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

　?。?）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(guān)。

　?。?）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(guān)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(guān)量和模擬量信號：

　　開關(guān)量輸入：起動、停止、手動/自動轉(zhuǎn)換信號。

　　開關(guān)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(guān)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(guān)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。

　　（10）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。

　?。?1）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(guān)、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(guān)，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)多電平方式容易實現(xiàn)冗余運行，并且諧波小，dv/dt低，技術(shù)成熟，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝情況，決定選用北京利德華福有限公司生產(chǎn)的harsvert-a06型高壓變頻器作為主件，該變頻調(diào)速系統(tǒng)具有諧波含量小，功率因數(shù)高、編程靈活、操作方便、模塊化結(jié)構(gòu)、故障率低、維護方便、易維修等特點。對應每1臺風機設置1套高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，每套變頻調(diào)速系統(tǒng)包括高壓變頻器（由功率柜和控制柜組成）、高壓變頻器專用隔離變壓器、工頻/變頻旁路切換柜、電動機、風機及后臺控制系統(tǒng)構(gòu)成。

　　4.1 系統(tǒng)主回路電氣原理圖

　　系統(tǒng)主回路電氣原理圖如圖1所示。

　　4.2 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成

　　harsvert-a06系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成，有21個功率單元，每7個功率單元串聯(lián)構(gòu)成1相。

　　4.3 功率單元結(jié)構(gòu)

　　每個功率單元結(jié)構(gòu)上是完全一致的，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，為基本的交—直—交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過igbt逆變橋進行正弦pwm控制。

　　4.4 輸入、輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

　　輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成42脈沖整流方式，這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。

　　輸出側(cè)由每個單元的u、v輸出端子相互串接而成星（y）型接法給電機供電，通過對每個單元的pwm波形進行重組，可得到階梯pwm波形。

　　4.5 控制器

　　控制器核心由高速單片機來實現(xiàn)，控制器包括電源板、接口板、主控板、總線板、光纖板和功率模塊，控制器還包括內(nèi)置的plc，siemenss7-200cn cpu226cn 1臺，模擬量i/o組合模塊em235cn 1塊，模擬量輸出模塊em232cn 3塊。

　　4.6 軟件控制界面

　　通過高壓變頻器的主界面可以完成變頻器的功能設定、參數(shù)設定、實時波形顯示、運行記錄打印、故障查詢。在主控界面可以對變頻器直接進行啟動、設定運行頻率、加速、減速、停機、急停和復位等操作。在界面上還顯示運行頻率、電機速度、輸入電流、輸出電流、輸入電壓、輸出電壓等參數(shù)。

　　4.7 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式

　?。?）本機控制

　　如將高壓變頻器柜上的選擇開關(guān)處于本控位置，這時只能由變頻器操作，在操作面板上按啟動按鈕，直接給定頻率。

　?。?）遠程控制

　　如將高壓變頻器柜上的選擇開關(guān)處于遠控位置，則在上位機上給出啟動信號，并設定給定頻率。

5 技術(shù)改造后的技術(shù)與經(jīng)濟效益分析

　　5.1 技術(shù)效能

　?。?）使用變頻器控制后能做到無沖擊平滑啟動（軟啟動），啟動電流小，避免了啟動沖擊造成的機械損傷和啟動電流大、時間長造成的電器發(fā)熱。

　　（2）風量控制由電機轉(zhuǎn)速控制，實現(xiàn)不同工況下的風量調(diào)節(jié)，易實現(xiàn)計算機閉環(huán)自動調(diào)節(jié)控制，避免了電機、排煙機在風量小時仍在額定轉(zhuǎn)速下工作。使設備在較小的電流、較低的轉(zhuǎn)速下工作，提高了設備的使用壽命，降低了故障率，同時提高系統(tǒng)效率。

　?。?）風機是典型的二次方律負載，負載功率（p）與轉(zhuǎn)速（n）的三次方成正比：p=kp×n3，只要電機的轉(zhuǎn)速（n）降一點，負載功率（p）就降很多，節(jié)電效果十分明顯，排煙機常在40～47hz的頻率下工作，改后比改前節(jié)電17%左右。

　?。?）改造前因故障停機引起的直接經(jīng)濟損失每臺窯高達2.4萬元/h左右，自從改用變頻器控制以來電氣、機械故障明顯減少。

　　5.2 技術(shù)改造前后綜合對比

　　技術(shù)改造前后綜合對比如表3和表4所示。

　　5.3 風機高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應用情況

　　改造前，燒成窯的排煙風機平時開度處于50～80%，風機的節(jié)流損失很大，變頻改造后，初步統(tǒng)計，節(jié)電率達到17%，變頻改造后，風機啟動平穩(wěn)，運行中震動減小，軸承溫度下降，對減少風機葉輪的積灰，延長清灰周期，提高設備的運行壽命等都起到一定作用。

　　5.4 經(jīng)濟效益分析：

　　2（臺）×（6kv×35a－5kv×20a）×0.86（功率因數(shù)）×365（d）×24（h）×0.9（運轉(zhuǎn)率）×0.38（元/kw·h）＝98.2萬元/年可見，節(jié)電效益明顯。

6 結(jié)束語

　　此項目于2007年立項，08年6月在3#窯5#、6#排煙風機改造成功，投入工業(yè)性試運行。至今，該廠已共技改或新裝了23臺（套）高壓交流變頻調(diào)速裝置，應用在大型風機、泵類負載的高壓電機傳動控制中，運轉(zhuǎn)情況良好，各項技術(shù)性能均達到預期要求，并且都具有較完美的節(jié)能降耗效果，應用相當成功。在工業(yè)企業(yè)，對于許多高壓大功率的設備推廣和應用高壓變頻技術(shù)，不僅可以取得相當?shù)墓?jié)能效果和優(yōu)化自動化控制水平，是企業(yè)節(jié)能降耗的一個技術(shù)措施，而且也是得到國家產(chǎn)業(yè)政策支持的，代表了今后工業(yè)行業(yè)電氣裝備節(jié)能技改的一個方向。