高压变频器在水泥厂高温风机上的应用

高压变频器在河北中联水泥厂高温风机上的应用 -- 杨国强

一、概述

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。

应用案例：2010年，邢台中联水泥厂的高温风机上进行了变频改造，经过一年的数据搜集及对比分析，节能效果显著。下面对改造情况作一详细介绍。

二、原来液体电阻调节的具体工作方式

绕线式异步电动机的转子经集电环和电刷串接外加电阻后，可以改变电动机的转差率s，进而改变转速。通过改变其转子串接的外电阻可实现调速。转子串接的电阻值R越大，其机械特性也越软，即转矩很小的变化将引起转速较大的波动。此外，在负载小时(即转矩小时)其调速范围变窄。从高温风机长期的液体电阻调节工作过程中可以总结出液体电阻的优缺点：

优点：调速方法简单，初投资低，容易实施，可靠性高，功率因数高，不产生高次谐波，启动设备和调速设备合为一体。

缺点：①由于转差功率都是以发热的形式消耗在电阻上，然后通过冷却水冷却后白白浪费掉，再加上控制设备较多(循环泵和伺服电机等)，控制回路消耗的功率较大，因此效率比较低。②由于控制设备的增多，相应的出现故障的概率也较高，考虑到渗漏以及蒸发等原因，需要定期加液之类的，设备维护量比较大。另外环境温度低于零度，需要考虑电解液等加热问题。③调速比低(与变频等相比)，不大于50%，不适用于对调速范围要求较大的场合，如转速较低场合。④启动转矩比较小，特性较软。不适合对电动机机械特性要求高的场合。⑤只适用于绕线式异步电机调速，鼠笼式电机只能作软起。

结论：转子串电阻调速的方式，在串级调速和变频调速技术成熟之前是绕线电机的主要的调节手段，因此在一些比较早期的绕线电机的运行场合，应用还是比较多的，但液体电阻调速属于有转差损失的低效调速方式，与高效调速方式相比节能的空间相对较小，而且其技术进步的空间已经不大，并且只能用在绕线式电机上，因此很大的限制了它的应用。

三、高压变频调速系统简介

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

最为合理的调速方法。由公式n＝60f(1-s)/p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。

高压变频调速具有如下显著的优点：

(1)节能：减少由负载档板或阀门调节导致的节流损失。

(2)提高功率因数：系统网侧功率因数由变频前的0.85左右提高到变频后的0.95以上。

(3)软启软停：减少对电网和负载的冲击。

(4)高效：含变压器在内的整机效率在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n的平方成正比；输出轴功率P与转速n的立方成正比；即：

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。

可见，通过变频对风机进行改造，可以实现节能，且节能空间可观。

四、高温风机变频系统方案

负载：窑尾高温风机，其配套电机为10kV/1250kW，型号为YRKK560-4。

变频器：额定电压10kV，额定电流140A,额定容量：1600kVA。

被控工艺参数：窑尾预热器(高温风机入口)的压力为工况要求值。

五、国电四维高压变频器原理及特点

Swdrive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为每相由5个额定电压为690V的功率单元串联而成，共15个功率单元;10kV每个系统共有24个功率单元，每相由8个额定电压为750V的功率单元串联而成。

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。

六、窑尾高温风机系统简介

邢台中联水泥厂水泥生产线为干法旋窑，其窑烧成系统流程简图如图1所示：

图1：窑烧成系统流程简图

从预热器来的生料从窑尾进入到窑中，借助窑的转动来促进生料在旋窑内高温下混合、煅烧，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