IPER艾帕高压变频器在水泥行业的应用

上海艾帕电力电子有限公司 竺伟
摘要：本文主要论述水泥厂风机采用高压变频调速的必要性、可行性、经济性和实际运行经验。对高压变频调速装置的选择，使用提出了一些建议，供水泥厂应用时参考。
一、概述
长期以来，我国政府对节能工作十分重视，我国能源节约与资源综合利用“十五”规划提出高压大功率变频调速作为重点发展的节电技术之一，要求大力推动高压大功率变频调速示范工程。
目前，水泥行业的竞争非常激烈，但关键还是制造成本的竞争，而电动机电耗就占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，因此做好电动机的降耗增效工作就显得极为重要。目前很多水泥厂的风机大马拉小车现象严重，如果利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节风量的大小，可以既满足生产要求，又达到节约电能，同时减少因调节挡板而造成挡板和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。因此，在水泥厂风机采用变频调速技术，能提高节约大量能源，提高生产效率，为水泥厂带来较大的经济效益和社会效益。根据具体情况，风机采用变频调速后，节电率在30%-50%范围内，通常1年半到2年左右内可收回变频器的设备和其它安装等附加费用等总投资。
二、传统挡板调节存在的问题
风机传统的调节方式是调节入口挡板的开度，以此来调节风量，是一种经济效益差、能耗大、设备损坏严重、维修难度大、运行费用高的落后办法。主要存在以下问题：
1. 采用挡板调节时，大量的能量损耗在挡板的截流过程中。对风机而言，最有效的节能措施是采用调速来调节流量。由于风机大都为平方转矩负载，轴功率则与转速大致成立方关系，所以当风机水泵转速下降时，消耗的功率大大下降。图1表示了风机采用各种调节方法时消耗功率与风量关系曲线。其中曲线1为输出端风门控制时电机消耗的功率，2为输入端风门控制时电机消耗的功率，3为转差调速控制(采用滑差电机，液力耦合器)时电动机消耗的功率，4为变频调速控制时电动机消耗的功率，最下面一条曲线为调速控制时风机实际所需轴功率（即电机轴输出功率）。可见，在众多的调节方式中，节能效果最好的是变频调速。
2. 介质对挡板阀门和管道冲击较大，设备损坏严重。
3. 挡板动作迟缓，手动时人员不易操作，而且操作不当会造成风机震动。挡板执行机构一般为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节，调节线性度差，构成闭环自动控制较难，且动态性能不理想。
4. 异步电动机在直接起动时起动电流一般达到电机额定电流的6-8倍，对电网冲击较大，也会引起电机发热，强大的冲击转矩对电机和风机的机械寿命存在很多不利的影响。也有绕线式电机采用水电阻方式进行起动的，存在设备复杂，可靠性低等缺点。
过去也有水泥厂采用液力耦合器进行调速。液力耦合装置缺点是体积大、噪声大、调速范围窄、效率低、油系统维护复杂。

