高压变频调速在水泥厂高温风机上的应用

高压变频调速在水泥厂高温风机上的应用湖北三环发展股份有限公司吴光明2006-3-10一、前言高压交流变频调速技术是90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电机的变频调速，其技术和性能远远胜过以前采用的调速方式（如串级调速、液力耦合器调速、转子水阻调速等）。

高压变频以其显著的节能效益、高的调速精度、宽的调速范围、完善的保护功能、方便的通信功能，得到了广大用户的认可和市场的确认，成为企业电机节电方式的首选方案。

变频调速技术现已被应用于各行各业，我公司于2004年起开始将高压变频器应用于水泥行业的电机节能改造，至今已成功用于水泥厂窑尾排风机、高温风机、窑头EP风机、生料磨循环风机的节能改造，取得了许多成功的改造经验，并取得了显著的经济效益，现以荆门某水泥厂的窑尾高温风机变频改造为例，对高压变频应用于水泥行业的节能改造进行分析与总结。

二、变频调速节电原理异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率f来改变同步转速而实现调速的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高，是异步电动机的最为合理的调速方法。

由式 n＝60f/p（1—s）可以看出，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。

变频调速具有如下显著的优点：（1）由设备设计余量而导致“大马拉小车”现象，因电机定速旋转不可调节，这样运行自然浪费很大，而变频调节彻底解决了这一问题；（2）由负载档板或阀门调节导致的大量节流损失，在变频后不再存在；（3）某些工况负载需频繁调节，而档板调节线性太差，跟不上工况变化速度，故能耗很高，而变频调节响应极快，基本与工况变化同步；（4）异步电动机功率因数由变频前的0.85左右提高到变频后的0.95以上；（5）可实现零转速启动，无启动冲击电流，从而降低了启动负载，减轻了冲击扭振。

（6）高压变频器本身损耗极小，整机效率在97％以上。

对离心式风机而言，流体力学有以下原理：输出风量Q与转速n成正比；输出压力H 与转速n2正比；输出轴功率P与转速n3正比；即：Q 1/Q2＝n1/n2H 1/H2＝(n1/n2)2P 1/P2＝(n1/n2)3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变频器原理及特点SH-HVF系列高压变频器是由湖北三环发展股份有限公司在充分消化与吸收国内外高压变频技术的基础上，总结同行的经验与教训，综合分析当今世界上现有的高压变频技术研制开发出的新一代高压变频器，该变频器采用直接高-高变换的方式，多重化移相整流、多电平串联倍压的技术方案，优化的PWM控制算法，实现优质的可变压变频（VVVF）的正弦电压和正弦电流的输出。

1、结构简介SH-HVF系列高压变频器柜由单元柜（含控制柜）、隔离移相变压器柜、工频旁路柜（含变频器进线柜、变频器出线柜）三部分组成，典型的SH-HVF变频器结构如图1所示。

图1 SH-HVF变频器结构2、技术特点与功能（1）直接高-高变换，设备体积小，整机效率高；（2）输入侧采用多重化移相整流技术，电流谐波小，功率因数高；（3）采用多功率单元串联技术，输出波形失真小，输出谐波低；（4）高可靠性设计，控制信号经光纤传送，实时可靠；（5）主电路模块化设计，安装、调试、维护方便；（6）系统热备份，严重故障时自动旁路；（7）内置PID调节器，可开环或闭环运行；（8）可选择现场控制、远程控制；（9）完善的保护性能：过流、过压、过载、过热、输出三相不平衡等多种保护功能内置；（10）高度智能化设计，开放式的软件和硬件设计方案，便于系统升级；（11）全汉化中文界面，彩色液晶显示功能，方便操作；对工作电流、电压等参量进行实时检测、长期存储并可随时查阅；（12）灵活方便的接口配置；数字量、模拟量、通讯接口完备、灵活，与用户现场的DCS系统、各类现场总线完善配合，并可选配远程通讯控制单元，实现异地远程监控；（13）个性化设计，减小用户现场的干扰和冲击；软起、软停避免对电缆、用电设备及电网的冲击。

