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    关于大功率变频器在水泥厂的应用
    发布者:vango001  发布时间:2014-07-19 10:14:59  访问次数:

    随着大功率变频技术的发展,高压变频装置已越来越多的被应用于工况企业。水泥厂是个耗电大户,近年来,由于节能降耗的需要,

    水泥企业一些大功率设备也开始采用变频调速,应用变频器的设备日益增多,如:高温风机、离心风机、水泵、圆盘给料机、螺旋输

    送机、粉碎机、皮带输送机及排风扇等,用大功率变频器取代传统的液力耦合器对高温风机、直流装置对回转窑的调速,及阀门对大

    型风机风量的调节。应用后不但节省了电费支出,并提高了产品质量,增加了使用上的灵活性,对不同工艺要求适应性更强。尤其对

    风机的变频改造后,改变了过去以改变开度方式来调节风压或风量的传统生产模式,劳动强度减轻,调节控制的准确性好,提高了产

    品的合格率,节电效果可达30%-60%。但大功率变频技术(尤其是高压变频)正在发展中,到目前为止还没有像低压变频器那样有近

    乎统一的拓扑结构,工程技术人员对其认识也在逐步成熟中。为了技术经济合理地使用好大功率变频装置,下面将对其控制方式、技

    术性能及适用的工况进行系统分析,并就其在水泥厂的使用、选配和应注意的问题进行阐述。

    1 大功率变频器结构形式

      大功率变频器按主回路拓扑结构可分为“高-低-高”式变频器、“高-低”式变频器、“高-高”式变频器。“高-高”式又分为电流型、中性点

    钳位的三电平电压型和单元串联多电平电压型。其中:“高-低-高”式变频器,由于两侧均需大型变压器,损耗高,变频系统启动时负

    载能力将下降,谐波较大等缺点,使其发展受到限制。 “高-高”电流型变频器,一般为两电平结构,电动机承受的du/dt较大,且需均

    压和缓冲电路,技术复杂,器件较多,装置体积大,调整和维修都比较困难,功率因数较低,并随负载变化而变化,不好补偿,输

    出谐波和共模电压对电机的影响等问题,电机需降额使用和加强绝缘。其优点是不需外加电路就可将负载的再生能量回馈电网。目

    前,主要应用于超大功率场合。

      由于上述所叙原因,目前,水泥厂在大功率变频器选用上,较少采用“高-低-高”式和高压电流型变频器,一般采用“高-低”式、

    三电平电压型和多电平电压型变频器。

      (1) “高-低”式结构中变频器为低压,电源输入侧采用变压器将高压变为低压。由于采用低压变频器,变频器的容量受到限

    制,电动机需采用专门的变频低压电机,其电压等级一般为690V,水泥厂800KW以下的设备采用这种结构形式较多。但该类型

    变频器一旦故障,电机不能投入工频电网运行,且产生的谐波较高。

      (2)中性点钳位的三电平电压型变频器。其整流电路常采用12脉冲或24脉冲二极管整流结构,逆变部分采用IGBT或IGCT

    ,在逆变器部分采用钳位电路,解决了功率器件的串联的问题,并使相电压输出具有三个电平。该变频器的主回路结构环节少,

    与二电平结构相比,其逆变器件承受的电压降低,输出电压波形也有较大的改善。 三电平电压型变频器效率较高,动态性能较好

    ,过载能力较强。其不足是虽然通过网侧配置,可实现12或24脉冲整流,减少网侧谐波,但du/dt仍较大,电动机电流总谐波仍可

    达17%以上,所以一般需配特殊电机,若要使用普通电机,必须附加输出滤波器。另外,其现在最高输出电压只能做到4.16 KV

    ,采用这种变频器,必须采用变通的方法,改变电机的电压或在输出侧加升压变压器,这是制约其使用的最大问题。

      (3)单元串联多电平电压型变频器。其采用多个低压PWM变频单元串联的方式实现直接高压 ,电网电压经过隔离变压器降压

    后给功率单元供电 ,单相变频功率单元在输出端串联起来 ,实现变压变频的高压输出 ,直供高压电动机。

      这种变频器输入侧变压器采用多相移位技术,输出侧采用多电平正弦PWM技术,谐波较低,在无输出滤波器的情况下,就可

    使THD<1%,其单元串联的数量决定输出电压的等级,所以它可适用于任何普通的高压电动机。虽然采用这种结构会使器件的数

    量增加,但由于驱动功率下降,开关频率较低且不必采用均压电路,系统的效率仍可达97%,功率因数可达0.95以上。另外,在

