Harsvert-VA高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在水泥窯尾風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

程寶平

（山西長(zhǎng)治市應(yīng)用技術(shù)研究院，山西 長(zhǎng)治 046011）

Harsvert-VA高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在水泥窯尾風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

程寶平

（山西長(zhǎng)治市應(yīng)用技術(shù)研究院，山西 長(zhǎng)治 046011）

本文介紹了 Harsvert-VA 10/080高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)及其在山西瑞泰水泥股份有限公司2000t/d水泥線窯尾高溫風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速改造中的應(yīng)用、改造后的運(yùn)行和節(jié)能效果，這可對(duì)窯尾高溫風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造提供一定經(jīng)驗(yàn)。

高壓變頻器；移相變壓器；Harsvert-VA高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

1 引言

山西瑞泰水泥股份有限公司 2000t/d水泥線窯尾高溫風(fēng)機(jī)由鼠籠電動(dòng)機(jī)通過液力耦合器拖動(dòng)，原有運(yùn)行方式為全速運(yùn)行，通過調(diào)整進(jìn)出風(fēng)口擋板開度大小來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)。生產(chǎn)中電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)，存在電動(dòng)機(jī)負(fù)載電耗較大、擋板和管道磨損嚴(yán)重、液力耦合器調(diào)速時(shí)故障多、“塌料”導(dǎo)致停產(chǎn)、噪聲大，故對(duì)窯尾高溫風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻調(diào)速改造。

2 變頻改造現(xiàn)場(chǎng)情況

2.1 改造前窯尾電動(dòng)機(jī)及高溫風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

電動(dòng)機(jī)型號(hào)：Y500-4；額定功率：800kW；額定電壓：10kV；額定電流：56.2A。額定轉(zhuǎn)速:1491r/min；功率因數(shù)： cosφ=0.87。

風(fēng)機(jī)型號(hào)：2300-DI-BB24；風(fēng)量：230000～250000m3；進(jìn)口風(fēng)壓：8500Pa；轉(zhuǎn)速：1425r/min。

2.2 改造前工藝情況

窯尾風(fēng)機(jī)連接方式是：電動(dòng)機(jī)－液力耦合器－風(fēng)機(jī)。通過液力耦合器調(diào)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)擋板開度是70%，液力耦合器開度40%，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流大，全速運(yùn)行。

3 變頻改造方案實(shí)施與Harsvert-VA高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

3.1 變頻改造方案實(shí)施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)過調(diào)查及綜合評(píng)價(jià)后，確定選用北京利德華福電器技術(shù)有限公司Harsvert-VA 10/080高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)窯尾高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。具體選用情況如下：

高壓變頻器型號(hào)：Harsvert-VA 10/080，輸入電壓：10kV，額定電流：80A，過載能力：120%下運(yùn)行1min，150%時(shí)跳停保護(hù)。

實(shí)施變頻改造后，窯尾風(fēng)機(jī)連接方式變?yōu)椋弘妱?dòng)機(jī)－連接軸－風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)擋板開度 100%，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)低速起動(dòng)。

改造中實(shí)施了以下工作。

（1）電氣控制

由于原高壓電動(dòng)機(jī)為直接起動(dòng)，為防止變頻器出現(xiàn)故障影響生產(chǎn)，因此在選型時(shí)配備了高壓旁路柜，以便變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可迅速轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)狀態(tài)。也即增加的變頻回路與原工頻回路并聯(lián)，組成雙回路可轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)。

旁路柜采用一拖一手動(dòng)方案。旁路柜由3個(gè)高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（見圖1，其中QF為原高壓開關(guān)柜內(nèi)帶綜合繼保的高壓斷路器）。設(shè)置QS2和QS3不能同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運(yùn)行時(shí)，QS3閉合，QS1和QS2斷開。

圖1 高溫風(fēng)機(jī)電氣控制原理圖

（2）高溫風(fēng)機(jī)改造液耦調(diào)速

此次改造拆除了液力耦合器，用連接軸替代液力耦合器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)的直接聯(lián)接，電動(dòng)機(jī)位置不變。

（3）散熱

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，在系統(tǒng)變壓器柜頂和功率柜頂分別獨(dú)立加裝集風(fēng)罩以及排風(fēng)管道，與各自的出風(fēng)口連成整體，把高壓變頻器散出的熱風(fēng)排出室外。

