高壓變頻器在現(xiàn)場高壓風(fēng)機節(jié)能改造中的應(yīng)用
摘 要：本文介紹了安邦信電子有限公司多電平高壓變頻器在天山水泥廠、江蘇長強鋼廠、揚子水泥有限公司、聯(lián)勤不銹鋼廠、重慶富皇水泥廠和沛稱煤礦風(fēng)機節(jié)能改造中的應(yīng)用，分析了變頻系統(tǒng)的工作原理和風(fēng)量的閉環(huán)控制方法，結(jié)果表明變頻技術(shù)可以達到有效節(jié)能的目的。 
關(guān)鍵詞：高壓變頻器 送風(fēng)機 節(jié)能
1 引言
隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動技術(shù)正經(jīng)歷著比較大的革新。工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域大量使用的高壓感應(yīng)異步電動機，已經(jīng)由傳統(tǒng)的改變其它機械環(huán)節(jié)的控制方法，改造為直接改變供給的交流電源的頻率和幅值的變壓變頻控制方法，進行速度調(diào)節(jié)和位移控制，從而可以提高生產(chǎn)工藝，降低能源消耗。特別是在當今面臨能源危機的條件下，節(jié)能降耗不僅有近期的直接經(jīng)濟效益，更有長遠的社會效益。
采用新型高壓大功率電力電子器件構(gòu)造的直接“高-高”式變頻器，具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠的特點，有很好的調(diào)速和起動與制動性能。由于采用不控整流和全控器件進行開關(guān)調(diào)制，具有輸入側(cè)高功率因數(shù)、整裝置優(yōu)良的控制性能和高的運行效率。特別是通過改變送給電動機的電流的頻率，在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行高效率的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可以取得很好的節(jié)電效果，在風(fēng)機和水泵的節(jié)能改造上已經(jīng)得到廣泛證實。
2 高壓變頻器的系統(tǒng)組成和原理
該高壓變頻器為直接高－高結(jié)構(gòu)，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該高壓變頻器具有運行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數(shù)高、效率高等特點，對電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
圖1 單元串聯(lián)多電平變頻系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖
2.1 功率單元
AMB-HVI系列高壓變頻器每相由六個的功率單元串聯(lián)而成。各功率單元具有完全相同的結(jié)構(gòu)，有互換性。每個功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，同時還包括驅(qū)動、保護、監(jiān)測、通訊等組件組成的控制電路，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。每個功率單元額定輸出電壓為580V，串聯(lián)后輸出相電壓3480V，線電壓達到6kV。
圖2 變頻器功率單元圖
AMB-HVI系列高壓變頻器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但各載波之間互相錯開一定電角度，實現(xiàn)多電平PWM，使得輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓的每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，但輸出波形的等效開關(guān)頻率可以達到單元開關(guān)頻率的6倍，且輸出電平數(shù)增加，輸出相電壓為13電平，線電壓為25電平，電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，其輸出波形如圖3所示。
圖3 高壓變頻器的輸出電壓和電流波形
2.2 IGBT驅(qū)動原理
在AMB-HVI變頻器的功率單元中，使用高性能、智能化的專用IGBT驅(qū)動模塊對主控系統(tǒng)輸出的PWM控制信號進行隔離、緩沖處理后，使弱電信號（TTL電平）能夠驅(qū)動高壓回路中的大功率IGBT器件，輸出我們需要的SPWM電壓。
驅(qū)動模塊輔助功能還包括：對IGBT進行短路、過流、欠壓監(jiān)測和保護。當負載或功率單元一旦出現(xiàn)短路、過流、欠壓等方面故障，驅(qū)動模塊將故障信號上傳到主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)的微處理器將根據(jù)故障類型進行辨別處理后，發(fā)出命令使驅(qū)動模塊停止工作，禁止該功率單元的輸出。與此同時主機中故障處理控制邏輯還會根據(jù)故障類型進行更進一步判斷，以決定系統(tǒng)是否發(fā)生真正的故障，以便系統(tǒng)采取報警停機或繼續(xù)運行，以保護變頻器與配電系統(tǒng)的安全，不至于造成更大的故障和更大的經(jīng)濟損失。
2.3 輸入變壓器
AMB-HVI系列高壓變頻器的輸入側(cè)變壓器采用移相式變壓器，其電氣原理圖如圖4所示。變壓器原邊繞組為6kV，副邊共十八個繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分別有±5o 、±15o 、±25o移相角度，每個繞組接一個功率單元，這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。因此，采用移相變壓器進行隔離降壓，使得輸入側(cè)功率因數(shù)在0.96以上，不會對電網(wǎng)造成超過國家標準的諧波干擾。
圖4 移相變壓器電氣原理圖
3 改造方案
考慮到變頻器退出運行后，為了不影響生產(chǎn)，確保系統(tǒng)正常工作，配置工頻旁路，當變頻器出現(xiàn)故障時，將電機投切到工頻下運行。整個系統(tǒng)由1臺高壓變頻柜、1臺控制柜、1臺變壓器柜、一臺旁路柜、一臺電機及一臺送風(fēng)機組成，下圖為送風(fēng)機變頻方案示意圖。
圖5 送風(fēng)機變頻方案示意圖
圖5中共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，QS2與QS3采用機械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)電氣連鎖，避免系統(tǒng)誤操作。當QS1、QS2閉合，QS3斷開時，電機運行在變頻狀態(tài)；當QS1、QS2斷開，QS3閉合時，電機工頻運行，此時高壓變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。
