国产矢量控制型高压变频器在水泥厂高温风机上的应用

摘要：本文主要论述利德华福高压变频器在河南天瑞集团水泥有限公司高温风机上的应用，实践证明水泥厂风机采用高压变频调速的可行性、必要性及实际应用的节电效果，以此推广高压变频节能项目。

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，风机进行变频改造后，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：

　　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：H_A=kQ₁²（K为风机特性系数）；管网特性曲线H_A=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P_A＝H₁×Q₁/102；风机工作在B点时，其功率为P_B＝H₂×Q₂ /102。

　　虽然Q₂＜Q₁，但H₃＞H₁，所以P_A与P_B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P_A＝H₁×Q₁/102；风机工作在B点时，其功率为P_B＝H₂×Q₂/102 。

　　Q₂＜Q₁，而且H₂＞H₁，所以P_A与为P_B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，大大降低了由于高温风机停运对生产造成的影响，降低电机设备故障率，取得节能、增效的巨大效益，得到用户普遍认可。

　　高温风机由于“塌料”导致的过负荷是由于在旋窑水泥生产线生产过程中的预热器管壁上的粉尘粘附到一定厚度时就会坍塌脱落，造成管道内粉尘浓度增大，阻力增加，负压升高，使排风机负荷增加。此外，如果垂直烟道或预热器内在清洁皮或有物料塌料时，同样也会造成气流波动，使排风管内气流紊乱，造成高温风机过负荷停机，该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏。在实际使用过程中的“塌料”现象，会不定期的导致电机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍，如使用一般厂家的通用型高压变频器会导致变频器运行过程中频繁跳机，直接影响高温风机与生产线的正常运行。

　　利德华福公司生产的高压变频器采用矢量控制算法，变频器对其输出电流进行实时、快速的精确控制（传统的VVVF控制中，不对输出电流进行控制，输出电流的测量仅用于显示和保护）。在控制算法中对最大输出电流进行限制，因而不会因负载的波动导致变频器过流停机。

七、天瑞水泥厂应用实例

 1.整体概况

　　天瑞河南某水泥厂5000t/d（二线）有1台高温风机需要变频改造，目前，该风机是通过调整液耦开度及风机挡板改变风压、风量的。通过对现场的生产运行工艺、设备工况进行分析，认为这些设备存在以下几个问题：

（1）高温风机采用液力耦合器调速，这种调速方法实质上是转差功率消耗型的做法，其主要缺点是随着转速下降效率越来越低，需要断开电机与负载进行安装，维护工作量大，过一段时间就需要对轴封、轴承等部件进行更换，现场一般较脏，显得设备档次低，属淘汰技术。

（2）还有些风机目前采用水电阻软启动，通过风门调节风压、风量的。水电阻启动方式，仍然有近3倍额定电流对电网的冲击，且水电阻启动时间较慢，容易造成水开锅的现象。

（3）其余的高压风机设备采用调节入口蝶阀，它调整节流损失大、入口压力低、系统效率低，造成能源的浪费。

　　因此，解决上述问题，可以考虑采用变频调速控制技术，利用高压变频器对风机电动机进行变频调速控制，实现生产能力的变负荷调节。这样，不仅解决了入口蝶阀控制系统效率低、设备工作特性差等难以克服的缺点，而且提高了系统运行的经济性指标；更重要的是减小了因入口蝶阀变化造成的压流损失，减轻了控制阀的磨损，降低了设备温升对设备性能的负面影响，延长设备使用寿命，节约能源，为降低厂用电率提供了良好的途径。

2.现场技术数据

（1）电机、高温风机（1台）及液力耦合器参数表：

（2）平均电价：0.5元/度。

（3）年运行时间：T=8000h。

3.工频、变频的耗电量对比：

八、变频改造后的优点

（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）系统效率得到提高，消除了风门挡板的损失，取得节能效果。

（3）由于风机采用转速调节后，工作特性改变，设备工况得到改善，延长设备使用寿命。

（4）风机改变频后，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41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4％。

（5）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。

（6）利德华福变频器为电压源型结构，功率因数可高达0.95。

（7）厂房设备噪声污染大大降低。

九、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。实践证明，水泥行业风机采用高压变频调速技术，是必要、可行的，且经济效益显著。

　　HARSVERT系列高压变频器可靠性高，输入、输出波形质量好，采用矢量控制技术，适合于水泥厂风机的变频改造，成功解决了水泥生产中的塌料引起的负载波动问题，大大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。