3.2 Harsvert-VA高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

本次改造選用的Harsvert-VA10/080高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，是高-高電壓源型變頻器，其主要由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10kV系統(tǒng)直接為 10kV輸入與輸出。10kV系統(tǒng)共有24個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串聯(lián)成一相，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[1]。

移相式變壓器采用移相干式隔離變壓器，一次側(cè)為Y型接法。直接與高壓相連，二次繞組為延邊三角形接法，為每個(gè)功率單元提供三相電源。低壓功率單元經(jīng)串聯(lián)疊波后獲得高壓。三相輸出Y型接法，中性點(diǎn)懸浮，得到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需的可變頻三相高壓電源。

功率單元為交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋。功率單元通過光纖接收信號(hào)后，采用空間矢量SPWM方式，控制IGBT逆變橋的4個(gè)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制波形。功率單元具有單元旁路功能，當(dāng)某個(gè)單元發(fā)生熔斷器故障、過熱和IGBT故障不能繼續(xù)工作時(shí)，該單元及其另外兩相相應(yīng)位置上的單元會(huì)自動(dòng)旁路，此時(shí)4個(gè)IGBT封鎖輸出，功率模塊輸出側(cè)的連接兩個(gè)輸出端子的晶閘管導(dǎo)通，保證系統(tǒng)連續(xù)工作，并發(fā)出旁路報(bào)警[2]。

系統(tǒng)采用的多脈沖整流技術(shù)使得網(wǎng)側(cè)電壓電流諧波指標(biāo)能夠滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求，負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)也接近 1，因此無(wú)需任何功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波抑制裝置。

每個(gè)功率單元輸出側(cè)的兩個(gè)輸出端子按Y型接法相互串接給電動(dòng)機(jī)供電。通過對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，輸出電壓可得到階梯SPWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，不需要附加輸出濾波裝置，也不會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣、軸承造成損害，并且電動(dòng)機(jī)的諧波損耗大大減小。

控制系統(tǒng)由DSP控制器、標(biāo)準(zhǔn)操作面板、PLC組成?？刂破饔扇龎K光纖板、一塊信號(hào)板、一塊主控板和一塊電源板組成。

光纖板通過光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)。每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發(fā)出PWM信號(hào)或工作模式指令。單元通過光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號(hào)，并在故障時(shí)向光纖板發(fā)出故障代碼信號(hào)。

信號(hào)板采集VA系統(tǒng)的輸出電壓和電流信號(hào)，并將模擬信號(hào)隔離、濾波和量程轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)用于 VA系統(tǒng)控制、保護(hù)，以及提供給主控板數(shù)據(jù)采集。

VA系統(tǒng)主控制芯片是 DSP，運(yùn)用正弦空間矢量方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)控制的所有功能。通過RS232通信口與標(biāo)準(zhǔn)操作面板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提供 VA系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，并接受來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)操作面板的參數(shù)設(shè)置。電源板提供±15V和+5V電源，分別用于信號(hào)板和控制板供電。PLC用于VA系統(tǒng)內(nèi)部開關(guān)信號(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的邏輯處理，它有處理2路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力,模擬量輸入用于處理來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的流量、壓力等模擬信號(hào)或模擬信號(hào)的設(shè)置；模擬量輸出為輸出電流和運(yùn)行頻率。

標(biāo)準(zhǔn)操作面板通過配備為用戶提供友好的功能強(qiáng)大的全中文監(jiān)控界面，負(fù)責(zé)信息處理和與外部的通信。它通過上位監(jiān)控軟件與VA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)Modbus通信,通過RS232通信口與主控板通信，通過RS485通信口與PLC通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控VA系統(tǒng)的狀態(tài)。根據(jù)DSP和PLC傳過來(lái)的數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)操作面板計(jì)算出電流、電壓、功率、運(yùn)行頻率等運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的過載、過流報(bào)警和保護(hù)處理。

VA系統(tǒng)有4種控制方式：

（1）本機(jī)控制。直接利用VA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)操作面板進(jìn)行變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制操作。