在變頻改造以前，風(fēng)機均采用調(diào)節(jié)風(fēng)板開度的方式控制鍋爐進風(fēng)量，由于其電機裕量較大，因而電能的浪費特別嚴重，同時由于頻繁的對風(fēng)板進行操作，導(dǎo)致風(fēng)板的可靠性下降，影響機組的穩(wěn)定運行。且電機工頻起動特別困難，起動電流大，對電網(wǎng)沖擊較大，并造成電機籠條松動、有開焊斷條的危險。一般起動后不允許停機。
進行變頻改造后，風(fēng)機的風(fēng)板開度保持全開，基本不需要改變，根據(jù)實際所需的風(fēng)壓，由DCS系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)計算，輸出4~20mA模擬電流信號發(fā)給變頻器，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變電機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)送風(fēng)量的目的，滿足運行工況的要求。
同時，進行變頻改造后電機在啟動和調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，電流沒有任何沖擊，解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)和主機的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護保養(yǎng)費用。
4 天山水泥廠節(jié)能效果分析
天山水泥廠五臺風(fēng)機經(jīng)過變頻改造后提高了運行的自動化程度，降低了大量電能損耗，較大程度地降低了運行成本，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益，具體節(jié)能分析如表1所示。
循環(huán)風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-3550KVA/10）
高溫風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-2500KVA/10）
收塵風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-800KVA/10）
磨煤風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-630KVA/10）
窯頭風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-500KVA/10）
循環(huán)風(fēng)機 | 高溫風(fēng)機 | 收塵風(fēng)機 | 磨煤風(fēng)機 | 窯頭排風(fēng)機 | 備注 | |
工頻時風(fēng)門開度 | 74% | 90% | 80% | 52% | 85% | |
變頻時風(fēng)門開度 | 100% | |||||
變頻輸入電流(A) | 165 | 120 | 29 | 20 | 24 | COSΦ=0.96 |
變頻輸入功率(Kw) | 2743 | 1995 | 482 | 333 | 399 | |
工頻運行電流(A) | 210 | 150 | 59 | 32 | 33 | COSΦ=0.85 |
工頻運行功率(Kw) | 3091 | 2208 | 869 | 471 | 486 | |
節(jié)約功率(Kw) | 348 | 213 | 387 | 138 | 87 | |
節(jié)約電能/天（Kw.h） | 8352 | 5112 | 9288 | 3312 | 2088 | 24小時 |
空調(diào)、照明耗電/天(Kw.h) | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | |
總節(jié)能/年(Kw.h) | 2475600 | 1503600 | 2756400 | 963600 | 596400 | 按300天運行 |
節(jié)約資金/年(萬元人民幣) | 144.82 | 87.96 | 161.25 | 56.37 | 34.89 | 按0.585元/度 |
表1
長強鋼廠、揚子水泥、聯(lián)勤不銹鋼、重慶富凰節(jié)能效果分析
長強排粉機（變頻器型號AMB-HVI-500KVA/10）
揚子風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-1250KVA/10）
聯(lián)勤燒結(jié)風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-2000KVA/10）
聯(lián)勤高爐風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-1250KVA/10）
富凰引風(fēng)機（變頻器型號AMB-HVI-450KVA/6）
長強排粉機 | 揚子風(fēng)機 | 聯(lián)勤燒結(jié)風(fēng)機 | 聯(lián)勤高爐風(fēng)機 | 富凰引風(fēng)機 | 備注 | |
工頻時風(fēng)門開度 | 47% | 液藕 | 45% | 52% | 60% | |
變頻時風(fēng)門開度 | 100% | |||||
變頻輸入電流(A) | 12 | 57 | 72 | 40 | 22 | COSΦ=0.96 |
變頻輸入功率(Kw) | 179 | 947 | 1197 | 665 | 219 | |
工頻運行電流(A) | 25 | 86 | 100 | 66 | 38 | COSΦ=0.85 |
工頻運行功率(Kw) | 368 | 1266 | 1472 | 972 | 336 | |
節(jié)約功率(Kw) | 189 | 319 | 275 | 307 | 117 | |
節(jié)約電能/天（Kw.h） | 4536 | 7656 | 6600 | 7368 | 2808 | 24小時 |
空調(diào)、照明耗電/天(Kw.h) | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | |
總節(jié)能/年(Kw.h) | 1330800 | 2266800 | 1950000 | 2180400 | 812400 | 按300天運行 |
節(jié)約資金/年(萬元人民幣) | 77.85 | 132.61 | 114.07 | 127.55 | 47.53 | 按0.585元/度 |
表2
6 結(jié)論
上述各廠風(fēng)機經(jīng)過變頻改造后，節(jié)約了大量的電能，改善了工藝過程，電機實現(xiàn)了軟啟動，延長設(shè)備的使用壽命，減少維修量；電機的振動情況得到了改善，取得了預(yù)期的效果。
中高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是實施有效節(jié)能的重要裝備，是國家當前社會經(jīng)濟發(fā)展的急需，在加快建設(shè)節(jié)約型社會的歷史進程中，我們必將迎來一個高壓變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用的時代
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