)到節(jié)約電能的作用，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(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)具體情況，風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造后，節(jié)電率在30-50%，通常一年半到兩年便可收回投資。

　　二、調(diào)速方式的選擇

　　變頻調(diào)速技術(shù)是20世紀(jì)年代末興起的一種新型電力傳動調(diào)速技術(shù)，主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速，它以轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強(qiáng)、可靠性高，操作方便，便于通訊等功能優(yōu)于以往的傳統(tǒng)調(diào)速方式(如變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、液力耦合器調(diào)速、轉(zhuǎn)子水阻調(diào)速等等)。變頻調(diào)速運行，是根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化要求，改變供電電流的頻率，并配合電壓的調(diào)節(jié)，以獲得合理的點擊運行工況。在不同的轉(zhuǎn)速情況下，均保持較高的運行效率。變頻控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅降低了電能消耗，同時能改善啟動性能，保護(hù)電動機(jī)及負(fù)載設(shè)備免受瞬時啟動沖擊，延長其工作壽命，還提高電動機(jī)及負(fù)載設(shè)備的工作精確度。

　　高壓變頻器以其顯著的節(jié)能效益、較高的調(diào)速精度、較寬的調(diào)速范圍、完善的保護(hù)功能、方便的通訊功能，得到了廣大用戶的認(rèn)可，現(xiàn)在已經(jīng)成為企業(yè)電機(jī)節(jié)能方式的首選方案。隨著我國國產(chǎn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)的成熟，新項目大功率風(fēng)機(jī)類設(shè)備全部采用高壓變頻器的同時，對原有生產(chǎn)線的大功率風(fēng)機(jī)類設(shè)備，也全部實施了高壓變頻器改造，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

　　高壓變頻調(diào)速—由于應(yīng)用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和高壓電氣、電機(jī)拖動等綜合性領(lǐng)域的學(xué)科技術(shù)，因此具有其他調(diào)速方式無法比擬的優(yōu)點：

　　(1)變頻器采用液晶顯示數(shù)字界面，調(diào)整觸摸式面板，可隨時顯示電壓、電流、頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速，可非常直觀地 顯示電機(jī)在任何時間的實時狀態(tài)。

　　(2)精確的頻率分辨率和調(diào)速精度，完全可以滿足各種生產(chǎn)工藝工況的需要。

　　(3)高壓變頻器具有國際通用的外部接口，能與可編程控制器(PLC)和工控機(jī)等各種儀表連接，以及與原設(shè)備控制回路相連接，構(gòu)成部分閉環(huán)系統(tǒng)。如與原DCS系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和聯(lián)鎖控制。

　　(4)具有電力電子保護(hù)和工業(yè)電氣保護(hù)功能，保證變頻器和電機(jī)在正常運行和故障時安全可靠。

　　(5)電機(jī)可實現(xiàn)軟啟動、軟制動;啟動電流小，小于電機(jī)的額定電流;電機(jī)啟動的時間連續(xù)可調(diào)，減少了對電網(wǎng)的影響。

　　(6)具有就地和異地操作功能，另可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

　　(7)減少配件損耗，延長設(shè)備使用壽命，提高勞動生產(chǎn)效率。

　　三、利德華福高壓變頻器原理及特點

　　HARSVERT-A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?fù)浣Y(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(biāo)準(zhǔn)，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(jī)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(jī)， 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1所示。

圖1：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(dá)98%，考慮輸入變壓器后的總體效率仍在97%以上。

　　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(jī)，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、性能更強(qiáng)大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(biāo)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(dá)到國際先進(jìn)水平。無需安裝復(fù)雜且不易維護(hù)的測速裝置，HARSVERT-A系列變頻器僅需對輸出三相電壓、兩相電流進(jìn)行檢測，即可根據(jù)預(yù)先自動測定的電機(jī)模型，進(jìn)行異步電動機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩解耦控制，實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載啟動和運行。

　　四 、熟料生產(chǎn)中特殊工藝對變頻器的要求

　　高溫風(fēng)機(jī)由于“塌料”導(dǎo)致的過負(fù)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(fù)壓升高，使排風(fēng)機(jī)負(fù)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(jī)過負(fù)荷停機(jī)，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對高溫風(fēng)機(jī)電動機(jī)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(jī)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(jī)，直接影響高溫風(fēng)機(jī)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(jìn)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(jìn)行控制，輸出電流的測量僅用于顯示和保護(hù))。在控制算法中對最大輸出電流進(jìn)行限制，因而不會因負(fù)載的波動導(dǎo)致變頻器過流停機(jī)。