    某个功率单元出现故障时,可自动退出系统,而其余的功率单元可继续保持电机的运行,减少停机时造成的损失,便于冗余设计

    ,技术上较成熟。

      其缺点是只能单象限运行,不能进行旁路切换,不能实现无熔断器设计,器件的数量多,体积大,可靠性差。并且变压器必

    须和变频器集成在一起,使电气室的空间和散热成为问题。

      由于其他高压变频器受技术条件的局限,目前,在通用型高压变频器领域单元串联多电平变频器仍占绝对优势。

      2  大功率变频器在水泥厂的使用

      2.1 水泥厂大功率变器类型的选择

      水泥厂需要变频调速的大功率设备,主要是高温风机、回转窑、立磨循环风机、窑头余风风机及窑尾排风机等设备,这些设备

    功率一般在200KW以上,如按正常选型,一般采用电压等级为6KV或10KV中压电机,当采用变频调速时应按下列方法匹配较为

    合适。

      回转窑、窑头余风风机及窑尾排风机等设备一般功率在800KW以下, 如果调速采用中压等级的变频器,在技术和经济上是不

    太合理的,因为电压的升高,变频器的加工难度和造价都将大幅度增加。对这部分设备,应采用“高—低”式结构进行变频调速。

    即选择690V(>300KW电机)或380V低压电机,变频器选用低压变频器。这样变频器即使加上电机的成套费用,比采用高压

    变频方式还要低,而且技术成熟、维修使用方便,变频器选择范围也较大。

      采用“高—低”结构,应注意谐波问题。因为低压变频器一般为6脉冲结构,其谐波较高,可达40%以上,为防谐波对电机及

    设备的危害,应选择专用变频电机,如功率较大时,应考虑采用滤波装置及谐波抑制措施。


    高温风机、立磨循环风机等设备,功率较大,宜采用中压“高—高”变频器调速。若采用三电平电压型变频器,应采用变通的办法

    ,用“高—中—中”的方式,即将输入电压降压为3 ~4.16kV,电机选用3 ~4.16kV电机,使用3~4.16 kV的变频器,采用这种方

    式,由于电动机电流总谐波仍达17%以上,电机应采用专用变频电机,并应考虑采用抑制谐波的手段。如采用单元串联多电平

    电压型变频器,可直接选用6KV变频器(尽量不用10KV等级),电机采用普通6KV电机即可,但应注意空间和冷却问题。

      在控制方式的选择上,应根据负载特性,以满足使用要求为准,以便做到量才使用、经济实惠。对于回转窑类重负载启动设备

    ,其启动时需克服巨大惯性,有较高静态转速精度要求,宜采用具有转矩控制功能的变频器,使其在低速运行时具有直接转矩控

    制,在正常运行时具有恒功率控制特性。对高温风机、立磨循环风机等设备,其成平方转矩特性,即转矩随速度平方变化的负载

    ,一般可选用通用型U/f控制变频器(即VVVF变频器)。

      离心风机上的应用:某些水泥厂是采用高压离心式风机进行的供风,该种水泥窑的风量调节以往也是通过风门开启度对风量

    进行调节。对离心风机的变频调速改造同样有巨大的节能潜力。这是因为离心式风机设备的风量与转速成正比,压力与转速的平

    方成正比,功率与转速的立方成正比。因此在调节风量时,如:降低20%的风量,功耗则会下降50%,但是必须注意,转速与压

    力是成平方关系,当转速下降20%时,压力则会下降60%,因此必须注意工艺要求的压力范围不能向罗茨风机那样,不用考虑转

    速与风压的关系。

      选粉机上的应用:传统的选粉机是电磁调速异步电动机(滑差电机)拖动,其优点是调速系统简单、价格低廉、有一定的调

    速范围,缺点也较多,电机本体噪音高、振动大、能耗高、功率损耗大、轴承故障率特高,滑差控制仪安装于粉尘飞扬的电机旁

    边,多次出现带负荷起动,不能调速和突然失速等故障,现场维护量大,影响整个系统的安全运行。

      2.2变频器容量的合理选配

      变频器容量选定过程,实际上是变频器与电机的最佳匹配过程,最常见、也较安全的办法,是按变频器生产厂家要求,即变

    频器的功率应大于或等于电动机额定功率的1.1倍。但水泥厂设备选型时,所选能力都比实际需要作了放大,拖动电机又在所选设

    备基础上留有一定的裕量,这样在实际运行中,运行负荷常常只有额定装机功率的60~70%。所以合理的选择方法应以设备的实

    际运行情况为基础进行计算和分析,决定变频器的容量。这不仅能节省投资,而且本身也是一种节能降耗的措施。根据资料和经

    验,可按下列方法选配:

      (1) 电机实际功率确定法。首先测定电机的实际功率,以此来选用变频器的容量。

      (2) 公式法。安全系数取1.05,则变频器的容量为:Pb=1.05Pm/hm×cosy (kW) 式中,Pm为电机负载,hm为电机效率

    ,cosy电机功率因数。  

      (3) 按电机的实际功率选择变频器,一定要注意:①电机加载后总的负荷电流不得超过变频器的额定电流;②负载峰值电流

    不得超过变频器的过载量。运行经验表明,变频器的容量最小不得小于电机容量的65%。

      在下列情况下使用普通变频器还须增大变频器的容量,一般向上放大一档:①起动时机械惯量较大的负载;②要求电动机频繁

    进行加、减速;

    ③在希望的加减速时间内,电机最大电流大于变频器的过载容量(当1min内达1.5倍额定电流时)。

      2.3 水泥厂变频器使用时应注意以下问题

      (1)使用环境。变频器的额定容量是针对一定的使用环境而标出的,变频器工作温度一般要求为0℃~55℃,最好控制在40℃

    以下,相对湿度应控制在20%~90%。变频器对环境温度要求较高,同时它又是发热量较大的设备,水泥厂在使用大功率变频器时,

    在考虑降温时,一定要考虑变频器的发热,一般按变频器容量的3~4%的功率核算变频器的发热量。

    变频器的额定电流是基于一定的海拔高度、额定电压、额定载波频率制定的,若超出规定,将造成变频器降容使用。水泥厂在变频

    器选型时应按下述方法修正容量:当海拔高度高于1Km时,每增加1Km, 变频器额定电流应相应降低6%左右;输入电压每增加2%, 

    变频器额定电流应按4%向下降修正,载波频率高于额定载波频率时,也应对额定电流作相应修正。

      (2)变频器的外部配置。为防止操作过电压,变频器与电机间不宜装设接触器;变频器内部整流电路前若没有快速熔断器,变

    频器与电源之间应外配符合要求的快速熔断器,不能用空气断路器代替熔断器。

      (3)设计施工时,变频器配线应该注意以下几方面:①严禁将输出端子接到工频电源上,以免损坏变频器。②至电机的连接电

    缆应采用屏蔽电缆或铠装电缆(最好采用专用变频电缆),穿金属管敷设;截断电缆的端头应尽可能整齐,未屏蔽的线段尽可能短;

    电缆的长度应限制在各变频器规定的距离以内,为防谐波漏电流的影响,至电机的接地线应直接连接到变频器相应的接地端子上,接

    地线不得与其他动力设备共用。

    ③如变频器由外部信号控制,控制线需要使用屏敝线,该线应在变频器侧就近接地端子接地,在强干扰环境中,频率控制信号可由电

    压控制方式改为电流控制方式。④变频器的各种接地在没汇到接地汇流排前,彼此间应绝缘,避免接地干扰。

      2.4 转矩提升功能的选择

      在采用VVVF通用变频器时,应注意转矩提升曲线的设定,转矩提升选得过小会使电动机输出转矩不足,启动困难;选得过大,电

    动机磁通饱和损耗将相应增加。对启动转矩较大的负荷,转矩提升曲线应设定的大一点,对风机类负载应设定小一些。

     

    结束语

      在水泥厂工程中推广使用大功率变频器,带来的不仅是节能所产生的直接经济效益,还有其他的附加效益:通过变频器实现电机的

    软启动,降低了启动电流,避免了启动时的机械冲击,延长了电动机寿命;采用结构简单、可靠耐用的鼠笼电机,从而降低了电动机的

    价格、维护工作量及费用;水泥厂排风系统中粉尘含量较大,对高速转动中的风机及档板磨损很大,采用变频调速后,电机转速降低,

    档板全开,磨损大大减少,延长了使用寿命,降低了设备检修费用;通过转速对风压及风量进行调整,扣件简单灵活,反应时间快,易

    与DCS系统构成自动控制回路,提高了自动化控制水平。所以在水泥厂采用高压变频器是不可避免的趋势,希望通过本文对大功率变频

    器的一些介绍及探讨,对设计人员应用大功率变频器时能有所帮助,在实际工程中科学、合理的应用大功率变频器,让大功率变频器

    为水泥行业的节能增效发挥出更好的功效与优势。

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