三、采用变频调速的优点
1. 变频调速能节约原来损耗在挡板截流过程中的大量能量，大大提高了经济效益。
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率f来改变同步转速而实现调速的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高，是异步电动机的最为合理的调速方法。
由公式 n＝60f/p（1—s）
可以看出，若均匀地改变供电频率f，即可平滑地改变电动机的同步转速。异步电动机变频调速具有调速范围宽、平滑性较高、机械特性较硬的优点，目前变频调速已成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都获得了广泛的应用。
对离心式风机而言，流体力学有以下原理：输出风量Q与转速n成正比；输出压力H与转速n2正比；输出轴功率P与转速n3正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2
H1/H2＝(n1/n2)2
P1/P2＝(n1/n2)3
当风机风量需要改变时，如调节风门的开度，则会使大量电能白白消耗在风门及管路系统阻力上。如采用变频调速调节风量，可使轴功率随流量的减小大幅度下降。变频调速时，当风机低于额定转速时，理论节电为
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kWh)
式中： n－额定转速
n′—— 实际转速
P——额定转速时电机功率
T——工作时间
以上公式为变频节能提供了充分的理论依据。
2. 采用变频调速后，可实现软起动，对电网的冲击和机械负载的冲击都不存在了，同时延长了电机和风机的寿命。同时，采用变频调速后，电机的无功功率通过变频器直流环节的滤波电容进行了瞬时补偿，变频器的输入功率因数可大0.95以上。相对电机直接工频运行而言，功率因数大大改善，对低速电机效果尤为明显。实现变频调速后，风机经常在额定转速以下运行，介质对风机风扇和挡板的磨损，轴承的磨损，密封的损坏都大大降低，减少了维护工作量。电机运行的振动和噪声也明显降低。
3. 采用变频调速后，可以很方便地构成闭环控制，进行自动调节，调节器输出的4-20mA信号输到变频器(或通过通信接口进行控制)，通过变频器调节电机转速，可以平稳地调节风量，且线形度较好，动态响应快，使设备在更经济的状态下安全稳定运行。
三、艾帕高压变频器原理及特点
上海艾帕电力电子有限公司的Innovert系列高压变频器(单元串联多电平PWM电压源型变频器)是一种直接高压输出电压源型变频器。它采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动，噪音，输出du/dt，共模电压等问题，不必设置输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。
Innovert系列采用无速度传感器矢量控制技术（国内首创），全数字控制，具有起动力矩大，转速精度高，抗电网波动和负载扰动能力强的特点。
其原理如图2所示（以3KV高压变频器为例）。

a)主电路拓扑结构
b)功率单元结构
图2 单元串联多电平变频器原理
电网电压(如6KV)经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串接起来，中心点相联，形成Y接结构，另外三端实现变压变频的高压输出，供给电动机。3KV输出电压等级变频器每相由3个额定电压为690V的功率单元串联而成。改变每相功率单元的串联个数，就可实现不同电压等级的高压输出。6KV变频器每相由5个功率单元串联而成，10KV变频器每相由8个功率单元串联而成。
每个功率单元分别由输入变压器的一组副边绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6KV电压等级变频器而言，给15个功率单元供电的15个二次绕组每3个一组，分为5个不同的相位组，互差12º电角度，形成30脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真可达到1%左右，由于输入电流谐波失真很低，而且采用二极管整流方式，变频器输入的综合功率因数可达到0.95以上。图3为该变频器的输入电压电流波形。
逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以du/dt很小。功率单元采用相对较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率，变频器额定效率可大98.5%,考虑输入变压器后的总体效率仍在97%以上。由于采用移相式PWM，电机电压的等效开关频率大大提高，且输出电平数增加，以6KV输出变频器为例，输出相电压为11电平，线电压为21电平，输出等效开关频率为6KHZ，电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机。图4为此类变频器的输出电压，电流波形。

图3 单元串联多电平变频器输入波形 图4 单元串联多电平变频器的输出波形
与普通采用高压器件直接串联的电流源型变频器及三电平电压源型变频器相比，由于采用功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。功率单元中采用常规IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。
功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修也非常方便。由于采用功率单元串联结构，所以可以采取功率单元旁路选件，当功率单元故障时，控制系统可以将故障单元自动旁路，变频器仍可降额继续运行，大大提高了系统的可靠性。
图5为6KV/1000KVA高压变频器的外形照片。