（2）上位機(jī)控制。通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，并可進(jìn)行起動(dòng)、停車、急停、復(fù)位、設(shè)定運(yùn)行頻率、參數(shù)刷新、查看故障記錄等控制操作。

（3）DCS控制。與DCS直接連接，接受DCS系統(tǒng)的控制。

（4）遠(yuǎn)程撥號(hào)控制。在異地通過電話網(wǎng)絡(luò)計(jì)算撥號(hào)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行異地遠(yuǎn)程監(jiān)控。

表1是實(shí)測(cè)的高溫風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)及年節(jié)電量情況。

4 變頻改造后的效果

4.1 節(jié)能效果

圖2 高壓變頻器主電路

表1 高溫風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)及年節(jié)電量

變頻改造后，在生產(chǎn)正常情況下，窯尾高溫風(fēng)機(jī)節(jié)能量計(jì)算如下：

（1）風(fēng)機(jī)工頻時(shí)實(shí)際消耗的功率P1

式中，I1為風(fēng)機(jī)的工頻實(shí)際運(yùn)行電流（47A）；U為風(fēng)機(jī)的工頻實(shí)際運(yùn)行電壓（9950V）；cosφ為風(fēng)機(jī)的工頻實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)（cosφ=0.95）。

風(fēng)機(jī)全年耗電量為：

（2）節(jié)電率η

變頻前后功率比

式中，變頻裝置效率η1=0.96；考慮風(fēng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)下的效率會(huì)下降，取修正系數(shù)η2為80%；考慮到其他損耗，取η3=0.97；風(fēng)機(jī)的額定電流I＝56.2A。

變頻改造后系統(tǒng)消耗功率

式中，P0為風(fēng)機(jī)電機(jī)額定功率；P2為變頻改造后系統(tǒng)消耗功率。

變頻后相對(duì)于工頻運(yùn)行時(shí)的小時(shí)節(jié)電量：

高溫風(fēng)機(jī)變頻前后節(jié)電率

（3）年節(jié)能量

變頻改造后運(yùn)行1年（按每年7200h計(jì)）節(jié)省的電能

一年節(jié)省的電費(fèi)為

4.2 其他效果

（1）實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)且起動(dòng)平滑，避免了起動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)了電機(jī)使用壽命。

（2）風(fēng)機(jī)檔板全開，檔板和管道磨損大大減小，維護(hù)工作量減少，使用壽命延長(zhǎng)，費(fèi)用降低。

（3）無(wú)級(jí)調(diào)速調(diào)整風(fēng)壓及風(fēng)量，操作簡(jiǎn)單靈活，反應(yīng)時(shí)間快，避免了使用液耦調(diào)速時(shí)的速度不穩(wěn)和故障。

（4）解決了“塌料”導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷問題。

（5）功率因數(shù)得到提高，省去了功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，減少了線路損耗。

（6）設(shè)備噪聲降低，環(huán)境得到有效改善。

5 結(jié)論

改造后，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，提高了風(fēng)機(jī)設(shè)備調(diào)速精度、調(diào)速性能和運(yùn)行效率，提升了運(yùn)行監(jiān)控自動(dòng)化水平，增強(qiáng)了運(yùn)行的安全可靠性，確保了生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行，提高了水泥的產(chǎn)量和質(zhì)量，節(jié)能效果、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。

[1] 王鵬.高壓變頻器多重化整流的設(shè)計(jì)[J].電力電子,2008(2).

[2] Harsvert-VA高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)用戶手冊(cè).北京利德華福電器技術(shù)有限公司.

Application of the Harsvert-VA High Voltage Inverter on High Temperature Blast Motor of Cement Production Line

Cheng Baoping
(Changzhi Applied Science and Technology Institute of Shansi,Changzhi,Shansi 046011)

This paper introduces features of the Harsvert-VA high voltage inverter and its application on 2000t/d cement production line in Shansi Ruitai Cement Co., Ltd, then gives effects after reformation. It can supply some experience to reform high temperature blast motor with high voltage inverter on cement production line

high voltage inverter；phase-shifting transformer；Harsvert-VA High Voltage inverter

程寶平（1964-），男，山西長(zhǎng)治市人，長(zhǎng)治市應(yīng)用技術(shù)研究院副院長(zhǎng)，高級(jí)工程師，研究方向：電力電子。