高壓變頻調(diào)速器在收塵風(fēng)機節(jié)能改造上的應(yīng)用

吳立軍

1 引言

目前，使用球磨機加工礦渣微粉的電耗占成本的近45%，用于拖動風(fēng)機的高壓電動機在電機容量中也占有很大的比重。采用變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)節(jié)球磨機風(fēng)機風(fēng)量的大小，能節(jié)約大量能源，提高生產(chǎn)效率，經(jīng)濟效益十分顯著。由于具體情況不同，風(fēng)機進行變頻改造后，節(jié)電率在20%～60%的范圍內(nèi)。

采用新型高壓大功率電力電子器件構(gòu)造的直接“高-高”式變頻調(diào)速器結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，有很好的調(diào)速和起動與制動性能，由于采用不控整流和全控器件進行開關(guān)調(diào)制，具有輸入側(cè)高功率因數(shù)、整裝置優(yōu)良的控制性能和較高的運行效率等特點。特別是通過改變送給電動機電流的頻率，可在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，已廣泛應(yīng)用于風(fēng)機和水泵的節(jié)能改造上。

2 高壓變頻器的系統(tǒng)組成和原理

NZX高壓變頻器為直接“高－高”結(jié)構(gòu)，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

NZX高壓變頻器具有運行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出正弦波形好、輸入電流功率因數(shù)高、效率高等特點，對電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD＜4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補償裝置，輸出波形好，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用于普通的異步電機。

2.1 功率單元

NZX-（H）系列高壓變頻器每相由九個功率單元串聯(lián)而成。各功率單元具有完全相同的結(jié)構(gòu)，具有互換性。每個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)，同時還包括驅(qū)動、保護、監(jiān)測、通訊等組件組成的控制電路，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。每個功率單元額定輸出電壓為580V，串聯(lián)后輸出相電壓5220V，線電壓達到10kV。

圖1 單元串聯(lián)多電平變頻系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖

NZX-（H）系列高壓變頻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，但各載波之間互相錯開一定電角度，實現(xiàn)多電平PWM，使得輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓的每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，但輸出波形的等效開關(guān)頻率可以達到單元開關(guān)頻率的6倍，且輸出電平數(shù)增加，輸出相電壓為13電平，線電壓為25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，其輸出波形如圖3所示。

2.2 IGBT驅(qū)動原理

在NZX-（H）變頻器的功率單元中，使用高性能、智能化的專用IGBT驅(qū)動模塊對主控系統(tǒng)輸出的PWM控制信號進行隔離、緩沖處理后，使弱電信號（TTL電平）能夠驅(qū)動高壓回路中的大功率IGBT器件，輸出我們需要的SPWM電壓。

驅(qū)動模塊輔助功能還包括：對IGBT進行短路、過流、欠壓監(jiān)測和保護。當(dāng)負載或功率單元一旦出現(xiàn)短路、過流、欠壓等方面的故障，驅(qū)動模塊將故障信號上傳到主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)的微處理器將根據(jù)故障類型進行辨別處理后，發(fā)出命令使驅(qū)動模塊停止工作，禁止該功率單元的輸出。與此同時主機中故障處理控制邏輯還會根據(jù)故障類型進一步判斷系統(tǒng)是否發(fā)生真正的故障，以便系統(tǒng)采取報警停機或繼續(xù)運行，以保護變頻器與配電系統(tǒng)的安全，不至于造成更大的故障和經(jīng)濟損失。

圖2 變頻器功率單元圖

2.3 輸入變壓器

NZX-（H）系列高壓變頻器的輸入側(cè)變壓器采用移相式變壓器，其電氣原理圖如圖4所示。變壓器原邊繞組為10kV，副邊共十八個繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分別有±5°、±15°、±25°移相角度，每個繞組接一個功率單元，這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。因此，采用移相變壓器進行隔離降壓，使得輸入側(cè)功率因數(shù)在0.96以上，不會對電網(wǎng)造成超過國家標(biāo)準的諧波干擾。

3 改造方案

變頻器退出運行后，為了不影響生產(chǎn)，確保系統(tǒng)正常工作，配置了工頻旁路。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，將電機投切到工頻下運行。整個系統(tǒng)由1臺高壓變頻柜、1臺控制柜、1臺變壓器柜、1臺旁路柜、1臺電機及1臺送風(fēng)機組成，圖5為送風(fēng)機變頻方案示意圖。

圖5中共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，QS2與QS3采用機械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)電氣連鎖，避免系統(tǒng)誤操作。當(dāng)QS1、QS2閉合，QS3斷開時，電機運行在變頻狀態(tài)；當(dāng)QS1、QS2斷開，QS3閉合時，電機工頻運行，此時高壓變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。

3.1 現(xiàn)場工藝簡介

我公司生產(chǎn)粉磨的工藝流程是：

電動機通過減速機帶動球磨機轉(zhuǎn)動，物料從下料口落到球磨機中，受到鋼球和鋼段的沖擊和研磨。經(jīng)選粉機分離，成品隨氣流被輸出球磨機，在系統(tǒng)的收塵裝置中收集下來，而粗粉返回到球磨機中重新粉磨。收塵風(fēng)機的轉(zhuǎn)速（收塵器所需風(fēng)量）主要由管磨機內(nèi)工藝情況（產(chǎn)量及粉的細度）決定。

