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公司新聞
關于大功率變頻器在水泥廠的應用
發布時間:2017-12-5  瀏覽次數:543

 隨著大功率變頻技術的發展,高壓變頻裝置已越來越多的被應用于工況企業。水泥廠是個耗電大戶,近年來,由于節能降耗的需要,

水泥企業一些大功率設備也開始采用變頻調速,應用變頻器的設備日益增多,如:高溫風機、離心風機、水泵、圓盤給料機、螺旋輸

送機、粉碎機、皮帶輸送機及排風扇等,用大功率變頻器取代傳統的液力耦合器對高溫風機、直流裝置對回轉窯的調速,及閥門對大

型風機風量的調節。應用后不但節省了電費支出,并提高了產品質量,增加了使用上的靈活性,對不同工藝要求適應性更強。尤其對

風機的變頻改造后,改變了過去以改變開度方式來調節風壓或風量的傳統生產模式,勞動強度減輕,調節控制的準確性好,提高了產

品的合格率,節電效果可達30%-60%。但大功率變頻技術(尤其是高壓變頻)正在發展中,到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣有近

乎統一的拓撲結構,工程技術人員對其認識也在逐步成熟中。為了技術經濟合理地使用好大功率變頻裝置,下面將對其控制方式、技

術性能及適用的工況進行系統分析,并就其在水泥廠的使用、選配和應注意的問題進行闡述。

1 大功率變頻器結構形式

大功率變頻器按主回路拓撲結構可分為“高-低-高”式變頻器、“高-低”式變頻器、“高-高”式變頻器?!案?高”式又分為電流型、中性點

鉗位的三電平電壓型和單元串聯多電平電壓型。其中:“高-低-高”式變頻器,由于兩側均需大型變壓器,損耗高,變頻系統啟動時負

載能力將下降,諧波較大等缺點,使其發展受到限制。 “高-高”電流型變頻器,一般為兩電平結構,電動機承受的du/dt較大,且需均

壓和緩沖電路,技術復雜,器件較多,裝置體積大,調整和維修都比較困難,功率因數較低,并隨負載變化而變化,不好補償,輸

出諧波和共模電壓對電機的影響等問題,電機需降額使用和加強絕緣。其優點是不需外加電路就可將負載的再生能量回饋電網。目

前,主要應用于超大功率場合。

由于上述所敘原因,目前,水泥廠在大功率變頻器選用上,較少采用“高-低-高”式和高壓電流型變頻器,一般采用“高-低”式、

三電平電壓型和多電平電壓型變頻器。

(1) “高-低”式結構中變頻器為低壓,電源輸入側采用變壓器將高壓變為低壓。由于采用低壓變頻器,變頻器的容量受到限

制,電動機需采用專門的變頻低壓電機,其電壓等級一般為690V,水泥廠800KW以下的設備采用這種結構形式較多。但該類型

變頻器一旦故障,電機不能投入工頻電網運行,且產生的諧波較高。

(2)中性點鉗位的三電平電壓型變頻器。其整流電路常采用12脈沖或24脈沖二極管整流結構,逆變部分采用IGBT或IGCT

,在逆變器部分采用鉗位電路,解決了功率器件的串聯的問題,并使相電壓輸出具有三個電平。該變頻器的主回路結構環節少,

與二電平結構相比,其逆變器件承受的電壓降低,輸出電壓波形也有較大的改善。 三電平電壓型變頻器效率較高,動態性能較好

,過載能力較強。其不足是雖然通過網側配置,可實現12或24脈沖整流,減少網側諧波,但du/dt仍較大,電動機電流總諧波仍可

達17%以上,所以一般需配特殊電機,若要使用普通電機,必須附加輸出濾波器。另外,其現在最高輸出電壓只能做到4.16 KV

,采用這種變頻器,必須采用變通的方法,改變電機的電壓或在輸出側加升壓變壓器,這是制約其使用的最大問題。

(3)單元串聯多電平電壓型變頻器。其采用多個低壓PWM變頻單元串聯的方式實現直接高壓 ,電網電壓經過隔離變壓器降壓

后給功率單元供電 ,單相變頻功率單元在輸出端串聯起來 ,實現變壓變頻的高壓輸出 ,直供高壓電動機。

這種變頻器輸入側變壓器采用多相移位技術,輸出側采用多電平正弦PWM技術,諧波較低,在無輸出濾波器的情況下,就可

使THD<1%,其單元串聯的數量決定輸出電壓的等級,所以它可適用于任何普通的高壓電動機。雖然采用這種結構會使器件的數< p="">

量增加,但由于驅動功率下降,開關頻率較低且不必采用均壓電路,系統的效率仍可達97%,功率因數可達0.95以上。另外,在

