国产矢量控制型高压变频器在水泥厂高温风机上的应用_电机_流量计

国产矢量控制型高压变频器在水泥厂高温风机上的应用

2009/4/3 14:18:00

　　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，而电动机电耗占成本近30％，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。当前，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，能节约大量能源，提高生产效率，为水泥厂带来较大的效益。根据具体情况，风机进行变频后，节电率在30-50%的范围内，通常一年半到两年便可收回投资。
　

　　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。风机的工作特性如图1所示：

图1：风机的工作特性

　　由图1可以看出，风机工作的位置，即风机的风量是由风机特性曲线（风压特性）和管网特性曲线（风阻特性）决定的，无论是改变风机的特性曲线，还是改变管网特性曲线，都可以达到改变风量的目的。
图1中，风机特性曲线：HA=kQ12（K为风机特性系数）；管网特性曲线HA=Hc-λQ12（λ为管网特性系数）。
　

　　三、工频工作方式
　　工频工作方式是指泵的特性曲线保持不变，而改变管网特性曲线。通常采取的方式是保持风机的特性曲线不变，即不改变风机的转速，而用调节挡板改变出风口的大小，达到改变风量的目的。如图2所示：

图2：工频工作方式时风机的工作特性

　　从图2中可以看出，风机工作在A点时，风量为Q1，风压为H1。保持风机的转速不变，用挡板将风量调节为Q2时，风压将上升到H2，风机工作点变为B点。由于挡板的节流作用，风道的阻力曲线变为OB。
　

　　风机工作在A点时，其功率为PA＝H1×Q1/102；风机工作在B点时，其功率为PB＝H2×Q2 /102。
　

　　虽然Q2＜Q1，但H3＞H1，所以PA与PB的值变化不大，说明采用工频工作方式时，改变风机的风量，风机的轴功率减小有限。
　

　　四、变频工作方式
　　变频工作方式是指管网特性曲线保持不变，而改变风机的特性曲线。通常采取的方式是保持管网特性曲线不变，即不改变风机出口的大小，而改变风机的特性曲线，即改变风机的转速，达到改变风量的目的。如图3所示：
　

　　风机工作在A点时，其功率为PA＝H1×Q1/102；风机工作在B点时，其功率为PB＝H2×Q2/102 。
Q2＜Q1，而且H2＞H1，所以PA与为PB的值变化较大，说明采用变频工作方式时，改变风机的风量，风机的轴功率减小很大，节能效果显著。

图3：变频工作方式时风机的工作特性

　　由流体力学的原理可知，电机转速与流量、压力、耗能的关系如下：
　　输出流量Q与转速n成正比，即：Q1/Q2=n1/n2……（1）
　　输出压力H与转速n的平方成正比，即：H1/H2=(n1/n2)2 ……（2）
　　输出轴功率P与转速n的立方成正比，即P1/P2=(n1/n2)3……（3）
　　如果说，100%转速-100%流量-100%压力-100%输出功率，则：80%转速- 80%流量- 64%压力- 51%输出功率。就是说，通过变频调速方式改变风机风量，风量下降20%时，风机轴功率将下降49%。这也是为什么变频调速在风机应用上节能十分显著的原因。
　

　　五、利德华福高压变频器原理及特点
　　HARSVERT-VA系列高压变频调速系统采用单元串联多电平技术，属“高-高”电压源型变频器，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，总谐波畸变小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，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dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，6kV为5级模块串联，共15个功率单元；10kV每个系统共有24个功率单元，每8个功率单元串连构成一相，其系统结构如图4所示。

图4：利德华福高压变频器系统结构

　　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dv/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，变频器额定效率可达98%，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。6kV系列为5级模块串联，输出相电压为11电平；10kV系列为8级模块串联，输出相电压为17电平。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。
　

　　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。
　

　　由于采用了高性能DSP芯片和新型一体化计算机，在秉承公司HARSVERT-A系列产品完美无谐波、高可靠性、功率/电压等级覆盖范围广、控制接口灵活等优良品质的基础上，HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制高压变频调速产品能够实现功能更为丰富、性能更高的高压大容量交流传动控制。目前，HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制产品的性能指标为：调速范围100:1，稳态转速精度0.5%，动态转矩响应时间小于200ms，启动转矩150%额定转矩，达到国际先进水平。无需安装复杂且不易维护的测速装置，HARSVERT-VA系列变频器仅需对输出三相电压、两相电流进行检测，即可根据预先自动测定的电机模型，进行异步电动机的磁通和转矩解耦控制，实现低速大转矩负载启动和运行。
　

　　六、熟料生产中特殊工艺对变频器的要求
　　干法水泥生产线的窑尾高温风机是保证窑内负压的重要负载，但是在以往工频运行、采用液力耦合器调速的高温风机常见由于管道“塌料”导致高温风机电机过负荷跳闸，导致生产中断。而由于变频器装置的电力电子器件的过负荷能力的限制，以上由于塌料造成的高温风机过负荷导致的变频器保护停机现象如无专业技术是不可避免的，将给水泥生产线造成更多的损害。
　

　　利德华福作为目前国内最大的高压变频器专业生产制造单位，特别针对高温风机的运行工艺情况进行了大量的调研，对变频器的核心控制系统进行了相应的设计，专门开发了可矢量运行的高压变频调速装置，成功解决了因为塌料引起的剧烈负载波动问题