高压变频器在水泥行业的应用

概述    变频高速器的出现为交流异步电动机的调速方式带来了一场革命。随着近十几年变频技术的不断完善、发展，变频调速性能日趋完美，已被不同学科、不同行业的工程技术人员广泛应用于不同领域的调速。为企业带来了可观的经济效益，推动了工业生产的自动化进程。水泥制造业是建材业中的能耗大户，降低能源消耗，提高产品质量是提高企业竞争能力和经济效益的重要措施。节能降耗已成为每个企业管理者所关心的重点。 某水泥集团拥有三条水泥生产线，年产水泥400万吨以上，工程设计初期生产线上的排风机是定速运行，其风量调节依靠档板开度来控制。考虑产量变化及生产品种的变化，需要不同的风量来满足工艺要求。采用档板调节，不但控制精度较差，并且依靠档板截流来减少风量，电机的出力变化较小，造成大量电能被白白浪费；为了改善工艺、降低能耗，某水泥集团的设计人员决定对其排风机进行变频调速改造，生产中风量的调整通过变频器来改变排风机转速实现。 现场工艺简介 1. 水泥生产工艺 　　 水泥的生产步骤，可分为以下八个步骤： 原料的提取（采矿）——原料的破碎——原料的储存和预均化——原料的粉磨（球磨机）——生料的均化和储存——煅烧（生料通过旋风筒预热后再进入回转窑烘烤物料，煅烧成熟料）——水泥的粉磨（根据水泥的品质，混合其他的化学原料粉磨）——水泥 的储存与运输 2、物料的粉磨工艺流程： 　　 电动机通过减速机带动磨盘转动，物料从下料口落到磨盘中央，在离心力的作用下向磨盘边缘移动并受到磨辊的碾压，粉碎后的物料离开磨盘，被高速向上的气流带至与立磨一体的分离器，粗粉经分离器后返回到磨盘上，重新粉磨；细粉则随气流出磨，在系统的收尘装置中收集下来。收尘风机的转速（收尘器所需风量）主要由管磨机内工艺情况（产量及粉的细度）决定。 水泥粉磨系统主要设备

3、水泥生产工艺图

HINV型高压变频装置原理 　　变频装置采用多电平串联技术，6KV系统结构见图2，由移相变压器、功率单元和控制器组成。6KV系列有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相。 每个功率单元结构以及电气性能完全一致，可以互换，其电路结构见图3，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图4所示的波形。

图2 高压变频调速系统结构图

图3功率单元电路结构

每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构见图3，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图4所示的波形。

图4 单元输出的PWM波形

输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成30脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。    另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，每个功率单元等效为一台单相低压变频器。    输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接成星型接法直接给高压电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图5所示的阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。    当某一个单元出现故障时，通过使图3中的软开关节点K导通，可将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，变频器可持续降额运行，可减少很多场合下停机造成的损失。

图5 变频器输出的相电压阶梯正弦PWM波形

负载类型与节能关系 　　生产机械是各式各样，种类繁多的，但负载类型主要有三类，它们与节能的关系见表1。

变频器运行情况 为了充分保证系统的可靠性，为变频器同时加装工频旁路装置，变频器异常时，变频器停止运行，电机可以直接手动切换到工频下运行。工频旁路由3个高压隔离开关K1、K2和K3组成（见图，其中DL为原有高压开关）。K2不能与K3同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，K1和K2闭合，K3断开；工频运行时，K3闭合，K1和K2断开。

为了实现变频器故障的保护，变频器对6KV开关DL进行联锁，一旦变频器故障，变频器跳开DL，工频旁路时，变频器允许DL合闸，撤消对DL的跳闸信号，使电机能正常通过DL合闸工频启动。    变频调速系统进入水泥生产系统现有的DCS系统。DCS根据机组的负荷情况，按设定程序实现对排风机电机转速的自动控制。变频器通过接收DCS输出的4-20mA标准信号，自动调节电动机的转速，实现的排风机转速控制，从而达到调节风量的目的。 在此基础上，经过一段时间的积累，可将不同负荷和温度下的给定值绘制成曲线，定出安全的上下限，制成循环水泵调速专用算法，同时利用热工一次测量元件，将采集的负荷和温度参数的变化值送到机组DCS系统中，在机组DCS系统中，进行控制运算，将计算结果形成4-20mA的速度给定指令信号，反馈给变频器，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电动机的转速，也可实现排风机的转速自动控制。 变频装置调试数据对比 对相关参数的实际测量结果（表2）： 表2工频和变频调速时排风系统综合输入功率对比

测试结果表明,53%的风机挡板开度时节能率约为33%；32%的风机挡板开度时节能率约为62%。同时，电机变频启动时，启动电流平稳上升,电机启动非常平稳。 小结 某水泥集团排粉风机变频器自改造投产以来，一直运行十分平稳，不但节约了大量的电能，还取得了良好的经济效益，而且降低了运行、检修人员的工作强度，因此在某水泥集团其他高压电机如高温风机、原料磨风机、窑头排风机、窑尾排风机、水泥磨风机、篦冷风机等也先后采用了我公司制造的变频器。随着国家相关政策的具体落实，相信在今后的应用中，高压变频器将越来越多的在水泥行业中得到广泛的应用。