圖3 高壓變頻器的輸出電壓和電流波形

圖4 移相變壓器電氣原理圖

3.2 礦渣微粉生產(chǎn)工藝圖

3.3 收塵風(fēng)機系統(tǒng)控制方案

（1）主回路方案

工作原理：變頻器為一拖一配置，即1臺變頻器拖動1臺電機。變頻器高壓進線端直接接于10kV電壓等級的主動力電源，輸出側(cè)直接連接電機。QF1為用戶現(xiàn)場高壓斷路器，為了實現(xiàn)對變頻器故障保護，變頻器與QF1的合、分閘回路實現(xiàn)連鎖，只有變頻器控制系統(tǒng)正常才允許QF1合閘，如果變頻器出現(xiàn)故障則跳開QF1。

（2）控制回路方案

按照用戶要求,變頻器可以根據(jù)用戶反饋的風(fēng)壓信號來調(diào)節(jié)風(fēng)機的風(fēng)壓，也可以與用戶的風(fēng)門進行開、合聯(lián)動。

變頻器控制柜有“本機控制/遠程控制”選擇開關(guān)，可以方便地選擇本地操作或遠程操作，變頻器支持MODBUS、PROFIBUS、TCP/IP等協(xié)議及硬接線連接來實現(xiàn)遠程操作。本套系統(tǒng)與用戶中控室DCS采用硬接線連接的方式，即DCS給變頻器發(fā)啟動、停止指令及一路頻率給定信號，變頻器反饋給DCS“備妥”、“運行”、“報警”、“故障”四路開關(guān)量信號及“電機轉(zhuǎn)速”、“電機電流”兩路模擬量信號。變頻器概略圖見圖7。

3.4 節(jié)能效果分析

（1）變頻器參數(shù)

型號：LPMV-10/630；輸入電壓：10kV；額定電流：46A；額定功率：630kW。

（2）電機參數(shù)

額定功率：630kW；額定電壓：10kV；額定轉(zhuǎn)速：985r/min；額定電流：45A。

3.5 節(jié)能計算

通過流體力學(xué)的基本定律可知，風(fēng)機、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即：流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

根據(jù)風(fēng)機工作特性可知，原來的系統(tǒng)采用擋板調(diào)節(jié)時，風(fēng)機工作點將由A沿曲線向B點移動；目前的系統(tǒng)采用電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速由n0調(diào)整為n'時，風(fēng)機工作點將由B點降至C點，因此采用高壓變頻器調(diào)速，其節(jié)電量如圖8所示。

根據(jù)工藝要求，收塵風(fēng)機的電機轉(zhuǎn)速降為額定轉(zhuǎn)速的80%時，調(diào)速系統(tǒng)（變頻器＋電機）從電網(wǎng)側(cè)吸收功率約降為額定轉(zhuǎn)速時的51%，即0.83×62%≈51%。因此若工藝要求收塵系統(tǒng)風(fēng)量下降即收塵風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降，節(jié)能效果將十分明顯。

4 變頻改造對系統(tǒng)產(chǎn)生的效果

通過對收塵風(fēng)機的變頻節(jié)能分析測算可知，設(shè)備進行變頻改造后，具有顯著的經(jīng)濟效益，并且在其他方面也產(chǎn)生了一些顯著的影響：

（1）采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟啟動，電機啟動的電流只是額定電流，啟動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)和變壓器無大的沖擊，減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對電機機械損傷，有效延長了電機的使用壽命。

圖5 送風(fēng)機變頻方案示意圖

圖6 礦渣微粉生產(chǎn)工藝圖

圖7 變頻器概略圖

圖8 采用高壓變頻器調(diào)速后節(jié)電量

（2）變頻改造前，風(fēng)量的調(diào)節(jié)要靠調(diào)整擋板的開度來完成，一次風(fēng)量的改變通常要反復(fù)調(diào)節(jié)多次才能完成。變頻改造后，電機轉(zhuǎn)速的改變只要在DCS設(shè)定即可，大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，風(fēng)量調(diào)節(jié)更平穩(wěn)、精確。

（3）收塵風(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＜4%。

（4）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＜1%，上述指標(biāo)均滿足IEEE-519國際電能質(zhì)量諧波標(biāo)準要求。

（5）該變頻器為電壓源型結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)可高達0.95。

（6）廠房設(shè)備噪聲污染大大降低。

5 結(jié)語

從2012年9月份投入試運行，在變頻節(jié)能設(shè)備運行過程中運行穩(wěn)定，節(jié)電明顯，設(shè)備起動平和，對電網(wǎng)沒有沖擊。主風(fēng)機軸承、電動機軸承的溫度由原來的60～70℃降到＜30℃，延長了機械的使用壽命，降低了維修率，提高了設(shè)備的過流、過壓、過載、高溫等智能保護。從2013年3月19日開始正式運行至今，已經(jīng)多次用電度表做出了節(jié)電對比，結(jié)論是節(jié)電率53.2%。我公司在我國北方，按一年生產(chǎn)10個半月計，12個月即可回收投資，效果顯著?！?/p>