大型風機的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的選型及其應用

　　1 引言

　　工業(yè)企業(yè)中擁有眾多拖動風機、泵類負載的大型高壓電動機，其中大部分都運行在通過風門或閥門調(diào)節(jié)流量的節(jié)流狀態(tài)，造成大量能源浪費，存在巨大節(jié)能空間；對該類高壓電機進行調(diào)速改造，不僅可大幅降低電能消耗，而且可提高設備自動化水平，改善設備運行狀態(tài)，節(jié)約設備維修費，并可改善工藝控制效果，是一條節(jié)能降耗的重要技術(shù)途徑。

　　本項目技術(shù)改造為高壓變頻調(diào)速技術(shù)在貴州某年產(chǎn)130萬噸大型氧化鋁廠3#熟料窯5#、6#排煙風機上的應用。5#、6#排煙風機為高壓異步電動機拖動，啟動方式為直接啟動，恒速運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)中根據(jù)工藝需求通過調(diào)節(jié)風門開度調(diào)節(jié)風機的送風量，以便將爐窯內(nèi)的燃燒狀況控制在最佳水平。長期以來，不論爐窯內(nèi)處于何種燃燒狀況，產(chǎn)生的煙塵大小等風機均全速運行。采用入口擋板風門開度調(diào)節(jié)，效率低、功率大、造成大量的電能浪費。通過采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)取代傳統(tǒng)的風門擋板風量調(diào)節(jié)技術(shù)，在保證設備正常運行的情況下降低了風機的用電量，節(jié)約了生產(chǎn)成本。進行變頻改造以后，將進口擋板的開度開到最大，風量的調(diào)節(jié)根據(jù)生產(chǎn)需求通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，使風機處于最佳節(jié)能運行狀態(tài)，從而達到了節(jié)電的目的。變頻改造后還為風機、電機以及各種管道附屬設備提供多項保護措施，從而延長設備使用壽命。

　　2 項目技術(shù)改造背景

　　近年來，隨著電力電子器件、控制理論和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓變頻技術(shù)逐漸成熟，同時變頻器的價格不斷下降，可靠性不斷增強，大幅拓寬了工藝控制對變頻調(diào)速的要求。最近十年外省發(fā)達地區(qū)高壓大容量變頻器已經(jīng)在冶金、電力、石化等行業(yè)得到廣泛應用，節(jié)能效果非常顯著。但在我省應用很少，因此采用高壓變頻裝置對大型用電設備進行改造成為我省企業(yè)節(jié)能降耗，提高設備自動化程度和競爭力的重要技術(shù)措施之一。為此，08年該公司北京總部將“高壓變頻調(diào)速技術(shù)在氧化鋁工業(yè)上的應用”項目確定為重大科技成果產(chǎn)業(yè)化和推廣應用項目，在各省分公司進行產(chǎn)業(yè)化試驗，貴州所屬氧化鋁廠08、09年共新裝或技改了18臺（套）高壓交流變頻調(diào)速裝置，為節(jié)能降耗做出了貢獻，也為我省企業(yè)針對高電壓、大容量風機、泵類的節(jié)能改造積累經(jīng)驗，起到一定示范作用。

　　3 熟料窯風機高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的選型設計

　　3.1 排煙風機運行技術(shù)數(shù)據(jù)

　　排煙風機運行技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

　　3.2 對高壓變頻調(diào)速設備的主要技術(shù)參數(shù)和設計性能要求

　　根據(jù)3#燒成窯（熟料窯）現(xiàn)場情況及設備運行經(jīng)驗對高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)和設計性能要求如下：

　　3.2.1 主要技術(shù)參數(shù)（如表2）

　　3.2.2 性能要求

　　（1）變頻裝置應設以下保護：過電壓、過電流、欠電壓、缺相、短路、超頻、失速、變頻器過載、電機過載、半導體器件的過熱、瞬時停電等基本保護功能，必要時能聯(lián)跳輸入側(cè)開關。

　?。?）變頻裝置控制系統(tǒng)應可靠，重要元器件應冗余配置。變頻器應滿足本體面板控制、現(xiàn)場控制和主控室計算機（dcs）自動控制三地控制功能及轉(zhuǎn)換。且變頻器本體柜操作盤應能進行相關的各種控制操作和參數(shù)設置，顯示面板具有電流、電壓、頻率、功率、功率因數(shù)、開、停、故障顯示及故障記憶等基本功能顯示。