图5 Innovert高压变频器外形照片
五、应用实例
南方某水泥厂于2006年5月在窑尾废气处理风机上采用上海艾帕电力电子有限公司生产的Innovert系列高压变频调速装置。到目前为止运行良好，节能显著。
该窑尾废气处理风机为10kV的高压电机，电机参数如下：
绕线式异步电机，型号：YRKK-630-10 额定功率：800KW 频率：50HZ 额定电压：10000V 接线：Y/Y 额定电流：62.21A 转子开路电压：1591V 额定转子电流：307A 转速：594rpm 功率因数：0.781 绝缘等级：F 防护等级：IP54 兰州电机厂2004年生产。
变频器型号：Innovert 10/10-70,额定电压10KV,额定电流70A，容量1050KVA。
原生产过程中，根据窑内加料多少及窑身转速，通过调整风门挡板开度对排风机的风量进行调整。由设计裕度较大，正常生产过程中，风门挡板开度较小，风门档板两侧风压差较大，造成较大的节流损失。现运行方式为风门挡板全开，通过变频来调节电机转速，从而达到调整风量的目的。变频器控制接入原有的DCS系统，由DCS系统来完成正常操作。变频器正常运行频率在40HZ左右。
本次变频改造前后，我们对相应的运行数据进行了统计，现将部分数据分析如下。
改造前，电动机平均功耗为680kW，改造后平均功耗为410kW，通过变频改造后功耗下降达270kW。按照年运行330天计算，
年节电量为： 270*24*330=2138,400度
按每度电0.5元，则年节能效益为2138,400 *0.5=106.92万元
节电率为：270/680=39.7%
现将改造前后风机性能对比列表如下：

本变频器还同时设计有工频旁路回路（图6），万一变频器出现故障时，可将电动机自动切至原工频供电回路，并用原有的水电阻进行起动，以保证电机的正常运转，而不影响生产。工频运行时，风机转速会升高，风压会发生较大变化，故同时应及时在DCS上对风机的风门进行及时调节，降低风机输出风量至工况要求值。

图6 主回路单线图
六、采用变频调速应该注意的问题
1. 可靠性方面的考虑。水泥行业连续生产的性质决定了用于水泥厂用的高压变频器需要有很高的可靠性，保证安全生产。Innovert系列采用主流的功率单元串联技术方案，而不是功率器件直接串联，避免了器件直接串联带来的均压问题，本质上保证了系统的可靠性。同时，产品特有的无速度传感器矢量控制技术在提高起动力矩和转速精度的同时，提高了抗电网波动和负载扰动能力，大大提高了可靠性。
2. 变频器输入谐波对电网的影响。如果变频器输入电流谐波较大(比如传统的电流源型变频器)，会产生如下危害：供电系统的继电保护装置误动作，可能导致大面积停电。测量仪器仪表误差增大，影响计量精度和控制性能。影响其它电力电子装置，电子计算机系统及通信设备的正常工作。谐波使电机，变压器和电容器等用电设备损耗增大，严重时会过热或烧损。Innovert系列高压变频器输入电流谐波失真极小，对电网基本不产生谐波污染，满足IEEE满足IEEE519-1992和GB/T14549-93标准。大，中型水泥厂自动化水平高，大多数采用自动化仪表和计算机控制系统，对用电系统的谐波要求很高，Innovert变频器在方面有很大的优势。
3. 变频器输出波形对电机的影响。由于水泥厂应用变频调速很大部分是旧有设备的改造，原有的普通电机是设计成为电网直接运行的，而电网电压波形基本为正弦波。如果变频器输出波形质量不好的话，会对电机产生不良影响。变频器输出谐波会引起的电机附加发热和转矩脉动，噪音增加，输出dv/dt和共模电压会影响电机的绝缘。Innovert系列高压变频器由于输出波形质量好，不必设置输出滤波器，就可以使用原有的普通异步电机。
七、结论
目前很多水泥厂的风机大马拉小车现象严重。风机的风量调节方式基本通过挡板进行调节，耗能大，经济效益差，设备损坏严重，急需采用先进的高压变频调速进行技术改造，以降低水泥厂的电耗，提高企业的经济效益。
水泥行业风机采用高压变频调速技术，通过上海艾帕电力电子有限公司高压变频器的应用实践证明是必要的、可能的，且经济效益显著。
Innovert系列高压变频器可靠性高，输入输出波形质量好，适合于水泥厂风机的变频调速，能提高设备运行的可靠性，节约大量能源，为水泥厂带来较大的经济效益和社会效益，具有很高的推广价值
参考文献
1 竺伟 陈伯时 高压变频调速技术 电工技术杂志，1999.3
2 竺伟 陈伯时 周鹤良 赵相宾 单元串联式多电平高压变频器的起源、现状和展望 电气传动 2006.6

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