湖北三环高压变频器在水泥厂原料磨循环风机中的应用———湖北三

一、前言
        目前，随着企业竞争的日益加剧，生产成本的高低决定了企业在市场竞争的地位，特别是水泥生产企业，很大一部分花在能耗上，降低水泥生产过程中的电能消耗越来越引起了业界的重视.
在水泥生产过程中，风机被大量的采用于工艺流程上，而风机负载耗电量较大，起动电流较高，同时用电动阀门、挡风板等装置来调节风量，在风道系统设计时，为满足生产环境的最大要求，必须留有余量，因此风机的风量和压力往往偏大，功率的偏大设计必然造成能量的浪费。很多的风机有30~70%的能量是消耗在调节阀的压降上的，不仅造成电能的浪费，工作效率低，而且开动阀门时，还发出啸声和振动，经常发生事故。
       变频调速技术作为一种先进的电机调速方式，其优异的性能以及带来可观的经济效益早已为人们所知。近几年来变频技术的出现，彻底改变了这一状况，实践证明在风机的系统中接入变频系统，利用变频技术改变电机转速来调节风量和压力的变化用来取代阀门控制风量，能取得明显的节能效果。本文就SH-HVF系列高压变频器在华新金猫水泥（苏州）有限公司中应用进行分析总结。
  二、变频器节能原理
一般异步电动机的同步转速为：
n1＝60f/p
而异步电动机转速n与同步转速n1存在一个滑差关系：
n= n1（1-s）=60f/p（1-s）
由上式可以得到，改变异步电动机的转速可以通过改变f、p、s可以达到。针对某一电动机而言P是一定的，而通过改变S进行调速空间非常小，所以变频调速通过改变定子供电频率f来改变同步转速是异步电动机的最为合理的调速方法。
        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。
根据流体力学相似定律：
Q1/Q2＝n1/n2      输出风量Q与转速n成正比；
H1/H2＝(n1/n2)2   输出压力H与转速n2正比；
P1/P2＝(n1/n2)3      输出轴功率P与转速n3正比。
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阀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
可见，通过变频对风机进行改造，不但节能而且大大提高了设备运行性能。以上公式为变频节能提供了充分的理论依据。
  三、SH-HVF变频器原理特点及优势
       湖北三环发展股份有限公司主营业务为在电力电子技术平台上从事高压变频器的研发、生产、销售、代理、服务，同时还从事能源节能领域的投资。公司综合实力位于全国同行业前三名，用户分布全国十多个省市自冶区。由湖北三环发展股份有限公司负责起草的《DL/T994-2006中华人民共和国电力行业标准 火电厂风机水泵用高压变频器》已由国家发改委2006年5月6日公告发布（中华人民共和国国家发展和改革委员会公告2006年第29号），已于2006年10月1日起正式颁布实施。湖北三环发展股份有限公司通过世界银行能源项目专家审核（2004年），多次获得世界银行的专项节能贷款支持，为世界银行呈报的相关节能案例得到了世界银行的广泛推广，被评为2006年中国节能十佳企业。
        SH-HVF系列高压变频器是由湖北三环发展股份有限公司研制开发的新一代高压变频器，采用直接高高变换的方式，多电平串联倍压的技术方案，优化的PWM控制算法，实现优质的可变频变压（VVVF）的正弦电压和正弦电流的输出。
1、SH-HVF高压变频器的控制原理
SH-HVF系列高压变频装置选用电压源型交－直－交变频器方式，整流侧采用大容量电容器滤波。变频装置逆变主电路拓扑采用多电平形式，单元数的多少视电压高低而定，3KV/6KV/10KV变频器每相采用4/6/8个功率单元（Power Cell），逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，输出电压非常接近正弦波。如图1所示：
  
  

                                                                                                                                                                           图1 功率单元串联
         整流用移相变压器为干式变压器，采用铜线绕制，配冷却器，有高质量统一柜体封闭。具有就地和远方超温报警和相应的控制功能。
         功率单元的主电路由熔断器、三相全桥整流模块、滤波电容及IGBT模快组成，如图2所示。进入功率单元的低压交流经过整流模块的整流和电容的滤波后变成中间直流，在控制系统的控制下由IGBT逆变单元将中间直流逆变成交变的脉宽调制输出。每个功率单元输出电压为1、0、－1三种状态电平，以6KV为例，每相6个单元叠加，就可产生13种不同的电平等级，分别为±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变频器，采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。
  
  

                                                                                                                                                                                     图2  功率单元电路
        6个功率单元在逆变侧串联成一相，将每个功率单元输出的电平相叠加，再配以动态分配技术和适当的控制算法，在输出侧得到一组逼近正弦波的阶梯波，与低压变频器采用的单纯PWM方式相比，输出的dv/dt非常低，波形本质与正弦波的拟合程度非常好，再配以优化的PWM控制，使输出谐波大为降低。由于这种波形正弦度好，du/dt小，可减小对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器，输出电缆长度几乎不受限制，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备改造；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，减少了轴承和叶片的机械应力。
  
  