　?。?）提供的變頻器支撐軟件宜為漢化的最新的正版軟件。變頻裝置應帶故障自診斷功能，能對發(fā)生的故障類型及位置提供中文指示，能在就地顯示并遠方報警。

　?。?）變頻裝置應能接受現(xiàn)有dcs或其它控制系統(tǒng)的指令，并反饋變頻器的主要狀態(tài)信號和故障報警信號，至少包含以下開關量和模擬量信號：

　　開關量輸入：起動、停止、手動/自動轉(zhuǎn)換信號。

　　開關量輸出：高壓準備就緒、變頻器運行、故障、停止信號。

　　模擬量輸入：頻率調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)速給定）；dc 4～20ma標準信號。

　　模擬量輸出：輸出頻率、輸出電流；dc 4～20ma標準信號。

　?。?）變頻裝置的i/0可根據(jù)用戶的要求進行參數(shù)化，對開關量輸入回路在硬件上采取光電隔離措施，在軟件上采取消除接點抖動措施，并作好接地、屏蔽等抗干擾措施。對開關量輸出控制應具有光電隔離輸出，并能直接啟動任何中間繼電器；模擬量信號增加信號隔離器隔離。

　?。?）變頻裝置應具有與現(xiàn)有控制系統(tǒng)dcs或其它控制系統(tǒng)的通訊接口；能與現(xiàn)有控制系統(tǒng)dcs或其它控制系統(tǒng)共同完成兩系統(tǒng)間的通訊連接。

　?。?）變頻裝置內(nèi)部通訊應采用光纖連接，以提高通訊速率和抗干擾能力；變頻器柜內(nèi)強電信號和弱電信號應分開布置，以避免干擾。

　?。?）變頻裝置輸出電壓必須符合ieee519-1992及國標gb14549-93對諧波失真的要求。并且變頻器強弱電之間采用光纖隔離、鐵殼屏蔽，對本體控制系統(tǒng)就地控制柜無諧波影響。

　?。?）變頻器還必須滿足如下要求：

　　當6kv母線上最大1臺電動機啟動時，母線電壓降低，對變頻器運行無影響。變頻器自動降低轉(zhuǎn)速，維持運轉(zhuǎn)，等電壓恢復正常后再回到給定轉(zhuǎn)速；

　　變頻裝置的輸出頻率范圍為0.5～120hz；恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍為3～50hz；調(diào)速精度為0.01hz；最大瞬時啟動力矩為120%；間歇過載能力為120%（1min）；每10min累計；150%時立即保護，50hz以上恒功率特性輸出；

　　變頻裝置欠壓保護動作值：允許電壓降落35%，保護時間可設定；

　　變頻器瞬時斷電再上電的能力：瞬時掉電時，變頻器自動降額運行，使輸出功率為零或為負，使電容上的能量維持較長的時間。如果掉電時間在20s內(nèi)（掉電時間可根據(jù)現(xiàn)場需要修改），輸入電壓恢復正常后，重新提升輸出頻率至給定值，此過程由加減速時間控制；

　　變頻裝置動力電源與控制電源獨立設置，動力電源為變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部取電，控制電源由用戶提供單相220v交流電源；

　　變頻裝置功率元件型式：變頻調(diào)速系統(tǒng)功率元件采用igbt模塊；噪聲等級指標：系統(tǒng)運行噪聲《75db；控制技術(shù)：多級pwm控制。

　?。?0）冷卻系統(tǒng)應可靠，平均無故障時間應≥變頻裝置本身。在一個風機出現(xiàn)故障時不影響變頻器的正常運行。報警信號應能遠傳到控制室，冷卻裝置應拆裝方便。

　　（11）其他要求：

　　變頻裝置的控制電源應配置ups不間斷電源；

　　變頻器、旁路開關、柜門之間必須具有防誤合閘、誤拉閘功能；

　　在旁路主回路中，為保證在旁路運行后，變頻器的檢修安全，變頻器電源進線、變頻器輸出出線必須加隔離開關，保證有明顯的斷開點，以滿足安全規(guī)范要求。

　　4 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的選型及應用

　　對于6kv等級，目前主要有4種高壓變頻裝置：單元串聯(lián)多電平型、三電平型、igbt直接串聯(lián)型和電流源型。由于單元串聯(lián)多