　　五、改造項目具體實施方案及過程

　　5.1 旁路柜的選擇

　　根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，旁路柜采用了一拖一手動方案。此結(jié)構(gòu)是手動旁路的典型方案,原理是由3個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成(見左圖其中QF為原高壓開關(guān)柜內(nèi)的斷路器)。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機(jī)械上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開;工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。

　　優(yōu)點是:在檢修高壓變頻器時，有明顯斷電點，能夠保證人身安全，同時也可手動使負(fù)載投入工頻電網(wǎng)運行等。

　　5.2 工況簡介

　　回轉(zhuǎn)窯是有一定斜度的圓筒狀物，均化好的生料預(yù)熱后由窯尾進(jìn)入到窯中，借助窯的轉(zhuǎn)動來物料在旋窯內(nèi)攪拌，使物料互相混合、接觸進(jìn)行反應(yīng)，物料依靠窯簡體的斜度及窯的轉(zhuǎn)動在窯內(nèi)向前運動，同時需要合適的氣壓及溫度，才能使煤粉有一定的懸浮時間進(jìn)行充分的燃燒，生料才能在窯內(nèi)得到很好的煅燒，形成高質(zhì)量的熟料產(chǎn)品。窯內(nèi)因物料的堆積變化很大，所以瞬時氣壓變化頻繁。窯尾高溫風(fēng)機(jī)一方面用來調(diào)整窯內(nèi)氣壓，另一方面將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒時產(chǎn)生的廢氣(含塵)引出，進(jìn)入收塵器將灰塵進(jìn)行處理后，再將廢氣排到大氣中。此項目為干法生產(chǎn)線，日產(chǎn)量分別為2000t，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)配置為10kV、630kW。在高溫風(fēng)機(jī)的電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間，配有高壓變頻器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，從而調(diào)整風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，達(dá)到控制窯內(nèi)負(fù)壓。

　　5.3 高溫風(fēng)機(jī)變頻改造方案

　　經(jīng)過對系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計，在生產(chǎn)過程中，風(fēng)機(jī)擋板開度在80%左右，節(jié)電空間較大，我們決定對原系統(tǒng)使用變頻改造，為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器加裝了工頻旁路裝置。這樣，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，可將電機(jī)切換至工頻狀態(tài)下運行。

　　5.4 改造過程

　　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間變頻器專用房，此地距高壓室較近，動力電纜鋪設(shè)方便。

　　由于現(xiàn)場灰塵較大，而變頻器為強(qiáng)迫風(fēng)冷，設(shè)備內(nèi)空氣流通量較大，為避免變頻器受外界灰塵的影響，在房間通風(fēng)上，設(shè)計了兩扇大面積專用進(jìn)風(fēng)窗，房間不另設(shè)其它窗口，基本上是密閉設(shè)計。通風(fēng)窗采用專用過濾網(wǎng)，這樣使進(jìn)入變頻器室內(nèi)的空氣經(jīng)過通風(fēng)窗濾灰，進(jìn)入變頻器室內(nèi)的灰塵大大減少，最大限度地減少了進(jìn)入變頻器室內(nèi)的灰塵，過濾網(wǎng)定期除塵，保證變頻器長期安全運行。

　　現(xiàn)場高溫時間長，變頻器功率較大，為保證足夠的通風(fēng)冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨立安裝了一個整體風(fēng)罩，與各自的出風(fēng)口連成整體，形成所謂的“風(fēng)道”，保證變頻器整體冷卻通風(fēng)要求，即使在夏季高溫季節(jié)也不需要開空調(diào)進(jìn)行降溫。

　　5.5 調(diào)試方便

　　利德華福高壓變頻器調(diào)試非常方便，在確認(rèn)現(xiàn)場接線正確無誤后，用變頻器人機(jī)界面設(shè)定基本參數(shù)后，即可完成設(shè)置。人機(jī)界面采用全英文界面，方便使用。下圖為高壓變頻器在現(xiàn)場使用照片。

圖2 高壓變頻器

圖3 中控室運行時監(jiān)控界面

　　5.6 變頻改造后的優(yōu)點

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

　　(2)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(jī)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。

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

　　(5)廠房設(shè)備噪聲污染大大降低。

　　六、結(jié)論

　　目前很多水泥廠的風(fēng)機(jī)大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式基本通過擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，耗能大，經(jīng)濟(jì)效益差，設(shè)備損壞嚴(yán)重，急需采用先進(jìn)的高壓變頻調(diào)速進(jìn)行技術(shù)改造，以降低水泥廠的電耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。實踐證明，水泥行業(yè)風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，是必要、可行的，且經(jīng)濟(jì)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(jī)的變頻改造，成功解決了水泥生產(chǎn)中的塌料引起的負(fù)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(jì)效益和社會效益，具有很高的推廣價值。

（轉(zhuǎn)載）