                                                                                                                                                                                      图3  控制单元结构图
        整个系统的控制部分由一套PLC，一套主控制器，一套旁路控制器、一个智能操作面板（触摸屏）和一些开关、电源、继电器等组成，如图3所示。其中，PLC完成整个变频调速系统的管理，逻辑处理，包括起停车逻辑、报警故障逻辑等。触摸屏为中文界面的液晶显示，完成变频器参数设定、运行参数状态显示和报警故障显示等功能。主控制器完成PWM信号的产生、移相，并转换成光信号，通过光纤传送到功率单元，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。旁路控制器为整个系统提供了较高的容错能力，当工作中的某个功率单元故障时，旁路控制能自动将其从工作中退出，并将备用功率单元投入运行。整套控制系统的设计原则是可靠、实用、简单。
2、SH-HVF系列变频器主要优势
1>、功率单元机械式旁路
        为了保证变频器和现场设备的正常运行，SH-HVF系列高压变频器为用户提供了功率单元机械旁路功能，当单元故障时，可自动将输出清除并同时触发旁路单元将其旁路，使其不影响整个系统的正常工作，使整个系统由原来的串联可靠性结构变成为并联可靠性结构。典型旁路示意图如下：
  
  

                                                                                                                                                            图4典型的功率单元机械旁路示意图
        传统的功率单元电子式旁路设计采用晶体管方式，其设计与功率单元采用一体化设计，其电子旁路能否动作取决于功率单元的故障状态；而我公司功率单元机械式旁路采用机械式接触器方式，并且专门为其设计了一套功率单元旁路控制系统，一旦功率单元故障，不管故障多么严重，旁路系统均能正确安全的旁路。
2>、N+1冗余运行方式
用户在订货时可选配1单元为冗余配置，在此配置下，可保证最大3单元故障时，变频器能满载50Hz、10kV输出。
3>、变频器带故障运行方式
当有功率单元故障时，变频器可通过线电压自动均衡技术，输出最大的功率而不至于跳机影响生产，用户可以根据设备的报警自行确定停机维修时间。
4>、风机选用进口设备
我公司高压变频器冷却风机采用原装进口EBM风机，其平均无故障连续运行时间大于100000小时。
5>、频率分辨率
频率分辨率为0.01Hz，每周波频率误差小于1微秒。
6>、谐波指标
输出电流谐波失真<2%；变频调速系统产生的谐波满足并高于中国“GB/T 14549 电能质量 公用电网谐波”及“IEEE519”国际标准的规定。变频装置考虑将对电网谐波影响减至最小的措施包括：a、移相变压器；b、单元串联技术；c、优化的PWM算法；d、多脉冲整流技术
7>、线电压自动均衡技术
变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。
8>、控制部分双电源切换
变频器控制回路采用双电源切换技术并配置UPS电源，双电源一路来源于用户电源，一路来源于变频器内隔离变压器二次输出绕组，其中任意一单元掉电自动切换至另一回路，切换时间约为40ms，切换过程中的电源保证由UPS提供，UPS提供掉电30分钟输出。
  四、原料磨循环风机的变频改造
1、生料磨系统简介：
华新金猫水泥（苏州）有限公司是一条3000T/D的水泥生产线，其生料磨循环风机电机为6KV/1600KW，采用挡板（阀门）调节风量大小，风机消耗功率大，节流损失较大。调节风门挡板控制风量，由于挡板处于较高压力下工作，易磨损，易造成管道内风量调节不准确，对生料磨系统工艺影响也较大。其生料磨系统简易图如图5所示：
  
  

                                                                                                                                                                                        图5立式生料磨系统简易图
  生料磨循环风机在生料磨系统中起到很大作用，通过调节循环风机可以控制磨系统的以下参数：
1>、磨内通风量：立磨靠风扫磨，通风量要适当。风量不足，合格的生料不能及时带出，料层增厚，排渣量增多，设备负荷高，产量降低；风量过大，料层过薄，影响磨机稳定运转。
2>、料层厚度：立磨稳定运转的另一重要因素是料床稳定。料层稳定，风量、风压和喂料量才能稳定，否则就要通过调节风量和喂料量来维持料层厚度。若调节不及时就会引起震动加剧，电机负荷上升或系统跳停等问题。
3>、磨机振动：振动是辊式磨机工作中普遍存在的一个现象,合理的振动是允许的,但若振动过大，则会造成磨盘和磨辊以及衬板的机械损坏。
4>、磨内压差： 压差是指风环处的压力损失,在磨机运行时，磨内负荷量的变化不仅从磨机电流、料层厚度、振动幅度等参数上反应出来，而且压差更能反映磨内状况。
5>、磨机出口温度：有效的控制出口温度，可以保持良好的烘干及粉磨作业条件。
6>、产品细度：磨内通风量的大小对产品细度也有一定影响 。
另外磨的运行稳定因素还有喂料量、喷水量、研磨压力、循环风量和选粉机转速等参数。
华新金猫水泥生料磨循环风机电机参数如下：
电机型号：YRKK710-6
额定功率：1600KW
额定电压：6KV
额定电流：193A
根据华新金猫水泥负载的相关参数选配SH-HVF系列高压变频器参数如下：
型号：SH-HVF-Y6K/2000
隔离变压器容量：2000KVA
IGBT容量：80℃ 380A
整流桥容量：95℃ 380A
旁路开关：630A
  2、主回路设计
为了充分保证系统的可靠性，变频器配置方案均采用一拖一方式，其主回路原理图如图6所示：
  