3、相关保护（1）变压器防浪涌保护：在变压器上电瞬间，特别的设计防止浪涌电流对系统的冲击（2）功率单元输入过流保护：检测到功率单元输入过流后,功率单元自动旁路（3）功率单元输入过压、欠压保护：检测到功率单元直流电压过高、欠压后自动旁路保护单元，输出不受影响（4）输出电流不平衡保护：当输出长时间电压不平衡时，跳闸保护电机（5）输出电压不平衡保护：当输出长时间电流不平衡时，跳闸保护电机（6）系统过流保护：当输出电流超过设定的电流过流值时，跳闸保护电机（7）系统过载保护：当输出电流超过设定的电流过载值时，跳闸保护电机（8）短路、接地、输入电源断相、输出断相、过电压、欠电压、过温等，系统将跳闸保护4、用户接口SH-HVF系列高压变频器为用户提供有压频曲线设置接口，闭环控制接口、用户侧高压开关控制接口，用户急停接口，用户频率反馈接口，用户频率给定接口，用户报警信号查询接口，用户DCS接口以及用户需要的其它的变频器运行的参数、实时数据、历史数据等接口，这些接口包括电压、电流、数字通讯接口等多种形式。

5、高压变频器的控制原理高压变频器原理框图如图2所示。

图2 单元串联变频器原理柜图单元数的多少视电压高低而定，以SH-HVF-Ⅰ型6KV变频器为例，每相为8单元，三相共有24单元。

每个功率单元的输入电压为400V，输出电压为0～430V，每相8个功率单元串联，则对应的最高相电压为0～3450V，三相星形连接的最高线电压为6000V。

每个功率单元承受全部的电机电流、1/8的相电压、1/24的输出功率。

24个功率单元在移相变压器上都有各自独立的三相输入绕组。

功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。

二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。

移相变压器的副边绕组共24组（每相8组），构成48脉波整流方式。

这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善电网侧的输入电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近于1。

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3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，每相8个单元叠加，就可产生17种不同的电平等级，分别为±8、±7、±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3 功率单元电路8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。

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。

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。

高压变频器主体结构如图4所示。

图4 高压变频器主体结构6、高压变频器功率单元冗余设计SH-HVF系列高压变频器设置有单元旁路组件，一旦某一个功率单元出现故障，旁路控制可自动将其旁路，使其退出运行，并同时将备用功率单元投入，保证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。

采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案，大大的有利于提高系统的可靠性。

一旦功率单元发生故障并被旁路，系统控制自动进行补偿或者降额使用，以保持电机电压平衡。

为了补偿跌落的电压，每相最多为8个功率单元的系统可为每相配备2个额外的功率单元（选件）。

该6个备用功率单元用来补偿跌落的电压。

如果没有配备备用功率单元，则变频器将工作在稍低的输出电压，但是仍然提供全部额定电流。

功率单元旁路系统包括每个功率单元一个旁路接触器，一个接触器控制板（安装在功率单元柜内）以及主控系统与接触器控制板之间的光纤连接。

如图5所示，当功率单元正常时，旁路接触器不动作，其常闭主接点将功率单元接通输出；若功率单元故障，旁路控制封锁对应功率单元IGBT的触发信号，并使旁路接触器动作，其常闭主接点断开，将功率单元从串联回路中切除，并将本单元外输出接线直接短接。

图5 单元旁路控制原理四、水泥厂高温风机高压变频改造1、窑尾高温风机系统简介目前水泥厂生产线一般均为干法悬窑，其窑烧成系统流程简图如图6所示。

图6 窑烧成系统流程简图旋窑是一个有一定斜度的圆筒状物，预热机来的料从窑尾进入到窑中，借助窑的转动来促进料在旋窑内搅拌，使料互相混合、接触进行反应，物料依靠窑筒体的斜度及窑的转动在窑内向前运动。

窑内燃烧产生的余热废气，在窑尾高温风机的作用下，通过预热器对进入窑尾前的生料进行预热均化，降温后的余热废气再通过高温风机抽出进入废气处理（除尘及排出）。

均化好的生料预热后在回转窑内煅烧成熟料，回转窑内需要合适的气压及温度，才能使煤粉有一定的悬浮时间进行充分燃烧，生料才能在窑内达到很好的热处理。