某個功率單元出現故障時,可自動退出系統,而其余的功率單元可繼續保持電機的運行,減少?;痹斐傻乃鶚?,便于冗余設計

,技術上較成熟。

其缺點是只能單象限運行,不能進行旁路切換,不能實現無熔斷器設計,器件的數量多,體積大,可靠性差。并且變壓器必

須和變頻器集成在一起,使電氣室的空間和散熱成為問題。

由于其他高壓變頻器受技術條件的局限,目前,在通用型高壓變頻器領域單元串聯多電平變頻器仍占絕對優勢。

2  大功率變頻器在水泥廠的使用

2.1 水泥廠大功率變器類型的選擇

水泥廠需要變頻調速的大功率設備,主要是高溫風機、回轉窯、立磨循環風機、窯頭余風風機及窯尾排風機等設備,這些設備

功率一般在200KW以上,如按正常選型,一般采用電壓等級為6KV或10KV中壓電機,當采用變頻調速時應按下列方法匹配較為

合適。

回轉窯、窯頭余風風機及窯尾排風機等設備一般功率在800KW以下, 如果調速采用中壓等級的變頻器,在技術和經濟上是不

太合理的,因為電壓的升高,變頻器的加工難度和造價都將大幅度增加。對這部分設備,應采用“高—低”式結構進行變頻調速。

即選擇690V(>300KW電機)或380V低壓電機,變頻器選用低壓變頻器。這樣變頻器即使加上電機的成套費用,比采用高壓

變頻方式還要低,而且技術成熟、維修使用方便,變頻器選擇范圍也較大。

采用“高—低”結構,應注意諧波問題。因為低壓變頻器一般為6脈沖結構,其諧波較高,可達40%以上,為防諧波對電機及

設備的危害,應選擇專用變頻電機,如功率較大時,應考慮采用濾波裝置及諧波抑制措施。


高溫風機、立磨循環風機等設備,功率較大,宜采用中壓“高—高”變頻器調速。若采用三電平電壓型變頻器,應采用變通的辦法

,用“高—中—中”的方式,即將輸入電壓降壓為3 ~4.16kV,電機選用3 ~4.16kV電機,使用3~4.16 kV的變頻器,采用這種方

式,由于電動機電流總諧波仍達17%以上,電機應采用專用變頻電機,并應考慮采用抑制諧波的手段。如采用單元串聯多電平

電壓型變頻器,可直接選用6KV變頻器(盡量不用10KV等級),電機采用普通6KV電機即可,但應注意空間和冷卻問題。

在控制方式的選擇上,應根據負載特性,以滿足使用要求為準,以便做到量才使用、經濟實惠。對于回轉窯類重負載啟動設備

,其啟動時需克服巨大慣性,有較高靜態轉速精度要求,宜采用具有轉矩控制功能的變頻器,使其在低速運行時具有直接轉矩控

制,在正常運行時具有恒功率控制特性。對高溫風機、立磨循環風機等設備,其成平方轉矩特性,即轉矩隨速度平方變化的負載

,一般可選用通用型U/f控制變頻器(即VVVF變頻器)。

離心風機上的應用:某些水泥廠是采用高壓離心式風機進行的供風,該種水泥窯的風量調節以往也是通過風門開啟度對風量

進行調節。對離心風機的變頻調速改造同樣有巨大的節能潛力。這是因為離心式風機設備的風量與轉速成正比,壓力與轉速的平

方成正比,功率與轉速的立方成正比。因此在調節風量時,如:降低20%的風量,功耗則會下降50%,但是必須注意,轉速與壓

力是成平方關系,當轉速下降20%時,壓力則會下降60%,因此必須注意工藝要求的壓力范圍不能向羅茨風機那樣,不用考慮轉

速與風壓的關系。

選粉機上的應用:傳統的選粉機是電磁調速異步電動機(滑差電機)拖動,其優點是調速系統簡單、價格低廉、有一定的調

速范圍,缺點也較多,電機本體噪音高、振動大、能耗高、功率損耗大、軸承故障率特高,滑差控制儀安裝于粉塵飛揚的電機旁

邊,多次出現帶負荷起動,不能調速和突然失速等故障,現場維護量大,影響整個系統的安全運行。

2.2變頻器容量的合理選配

變頻器容量選定過程,實際上是變頻器與電機的最佳匹配過程,最常見、也較安全的辦法,是按變頻器生產廠家要求,即變

頻器的功率應大于或等于電動機額定功率的1.1倍。但水泥廠設備選型時,所選能力都比實際需要作了放大,拖動電機又在所選設

備基礎上留有一定的裕量,這樣在實際運行中,運行負荷常常只有額定裝機功率的60~70%。所以合理的選擇方法應以設備的實

際運行情況為基礎進行計算和分析,決定變頻器的容量。這不僅能節省投資,而且本身也是一種節能降耗的措施。根據資料和經

驗,可按下列方法選配:

(1) 電機實際功率確定法。首先測定電機的實際功率,以此來選用變頻器的容量。

(2) 公式法。安全系數取1.05,則變頻器的容量為:Pb=1.05Pm/hm×cosy (kW) 式中,Pm為電機負載,hm為電機效率

,cosy電機功率因數。  

(3) 按電機的實際功率選擇變頻器,一定要注意:①電機加載后總的負荷電流不得超過變頻器的額定電流;②負載峰值電流

不得超過變頻器的過載量。運行經驗表明,變頻器的容量最小不得小于電機容量的65%。

在下列情況下使用普通變頻器還須增大變頻器的容量,一般向上放大一檔:①起動時機械慣量較大的負載;②要求電動機頻繁

進行加、減速;

③在希望的加減速時間內,電機最大電流大于變頻器的過載容量(當1min內達1.5倍額定電流時)。

2.3 水泥廠變頻器使用時應注意以下問題

(1)使用環境。變頻器的額定容量是針對一定的使用環境而標出的,變頻器工作溫度一般要求為0℃~55℃,最好控制在40℃

以下,相對濕度應控制在20%~90%。變頻器對環境溫度要求較高,同時它又是發熱量較大的設備,水泥廠在使用大功率變頻器時,

在考慮降溫時,一定要考慮變頻器的發熱,一般按變頻器容量的3~4%的功率核算變頻器的發熱量。

變頻器的額定電流是基于一定的海拔高度、額定電壓、額定載波頻率制定的,若超出規定,將造成變頻器降容使用。水泥廠在變頻

器選型時應按下述方法修正容量:當海拔高度高于1Km時,每增加1Km, 變頻器額定電流應相應降低6%左右;輸入電壓每增加2%, 

變頻器額定電流應按4%向下降修正,載波頻率高于額定載波頻率時,也應對額定電流作相應修正。

(2)變頻器的外部配置。為防止操作過電壓,變頻器與電機間不宜裝設接觸器;變頻器內部整流電路前若沒有快速熔斷器,變

頻器與電源之間應外配符合要求的快速熔斷器,不能用空氣斷路器代替熔斷器。

(3)設計施工時,變頻器配線應該注意以下幾方面:①嚴禁將輸出端子接到工頻電源上,以免損壞變頻器。②至電機的連接電

纜應采用屏蔽電纜或鎧裝電纜(最好采用專用變頻電纜),穿金屬管敷設;截斷電纜的端頭應盡可能整齊,未屏蔽的線段盡可能短;

電纜的長度應限制在各變頻器規定的距離以內,為防諧波漏電流的影響,至電機的接地線應直接連接到變頻器相應的接地端子上,接

地線不得與其他動力設備共用。

③如變頻器由外部信號控制,控制線需要使用屏敝線,該線應在變頻器側就近接地端子接地,在強干擾環境中,頻率控制信號可由電

壓控制方式改為電流控制方式。④變頻器的各種接地在沒匯到接地匯流排前,彼此間應絕緣,避免接地干擾。

2.4 轉矩提升功能的選擇

在采用VVVF通用變頻器時,應注意轉矩提升曲線的設定,轉矩提升選得過小會使電動機輸出轉矩不足,啟動困難;選得過大,電

動機磁通飽和損耗將相應增加。對啟動轉矩較大的負荷,轉矩提升曲線應設定的大一點,對風機類負載應設定小一些。

 

結束語

在水泥廠工程中推廣使用大功率變頻器,帶來的不僅是節能所產生的直接經濟效益,還有其他的附加效益:通過變頻器實現電機的

軟啟動,降低了啟動電流,避免了啟動時的機械沖擊,延長了電動機壽命;采用結構簡單、可靠耐用的鼠籠電機,從而降低了電動機的

價格、維護工作量及費用;水泥廠排風系統中粉塵含量較大,對高速轉動中的風機及檔板磨損很大,采用變頻調速后,電機轉速降低,

檔板全開,磨損大大減少,延長了使用壽命,降低了設備檢修費用;通過轉速對風壓及風量進行調整,扣件簡單靈活,反應時間快,易

與DCS系統構成自動控制回路,提高了自動化控制水平。所以在水泥廠采用高壓變頻器是不可避免的趨勢,希望通過本文對大功率變頻

器的一些介紹及探討,對設計人員應用大功率變頻器時能有所幫助,在實際工程中科學、合理的應用大功率變頻器,讓大功率變頻器

為水泥行業的節能增效發揮出更好的功效與優勢。

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