  
  
                                                                                                                                                                      图6 SH-HVF高压变频器主回路原理图
        6KV高压电源经用户开关柜高压开关QF到刀闸柜，经输入刀闸QS1到高压变频装置，变频装置输出经出线刀闸QS2送至电动机；高压电源还可经旁路刀闸QS3直接起动电动机。进出线刀闸QS2和旁路刀闸QS3的作用是：一旦变频装置出现故障，即可马上断开进出线刀闸QS2，将变频装置隔离，手动合旁路刀闸QS3，在工频电源下起动电机运行。QF保留用户原断路器，QS1、QS2、QS3安装在一个刀闸柜中与变频装置配套供货。QS2与QS3之间通过机械闭锁，防止误操作。
3、控制方式：
该设备有三种控制方式 ：   
1>、以压力、流量为控制对象的闭环控制：以输入的4～20mA模拟量值为控制依据，实现自动控制。
2>、 以转速为控制对象的开环控制：该方式在远程操作（DCS或远程操作箱上操作）用户可根据工况条件自设定转速，变频器以该转速为控制值，该方式下频率的变化依据用户输入的模拟量，4mA对应0转速，20mA对应额定转速。
3>、以频率为控制对象的开环控制：该方式在就地操作（设备本体上操作）直接从触摸屏上设置输出频率，变频器以该频率为控制目标值。
以上三种控制方式用户可通过人机界面（触摸屏）设置，满足不同的工况要求。
4、变频改造后华新金猫水泥原料磨系统运行数据：（现场实测）
  
  
        由以上测量数据显示，满足立式原料磨的料层厚度、原料细度、磨内压差、振动等工艺要求的基础上，配合调节变频器转速和选粉机转速，使整个原料磨系统达到一个动态平衡，从而在保证原料工艺要求的情况下，达到较好的节能目的。
  五、变频改造后收益分析：
1、直接收益：
改造前：在运行时阀门开度为56％－58％，当阀门开度为58％时，电流为147A；当阀门开度为5％时，电流为101A；当阀门开度为20％时，电流为116.5A；当阀门开度为55％时，电流为142－145A；当阀门开度为60％时，电流为150－152A。
变频改造后：阀门开度为100％，变频器转速为1300－1360，此时变频器电流为102－110A。
改造前平均功率为：1310KW
改造后平均功率：1008KW
根据现场实测变频后设备节电率为：
ΔP＝(P1－P2)/P1=(1310－1008)/1310＝23%
变频改造后节电功率为：
PB= P1-P2=1310-1008=302 kW
变频改造年节电收益＝PB×0.5×h＝302×0.5×8640≈13万元
风机的年运行时间：按360天计算，大工业电费为：0.5元/kwh
  2、间接效益：
1>、变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑。
2>、电机以及负载转速下降，系统效率得到提高，取得节能效果。大大减少了对设备的维护量，节约了人力物力资源。
3>、由于电机以及负载采用转速调节后，工作特性改变，设备工况得到改善，延长设备使用寿命。
4>、功率因数由原来的0.8左右提高到0.95以上，不仅省去了功率因数补偿装置，而且减少了线路损耗。
5>、厂房设备噪声污染将降低。
6>、能提高整个系统的自动化水平和工艺水平。
7>、节能减排，减少了温室气体的排放，保护了环境。
8>、负载改变频后，由于变频器采用单元串联移相技术，因此在理论上可以消除35次以下谐波。由于实际制造工艺的限制，网侧电压谐波总含量可以控制在2％以内，电流谐波总含量小于2％。延长了电机的使用寿命。
9>、变频输出采用PWM技术控制，输出电压波形基本接近正弦波，谐波总含量小于1％，上述指标均满足IEEE-519国际电能质量谐波标准要求。延长了电机的使用寿命。
10>、使用变频调节，可实现参数的实时恒定运行，提高了系统运行的安全稳定性。
11>、由于采用自动控制，进一步提高了设备运行控制和系统运行管理的自动化水平，从而真正实现自动调节，大大增强了运行的安全可靠性。
        总结：在华新金猫水泥（苏州）有限公司生料磨系统循环风机电机采用SH-HVF-Y6K/2000高压变频器，不但操作方便、容易、维护量小，而且有明显的节能效果。通过SH-HVF高压变频器在华新金猫水泥的应用，提高了生料磨的产量，又到达较好的节能效果。因此在水泥厂生料磨系统循环风机采用高压变频技术是应该倡导和推广的。
  
参考文献
1．《DL/T994-2006中华人民共和国电力行业标准 火电厂风机水泵用高压变频器》2006年10月
2．《湖北三环发展股份有限公司企业标准 Q/SH001-2003》   2003年10月
3．《变频器调速应用百例》  科学出版社  1999年
4．《新型干法水泥工艺设计手册》 中国建材工业出版社 2007年1月